楊光艷，舒 煜，陳 強

(遵義鈦業(yè)股份有限公司，貴州遵義 563004)

鈦是一種優(yōu)良的結構材料，被譽為“太空金屬”、“海洋金屬”、“全能金屬”、“戰(zhàn)略金屬”［1］。全世界僅有六個國家生產，鈦的初級產品——海綿鈦生產工藝流程是集化工、冶金于一體的生產過程，具有工藝復雜、流程長、設備多和能耗高等特點，目前各個國家工藝技術均處于高度保密狀態(tài)。我國鈦礦產資源豐富，雖然已成為世界上海綿鈦的產能大國，但海綿鈦產品綜合能耗與先進的國家相比(主要是電耗25 000 kWh/t)有較大差異，我國產品能耗比國際先進水平日本高出20%，其中主要生產環(huán)節(jié)還原蒸餾工序過程中能耗高出1.5倍，鎂工序能耗高出30%，總電耗達到30 000 kWh/t。

目前國內外海綿鈦生產工業(yè)均采用鎂還原四氯化鈦的方法，在還原蒸餾工序中，爐型多數(shù)采用倒“U”型聯(lián)合法生產，其特點是單爐產量大，合格率高，能耗低。為降低生產成本，各國都將設備大型化作為技術發(fā)展方向，目前世界上最大的單爐產量達到12 t。但是，隨著爐型的增大，還原結束后，在蒸餾期間加熱爐表面溫度向中心部位傳熱不及時，達不到蒸餾工藝要求，即由于海綿鈦的導熱率很低，中心部位溫度與加熱區(qū)域溫度的溫度差較大，當加熱表面溫度達到工藝控制溫度時，鈦坨中心部溫度不能同時滿足工藝要求，造成整個鈦坨受熱不均勻，導致海綿鈦蒸餾生產周期和生產成本不斷增加。

1 原因分析

目前海綿鈦生產，均采用克勞爾法生產海綿鈦，海綿鈦還原結束后，采用真空高溫蒸餾除去鎂和氯化鎂而得到純凈的海綿鈦，要蒸餾干凈海綿鈦中的雜質很難，主要是要把海綿鈦內部1%～2%的氯化鎂全部蒸餾干凈，要消耗整個蒸餾周期80%～90%的時間，由于在高溫蒸餾時鎂和氯化鎂均呈液相殘留于海綿鈦的毛細孔中，毛細孔的吸附作用，增大了它們向空間的擴散阻力。海綿鈦蒸餾過程分三個周期，即:前期、中期和后期。前期主要去除80%～90%的鎂和氯化鎂等雜質。后期主要脫出2%的氯化鎂，此時的蒸餾不但速度慢，而且能耗高。

在蒸餾后期，由于海綿鈦鈦坨處于長時間高溫燒結和鈦坨自身重力的狀態(tài)下，其毛細孔縮小，樹枝狀結構消失，導致海綿鈦結構致密(表現(xiàn)在海綿鈦高度收縮程度大)，更增加了去除氯化鎂的難度。海綿鈦中的毛細孔細長且彎曲，當處于長時間蒸餾狀態(tài)下其毛細孔閉塞后，使其鈦坨中心部位的氯化鎂不能完全蒸餾除去，繼續(xù)加熱蒸餾后，導致海綿鈦蒸餾周期延長、合格率、品級率不理想，理化分析主要是雜質氯含量偏高［2］。

由于蒸餾組分受熱導率的影響，在蒸餾中、后期海綿鈦蒸餾以分子流為主，絕大部分鎂和氯化鎂被蒸餾出，即對流傳熱消失、熱導率逐漸變低，此時海綿鈦外部熱量在900℃左右，以海綿鈦為傳熱介質到達中心部位，需要更多蒸餾時間［3］。在900℃時，海綿鈦及雜質鎂、氯化鎂的熱導率如圖1所示。在熱導率的影響下，鈦坨中心蒸餾溫度與表面溫度相差太大，即鈦坨中心溫度達不到蒸餾工藝控制溫度要求，使其蒸餾速度緩慢，根據實際生產檢測鈦坨中心與表面溫度相差165℃左右，其數(shù)據如表1。

