涂 祥，辜曉蕾

（攀鋼鈦業(yè)公司，四川 攀枝花 617000）

1 引言

鎂還原生產(chǎn)海綿鈦的基本原理是在氬氣保護(hù)下，向反應(yīng)器內(nèi)加入四氯化鈦與鎂反應(yīng)，生成海綿鈦和氯化鎂。主要反應(yīng)是:

目前國內(nèi)最大的Ⅰ型還蒸爐為7.5t（示意圖見圖1），區(qū)別于國內(nèi)較小的Ⅰ型爐及倒U型爐，該類爐型生產(chǎn)的海綿鈦產(chǎn)品致密度較高，裝通率較低。

還原結(jié)束后產(chǎn)物約為鈦55%、鎂35%、氯化鎂15%及少量的三氯化鈦和二氯化鈦。為除去還原過后的其余非鈦物，一般采用真空蒸餾的方法將海綿鈦中的鎂和氯化鎂分離除去。海綿鈦真空蒸餾的基本原理是基于鎂和氯化鎂在高溫下有較大的飽和蒸汽壓，而鈦在相同溫度下的飽和蒸汽壓較小。

當(dāng)含有鎂和氯化鎂的海綿鈦長期恒溫在1000℃下，鎂和氯化鎂通過海綿鈦表面和毛細(xì)孔擴(kuò)散被蒸發(fā)出去，采用冷凝夾套將蒸餾出的鎂和氯化鎂冷卻在容器器壁上供下次循環(huán)使用，使海綿鈦得到凈化。整個(gè)海綿鈦的生產(chǎn)過程，包括如上所述的物理及化學(xué)過程的控制對(duì)海綿鈦的致密度尤為重要。過高的致密度會(huì)對(duì)后期的海綿鈦加工過程影響較大，影響鈦材質(zhì)量及收率。

圖1 Ⅰ型爐生產(chǎn)示意圖

2 海綿鈦高致密度的形成機(jī)理分析

2.1 還原過程加料影響

國內(nèi)還原生產(chǎn)過程由于液面控制較低，故在還原初始階段加入反應(yīng)器內(nèi)的液體四氯化鈦進(jìn)入高溫區(qū)會(huì)吸熱汽化，然后在液鎂表面之上的反應(yīng)器壁上和液鎂反應(yīng)。初期形成的海綿鈦粘附在反應(yīng)器壁上，隨著反應(yīng)的進(jìn)行海綿鈦逐漸長大。而7.5t大型Ⅰ型還蒸爐由于設(shè)計(jì)產(chǎn)能較大，罐內(nèi)加鎂完成后液面較高，反應(yīng)空間僅為500mm，故鎂還原初期四氯化鈦不能得到充分的汽化，大部分為液液反應(yīng)，根據(jù)還原四氯化鈦料速情況，熱量成正比增加。而還原過程采用的是中心加料方式加入的四氯化鈦集中在還原罐中部反應(yīng)，熱量集中。因此，在中心表面料液集中反應(yīng)的部位溫度最高，實(shí)測(cè)中心區(qū)域溫度范圍約為1200－1260℃。由于還原罐直徑較大，海綿鈦導(dǎo)熱性較差，不論強(qiáng)制散熱方式還是自然散熱方式，均只能帶走還原罐壁附近的熱量，中心區(qū)域熱量依然較大，溫度較高，致使生成的固態(tài)金屬鈦在高溫下燒結(jié)，形成硬心，導(dǎo)致海綿鈦產(chǎn)品致密度較高。

2.2 蒸餾過程溫度影響

蒸餾過程分為高速揮發(fā)階段及高恒溫階段兩個(gè)階段，其中高速揮發(fā)期時(shí)間較短，70%以上的蒸餾時(shí)間處于高恒溫階段，用于蒸餾海綿鈦毛細(xì)孔中的鎂和氯化鎂。海綿鈦長時(shí)間受約1000℃高溫及自重影響，海綿鈦內(nèi)部結(jié)構(gòu)不斷的收縮擠壓，而且蒸餾時(shí)間越長海綿鈦燒結(jié)、收縮擠壓情況越嚴(yán)重，使海綿鈦的結(jié)構(gòu)更加致密。因此，蒸餾高恒溫時(shí)間長短與海綿鈦結(jié)構(gòu)致密密切相關(guān)。

