李金澤

(遵義鈦業(yè)股份有限公司,貴州遵義 563004)

降低海綿鈦鈦坨上部雜質(zhì)鐵含量的探討與實(shí)踐

李金澤

(遵義鈦業(yè)股份有限公司,貴州遵義 563004)

文章主要針對(duì)在鎂法生產(chǎn)海綿鈦的還原后期,因液體氯化鎂和海綿鈦的熱導(dǎo)率低,影響還原散熱,導(dǎo)致大蓋底板溫度偏高,通過對(duì)大蓋底板強(qiáng)制散熱,降低大蓋底板溫度,減少四氯化鈦對(duì)大蓋底板的化學(xué)腐蝕來達(dá)到降低海綿鈦鈦坨上部鐵含量的目的。

海綿鈦;大蓋底板;強(qiáng)制散熱;化學(xué)腐蝕

鈦是一種戰(zhàn)略金屬,有巨大發(fā)展前景的優(yōu)質(zhì)材料,美國、前蘇聯(lián)早在六十年代就將鈦列為戰(zhàn)略儲(chǔ)備金屬,現(xiàn)在歐美等諸多國家也將鈦列為重點(diǎn)發(fā)展的二十一世紀(jì)戰(zhàn)略結(jié)構(gòu)金屬。但目前國內(nèi)的海綿鈦質(zhì)量水平與日本的海綿鈦質(zhì)量水平還有一段距離,主要集中反映在雜質(zhì)氧、鐵含量和布氏硬度上,雜質(zhì)鐵不但影響產(chǎn)品的布氏硬度,還影響產(chǎn)品的級(jí)別。

海綿鈦產(chǎn)品中雜質(zhì)鐵的來源由原料和還原蒸餾生產(chǎn)工藝控制,生產(chǎn)原料標(biāo)準(zhǔn)均按照國標(biāo)執(zhí)行,對(duì)海綿鈦產(chǎn)品的影響不大。海綿鈦還原-蒸餾生產(chǎn)工藝控制是雜質(zhì)鐵含量的主要來源,隨著爐型的大型化,產(chǎn)品中雜質(zhì)鐵含量的增量特別明顯,主要原因是還原生產(chǎn)時(shí),反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)區(qū)域散熱不及時(shí)、生產(chǎn)周期長等造成還原蒸餾設(shè)備被腐蝕,被腐蝕的鐵直接混入產(chǎn)品中,造成產(chǎn)品中雜質(zhì)鐵的百分含量偏高[1]。

1 鈦坨上部產(chǎn)品中雜質(zhì)鐵含量偏高原因分析

目前,工業(yè)海綿鈦生產(chǎn)是向裝有液體鎂的密閉容器中不斷加入精四氯化鈦,生成鈦和氯化鎂,并放出大量熱,其熱反應(yīng)方程式為

從此反應(yīng)式中可以看出,鎂還原反應(yīng)的熱效應(yīng)很大,除了靠反應(yīng)器器壁、大蓋自然散熱和物料吸熱外,還有大部分的熱量不能及時(shí)排出反應(yīng)器外,使反應(yīng)器內(nèi)的溫度偏高,最高達(dá)1 000℃左右。特別是在還原反應(yīng)前、后期大蓋底板的溫度相差太大。表1是生產(chǎn)6爐海綿鈦對(duì)大蓋底板溫度情況測(cè)試的情況。

表1 還原反應(yīng)前、后期大蓋底板溫度℃

從表1數(shù)據(jù)中可以得出,還原反應(yīng)后期的溫度比前期高370℃左右,主要影響因素在還原反應(yīng)的前期,反應(yīng)器內(nèi)存在大量的液鎂,大量的余熱不但可以從大蓋散熱外,還可通過液鎂向下傳遞散熱,傳到大蓋底板的溫度相對(duì)就較低。當(dāng)反應(yīng)進(jìn)入還原后期,鎂還原四氯化鈦消耗了大量的液鎂,鈦坨和邊皮基本形成,反應(yīng)器內(nèi)的物料絕大部分是海綿鈦和氯化鎂,在高溫下海綿鈦、氯化鎂的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鎂,圖1是各物料在高溫下(800℃)的熱導(dǎo)率。

圖1 各物料在高溫下的熱導(dǎo)率

因物料海綿鈦和氯化鎂的熱導(dǎo)率低,阻礙了熱量的傳遞,大量的熱量來不及通過海綿鈦、液體氯化鎂傳到反應(yīng)器中、下部和反應(yīng)區(qū)的器壁,大量的余熱集中在反應(yīng)區(qū)和通過輻射方式輻射到大蓋底板上,使海綿鈦燒結(jié)和大蓋底板處于更高的溫度下,加快了四氯化鈦對(duì)大蓋底板的腐蝕速度,其發(fā)生下列化學(xué)反應(yīng)方程式:

被TiCl4腐蝕的鐵直接混入產(chǎn)品中,使產(chǎn)品中的雜質(zhì)鐵含量偏高[2]。

根據(jù)上述分析,鈦坨上部雜質(zhì)鐵含量比下部高的原因是還原生產(chǎn)時(shí),因還原后期,氯化鎂、海綿鈦的熱導(dǎo)率小于鎂的熱導(dǎo)率,導(dǎo)致散熱不及時(shí)造成大蓋底板溫度高。