圖1 各物料在高溫下的熱導率

根據以上原因分析，因海綿鈦的熱導率低，開始蒸餾時，鈦坨中心溫度達不到蒸餾工藝控制溫度;且在海綿鈦毛細孔的負作用下，蒸餾階段要除去剩余的2%氯化鎂，隨加熱時間的增加，會使海綿鈦鈦坨結構收縮嚴重，海綿鈦毛細孔過早閉塞，最終導致海綿鈦的蒸餾生產周期延長，蒸餾周期數(shù)據如表2。

2 解決措施

根據海綿鈦鈦坨蒸餾期間海綿鈦熱導率低、海綿鈦中毛細孔彎細且長，造成鈦坨中心部位溫度不能及時達到工藝控制溫度，導致海綿鈦蒸餾時間延長的問題，研究出海綿鈦鈦坨中心部位強制加熱裝置，以此來解決上述海綿鈦蒸餾周期長、產品雜質氯根偏高等問題。海綿鈦鈦坨中心加熱示意圖如圖2所示。

表1 鈦坨蒸餾中期開始時的表面溫度和中心溫度 ℃

表2 海綿鈦蒸餾周期數(shù)據表 h

在原有大蓋結構的基礎上，通過海綿鈦鈦坨中心部位插入一強制加熱裝置，當海綿鈦開始蒸餾時，使加熱器的加熱溫度與鈦坨表面的溫度達到一致，完全按操作工藝溫度控制。經過生產實踐和不斷的工藝技術改進，此強制加熱裝置完全適應海綿鈦生產，解決了中心溫度不能與鈦坨表面溫度不一致問題，使海綿鈦的蒸餾周期大幅度縮短。

3 改進后的效果

圖2 海綿鈦鈦坨中心加熱示意圖

在海綿鈦蒸餾時，通過采取鈦坨中心部位強制加熱的措施，使鈦坨中心溫度在蒸餾時與鈦坨表面溫度控制一致，達到理想的蒸餾工藝控制溫度，使海綿鈦的蒸餾周期縮短，鈦坨結構疏松，產品氯根含量得到控制，質量有較大幅度提高，同時減少了海綿鈦生產的電能消耗，節(jié)約了生產成本。

1.通過生產試驗，海綿鈦中心溫度與鈦坨表面溫度基本達到一致，克服了海綿鈦熱導率低導致鈦坨表面溫度向鈦坨中心部位傳熱不及時，解決了海綿鈦中心部位溫度偏低的問題。試驗數(shù)據見表3，試驗前、后鈦坨中心溫度對比如圖3所示。從圖3中可以看出，蒸餾時鈦坨中心溫度提高160℃左右，更好地滿足了工藝生產要求。

表3 試驗前、后鈦坨中心溫度數(shù)據表 ℃

圖3 試驗前、后鈦坨中心溫度對比圖

2.由于鈦坨中心強制加熱結構的作用，減少蒸餾周期，則減少鈦坨底部的擠壓程度，提高海綿產品的疏松度(鈦坨高度收縮量減少)。

3.通過實驗生產，得到海綿鈦蒸餾周期數(shù)據，與實驗前的數(shù)據對比如表4，對比圖如圖4所示。

從圖4中可以看出，通過實驗生產后，海綿鈦生產周期縮短42 h，鈦坨結構得到改善。

表4 實驗前、后蒸餾時間數(shù)據表 h

圖4 實驗前、后蒸餾周期時間對比圖

4 結束語

在海綿鈦蒸餾時，通過采取鈦坨中心部位強制加熱的措施，減少蒸餾周期42 h左右，對提高產品質量、減少生產電耗成本有一定的積極效果，提高了海綿鈦大型化生產的裝備技術。

［1］ 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.

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

［3］ 狄偉偉，劉正紅，孫虎民.鎂還原四氯化鈦生產海綿鈦過程傳熱分析［J］.鈦工業(yè)進展，2011，28(1):25－29.