3 工藝改進(jìn)試驗(yàn)方案

3.1 還原過程料速調(diào)節(jié)

目前國內(nèi)海綿鈦生產(chǎn)還原過程加料速度區(qū)間較大，范圍約在 280－480kg／h，在480kg／h的加料速度下，罐內(nèi)中心加料方式產(chǎn)生的熱量較大，燒結(jié)情況較嚴(yán)重，故逐漸調(diào)節(jié)高料速階段的反應(yīng)料速進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，觀察海綿鈦產(chǎn)品的致密度情況。但過低的加料速度會(huì)降低海綿鈦成核速率，減小海綿鈦的活性中心，使反應(yīng)生成的海綿鈦鈦坨致密。

試驗(yàn)在Mkg／h的基礎(chǔ)上按每次40kg／h的料速逐漸減少高料速階段的加料速度。

3.2 還原布料方式優(yōu)化

將還原過程加料管從爐外分為3個(gè)支管，120°均勻分布在還原罐上方，加入四氯化鈦過程中，四氯化鈦分股進(jìn)入還原罐內(nèi)，使反應(yīng)區(qū)域均布在整個(gè)還原罐內(nèi)，降低熱量的集中?？梢杂行Э刂埔蛑行募恿戏绞綄?dǎo)致的產(chǎn)品燒結(jié)致密度高的情況。

3.3 合理控制蒸餾溫度，縮短高恒溫周期

蒸餾前期處于高速揮發(fā)期，而罐內(nèi)殘余的副產(chǎn)物主要為鎂及氯化鎂，而鎂及氯化鎂在負(fù)壓的情況下汽化溫度較低，故在高速揮發(fā)期可一定程度上降低蒸餾溫度，縮短高恒溫的周期。

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4.1 降低還原過程料速

逐漸降低料速后鈦坨高度變化情況，見表1。

表1 逐漸降低料速后鈦坨高度變化情況

表1數(shù)據(jù)顯示，加料速度降低到M－120kg／h時(shí)鈦坨高度最高，致密度情況最好。

4.2 還原布料方式優(yōu)化

多點(diǎn)布料與中心加料方式對(duì)比列于表2。

表2 多點(diǎn)布料與中心加料方式對(duì)比

由上表可知，多點(diǎn)布料后海綿鈦硬心量大幅降低，高度致密的海綿鈦產(chǎn)品比例得到有效控制。

4.3 合理控制蒸餾溫度，縮短高恒溫周期

降低蒸餾高速揮發(fā)期溫度試驗(yàn)數(shù)據(jù)，見表3。

表3 降低蒸餾高速揮發(fā)期溫度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

如上表所示，降低蒸餾高速揮發(fā)期溫度，縮短蒸餾高恒溫時(shí)間后海綿鈦收縮高度明顯下降。

5 結(jié)語

（1）選擇適當(dāng)?shù)乃穆然伡恿纤俣龋山档彤a(chǎn)品致密度。

（2）選擇適當(dāng)?shù)募恿戏绞郊霸O(shè)備，可有效控制硬心產(chǎn)品量，提高海綿鈦產(chǎn)品質(zhì)量。

（3）合理控制蒸餾溫度，縮短高恒溫周期，可降低海綿鈦收縮量，降低產(chǎn)品致密度。

［1］鄧國珠.鈦冶金［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2010，26－33.

［2］伊赫桑·巴倫，程乃良，牛四通，徐桂英.純物質(zhì)熱化學(xué)數(shù)據(jù)手冊(cè)［M］.北京:科學(xué)出版社，2003.

［3］李大成，周大利，劉恒.鎂熱法海綿鈦生產(chǎn)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2009.138－142，174－178，191－196.