圖2 6～12月份海綿鈦生產(chǎn)鈦坨上、下部雜質(zhì)鐵的含量

圖2是我國某海綿鈦生產(chǎn)廠在2010年下半年度海綿鈦鈦坨上、下部產(chǎn)品中雜質(zhì)鐵的百分含量,海綿鈦鈦坨上部產(chǎn)品中雜質(zhì)鐵的含量最高,下部含量比較低,兩者平均相差近50%。

2 解決措施

鑒于海綿鈦還原后期反應(yīng)余熱不能及時(shí)排出,反應(yīng)器內(nèi)溫度和大蓋底板溫度偏高,造成鈦坨上部雜質(zhì)鐵含量偏高的原因,據(jù)此研究開發(fā)出了通過對(duì)大蓋底部進(jìn)行強(qiáng)制散熱的裝置(見圖3)來降低大蓋底板溫度,從而有效控制鈦坨上部產(chǎn)品中雜質(zhì)鐵的含量。

圖3 散熱大蓋圖

在原有大蓋結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,在大蓋底板上安裝一換熱器,換熱器的兩端設(shè)置冷卻介質(zhì)進(jìn)、出口。鎂還原四氯化鈦時(shí),反應(yīng)放出大量的余熱使反應(yīng)區(qū)的溫度迅速升高,熱量向大蓋底板直接輻射,大蓋的底板溫度急劇上升,在大蓋溫度上升的同時(shí),向換熱器的冷卻介質(zhì)入口通入冷卻介質(zhì),通過充分的熱交換而排出,從而實(shí)現(xiàn)及時(shí)、有效的散熱,達(dá)到解決還原期間反應(yīng)器內(nèi)部溫度過高、余熱不能及時(shí)排除的目的,并使大蓋的底板溫度維持在工藝控制范圍內(nèi),特別是在還原反應(yīng)后期的換熱效果特別明顯。

3 改進(jìn)后的效果

因換熱器對(duì)大蓋底部強(qiáng)制冷卻的效果,在還原前期可提高加料速度,反應(yīng)系統(tǒng)溫度達(dá)到新的熱平衡后[3],大蓋底板溫度和反應(yīng)區(qū)域溫度得到有效的控制。

1.通過試驗(yàn),還原后期大蓋底板溫度得到明顯改善,還原反應(yīng)前、后期大蓋底板溫度相差不大,均控制在生產(chǎn)工藝要求。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。試驗(yàn)前、后的溫度對(duì)比如圖4所示。從圖4數(shù)據(jù)中可以看出,通過試驗(yàn)生產(chǎn),還原后期大蓋底板溫度平均降低370℃,約37個(gè)百分點(diǎn)。

表2 還原反應(yīng)前、后期大蓋底板溫度數(shù)據(jù)表 ℃

圖4 試驗(yàn)前、后大蓋底板溫度(還原后期)

2.在還原反應(yīng)的前、后期因強(qiáng)制散熱的作用,提高了加料速度,減少還原生產(chǎn)周期1/4。

3.通過試驗(yàn)生產(chǎn),得到海綿鈦鈦坨上、下部產(chǎn)品中雜質(zhì)鐵含量數(shù)據(jù)如圖5所示。

海綿鈦鈦坨上部鐵含量在試驗(yàn)前、后的理化檢測(cè)數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖5 試驗(yàn)后鈦坨上、下部產(chǎn)品中雜質(zhì)鐵含量

圖6 試驗(yàn)前、后鈦坨上部產(chǎn)品中雜質(zhì)鐵含量

從圖5、圖6試驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以得出,試驗(yàn)后的海綿鈦鈦坨上、下部產(chǎn)品中雜質(zhì)鐵含量相差不大,但海綿鈦鈦坨上部產(chǎn)品中雜質(zhì)鐵的含量與試驗(yàn)前上部雜質(zhì)鐵含量相比得到明顯降低,約47個(gè)百分點(diǎn),效果顯著。

4 結(jié)束語

在還原加料時(shí),通過采取對(duì)大蓋底板強(qiáng)制散熱

的措施,降低海綿鈦鈦坨上部雜質(zhì)鐵含量效果明顯,對(duì)提高加料速度、減少還原生產(chǎn)周期、減少生產(chǎn)電耗成本有一定的積極效果。但從海綿鈦的整體指標(biāo)與國外指標(biāo)相比,存在一定差距,還需投入大量的科研工作來提高海綿鈦的整體質(zhì)量。

[1] 劉方明,毛業(yè)橋.反應(yīng)器滲鈦與海綿鈦中鐵含量關(guān)系的研究[J].鈦工業(yè)進(jìn)展,2006,(3):31-32.

[2] 莫畏,鄧國珠,羅方承.鈦冶金[M].北京:冶金工業(yè)出版社, 1998.281-325.

[3] 吳復(fù)忠,向宇珠,李軍旗.聯(lián)合法生產(chǎn)海綿鈦還原-蒸餾過程的能量分析[J].輕金屬,2011,(3):52-55.

Abstract:The article is mainly about the high temperature on the pot because of the lower of thermal conductivity with the magnesium chloride and titanium sponge.We use the method to decrease the content of iron upper the titanium sponge with forcing to reduce the heat of the pot and the chemical erodibility of the TiCl4.

Key words:titanium sponge;pot;forced cooling;chemical erodibility

The Research on Decreasing the Content of Iron Upper the Titanium Sponge

LI Jin-ze
(Zunyi Titcenium Co.,Ltd,Zunyi563004,China)

TF823

A

1003-5540(2011)03-0028-02

2011-04-28

國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2008BAE62B02)

李金澤(1978-),男,助工,主要從事鎂法海綿鈦生產(chǎn)的工藝及裝備技術(shù)研究。