鎂還原四氯化鈦加料方式探討與實踐

盛遠(yuǎn)祿,陳 強

(遵義鈦業(yè)股份有限公司,貴州遵義 563004)

鎂還原四氯化鈦加料方式探討與實踐

盛遠(yuǎn)祿,陳 強

(遵義鈦業(yè)股份有限公司,貴州遵義 563004)

分析了目前鎂還原四氯化鈦生產(chǎn)海綿鈦加料方式的現(xiàn)狀,探討并提出了新型加料方式,并在生產(chǎn)中進(jìn)行了實踐,取得了較好的成效。

海綿鈦;還原;加料方式;探討;實踐

目前國內(nèi)外從事海綿鈦生產(chǎn)廠家?guī)缀醪捎面V還原法(Kroll法),鎂還原四氯化鈦生成海綿鈦是一個十分復(fù)雜的多相物理化學(xué)過程,其形成的海綿鈦坨結(jié)構(gòu)對蒸餾生產(chǎn)周期、能量消耗、產(chǎn)品質(zhì)量都有著重要的影響[1]。要改善鈦坨結(jié)構(gòu)是一個復(fù)雜的問題,因為影響鈦坨結(jié)構(gòu)因素有加料的平穩(wěn)性、反應(yīng)液面的溫度、余熱散出的及時性等方面。其中料速的平穩(wěn)性是控制還原過程中一個非常重要的參數(shù),對加料平穩(wěn)性進(jìn)行合理的控制就可間接控制還原反應(yīng)液面的溫度等情況,減少鈦坨在還原期間因反應(yīng)液面某區(qū)域溫度過高而導(dǎo)致海綿鈦燒結(jié),使鈦坨結(jié)構(gòu)疏松,從而達(dá)到改善產(chǎn)品質(zhì)量。因此,鎂還原四氯化鈦加料方式的探討對海綿鈦生產(chǎn)有一定指導(dǎo)意義。

1 加料方式現(xiàn)狀

鎂還原四氯化鈦生產(chǎn)海綿鈦主要是將金屬鎂直接或先熔融后放進(jìn)反應(yīng)罐中,在惰性氣體保護(hù)下不斷地往反應(yīng)罐中加入四氯化鈦液體使之還原,加料點的位置已由事先在大蓋上設(shè)計好的安裝加料管的位置(一般設(shè)計在大蓋的中心)而固定,而且加料裝置大多是直管加料,在反應(yīng)液面上就會形成加料點相對應(yīng)液面位置周圍的四氯化鈦濃度較高,還原反應(yīng)劇烈,放熱速率加快,加之還原爐的特定結(jié)構(gòu),致使反應(yīng)余熱不能及時排除,使該位置的液面溫度偏高,極容易造成該部位生成的海綿鈦顆粒因溫度高而燒結(jié),包裹一定量的鎂或氯化鎂等物質(zhì),特別是大直徑的反應(yīng)設(shè)備較為明顯。這就為后續(xù)的真空蒸餾工序造成了困難,使海綿鈦中的一部分氯化鎂等雜質(zhì)很難被蒸餾除去[2],導(dǎo)致雜質(zhì)含量偏高,影響產(chǎn)品質(zhì)量。生產(chǎn)實踐也表明,在鈦坨中部形成含氯化鎂等雜質(zhì)的“夾心”鈦就與海綿鈦坨的結(jié)構(gòu)有很大的關(guān)聯(lián)性。

2 對原加料方式進(jìn)行探討與改進(jìn)

所謂加料的平穩(wěn)性,除了考慮加料的料速均勻外,還應(yīng)考慮加料面的合理性。目前國內(nèi)通過采用自動化控制加料方式可對料速進(jìn)行有效控制,并取得了一定的成效;但對加料面進(jìn)行探討很少,國內(nèi)曾經(jīng)有廠家采用噴咀加料和四氯化鈦霧化法加料,但效果不是很明顯。針對加料面問題,文章采用在原加料直管的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn),即在盡量不改變原有設(shè)備的基礎(chǔ)上,將加料管出料口旁四周均勻開幾個斜孔(槽),在出料口底部安裝一個外徑與加料管內(nèi)徑一致的圓柱錐體緊固,隨著四氯化鈦料速的大小和高位槽壓力的高低經(jīng)過錐體和斜孔(槽)引流使加料方式由原來的固定點加料變?yōu)橐苿拥狞c線加料。使所加入的四氯化鈦合理分布在反應(yīng)液面上進(jìn)行還原反應(yīng),這可減少反應(yīng)熱在加料點聚集而燒結(jié)海綿鈦的現(xiàn)象。

2.1 開孔斜度和錐度

加料示意圖如圖1所示。

在加料管的出料口旁四周所開的斜孔(槽)的錐度應(yīng)根據(jù)反應(yīng)罐的有效反應(yīng)液面的大小和反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)空間的高度來確定,可由下列公式得出:

式中α為加料斜孔(槽)的錐度角;L為有效反應(yīng)液面的半徑;h為反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)空間高度。

圖1 加料示意圖

由式(1)可以看出,開孔的斜度除與反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)高度有關(guān)外,還與反應(yīng)罐的直徑有關(guān)。確定L的大小應(yīng)保證反應(yīng)罐內(nèi)壁的溫度在產(chǎn)生Ti-Fe合金的溫度以內(nèi)。

2.2 開孔多少和斜孔徑大小

在鎂法海綿鈦生產(chǎn)中,原料四氯化鈦在還原期間高位槽的四氯化鈦受氬氣的保護(hù)時壓力一般在幾到幾十千帕,液態(tài)四氯化鈦的粘度見表1。

表1 液態(tài)四氯化鈦的粘度

若加料管的開孔率太大,斜孔徑大,所加的四氯化鈦就不能分散或只從某幾個斜孔(槽)分流出,所得到的海綿鈦坨極不規(guī)則,達(dá)不到預(yù)期的目的;若開孔率太小或斜孔徑小,就容易造成加料管堵塞。經(jīng)過試驗證明:開孔為3～8個、斜孔徑為1～3 mm為宜。

2.3 管徑大小的影響

在還原期間四氯化鈦的加入情況是反應(yīng)前期料速逐步提高,中期料速最大,后期又逐步減小的一個過程;但料速的大小受反應(yīng)液面溫度的限制,如加料管的內(nèi)徑太大,就達(dá)不到分流的效果;加料管的內(nèi)徑太小,容易造成加料管堵塞,導(dǎo)致壓力大而破裂,一般采用內(nèi)徑20 mm的管子為宜。

3 驗 證

在國內(nèi)某廠通過采用改進(jìn)的加料方式對四氯化鈦進(jìn)行還原生產(chǎn)實踐,生產(chǎn)中與原單管加料方式安裝方法一樣,一套生產(chǎn)系統(tǒng)安裝一根改進(jìn)后的加料管就可達(dá)到多管加料方式的效果,同時還降低了勞動強度。

在還原過程中,所加的四氯化鈦能在反應(yīng)液面有效分散,充分與金屬鎂接觸,使之反應(yīng)完全,所產(chǎn)生的反應(yīng)熱不能在反應(yīng)器內(nèi)某局部聚集,減小了反應(yīng)點與反應(yīng)罐壁的溫度差,減輕了生成的海綿鈦被燒結(jié)而包裹鎂或氯化鎂等雜質(zhì)的現(xiàn)象。還原出的海綿鈦坨和海綿鈦產(chǎn)品質(zhì)量都得到了不同程度的改善。表2是在國內(nèi)某廠同爐型的試驗后與試驗前幾個重要參數(shù)的對比情況。

表2 試驗前、后幾個重要參數(shù)的對比情況

從表2的數(shù)據(jù)可以看出,試驗后鈦坨的高度比試驗前增加了15.8%;產(chǎn)品中的雜質(zhì)元素Cl含量減低了0.015%;產(chǎn)品的包裝充裝率提高了4%。產(chǎn)品質(zhì)量得到了改善。

4 結(jié) 語

隨著鎂還原四氯化鈦生產(chǎn)海綿鈦的爐型大型化后,大型化爐型表現(xiàn)出了一些優(yōu)越性,如能耗大幅度降低等,若采用單直管垂直加料,使反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)熱在局部位置聚集,可能使該局部溫度升高導(dǎo)致海綿鈦燒結(jié),增加了蒸餾生產(chǎn)的操作難度,最終影響產(chǎn)品質(zhì)量。采用改進(jìn)后的加料管生產(chǎn)與雙管、多管加料方式相比,可以改善海綿鈦產(chǎn)品的質(zhì)量,同時還可降低生產(chǎn)勞動強度。

[1] 莫畏,鄧國珠,羅方承.鈦冶金[M].北京:冶金工業(yè)出版社, 1998.133-182.

[2] 孫康.鈦提取冶金物理化學(xué)[M].北京:冶金工業(yè)出版社, 2001.136-137.

Abstract:It analyzes the current feeding methodsof TiCl4reduction by Mg for producing the titanium sponge,explores and proposes a new type of feeding method and puts in to practice in the production.

Key words:titanium sponge;reduction;feeding methods;discussion;practice

Discussion and Practice of Feeding Method of TiCl4Reduction by Mg

SHENG Yuan-lu,CHEN Qiang
(Zunyi Titanium Co.Ltd.,Zunyi563004,China)

TF822

A

1003-5540(2012)04-0039-02

2012-05-15

盛遠(yuǎn)祿(1978-),男,助理工程師,主要從事鎂法海綿鈦生

產(chǎn)工藝及管理工作。