海綿鈦生產(chǎn)倒U型爐蒸餾豎管堵塞原因分析及解決措施的探討

田忠元， 呂 濤， 李維舟

(金川集團股份有限公司， 甘肅 金昌 717300)

海綿鈦生產(chǎn)倒U型爐蒸餾豎管堵塞原因分析及解決措施的探討

田忠元， 呂 濤， 李維舟

(金川集團股份有限公司， 甘肅 金昌 717300)

分析了倒U型爐蒸餾豎管堵塞原因，借鑒了I型爐蒸餾特點，探討了倒U型爐蒸餾豎管堵塞的解決措施。

倒U型爐； I型爐； 豎管堵塞

海綿鈦工業(yè)生產(chǎn)中，鎂還原—真空蒸餾法已占據(jù)主導(dǎo)地位，它是將鈦礦物經(jīng)過富集—氯化—精制制取四氯化鈦，接著在惰性氣體保護下用鎂還原四氯化鈦為海綿鈦，然后進行真空蒸餾除去鎂和氯化鎂，最后經(jīng)過成品處理得到海綿鈦。其中，鎂還原四氯化鈦為海綿鈦是一個復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過程，是海綿鈦生產(chǎn)中最重要的一個環(huán)節(jié)[1]。

目前，國內(nèi)外大型的鈦冶金企業(yè)在鎂還原四氯化鈦的工藝上，均采用還原—蒸餾一體化工藝。還原—蒸餾一體化設(shè)備，分為倒“U”型爐和“I”型爐。

倒U型爐是還原、蒸餾過程均使用同一臺還蒸爐，還原結(jié)束后將還原反應(yīng)器和放入蒸餾冷凝器支桶之間的冷凝反應(yīng)器用帶閥門的管道連接而成，過道設(shè)有專門的過道加熱裝置，整體設(shè)備組成呈倒“U”型。

倒U型爐，目前主要普遍存在蒸餾周期長的問題，以8 t爐為例，國內(nèi)目前蒸餾周期均在150～160 h之間。長時間的高溫蒸餾對海綿鈦的結(jié)構(gòu)有很大的影響，導(dǎo)致海綿鈦結(jié)構(gòu)致密，氯根離子含量高，硬度升高，產(chǎn)品質(zhì)量下降。

目前，日本倒U型爐海綿鈦蒸餾周期僅為100 h，相對國內(nèi)蒸餾周期150～160 h，縮短了近50～60 h，并且整個蒸餾期間，無需進行豎管疏通。算上豎管堵塞檢查疏通的時間30～50 h，日本倒U型爐海綿鈦生產(chǎn)周期相對于國內(nèi)倒U型爐海綿鈦的生產(chǎn)周期，僅在蒸餾這個環(huán)節(jié)就縮短了80～110 h。

國內(nèi)倒U型爐蒸餾周期較長的主要原因就是在蒸餾過程中由于蒸餾豎管的堵塞，需要經(jīng)常打開蒸餾豎管進行檢查和疏通，每次中斷蒸餾過程，都需要進行斷電疏通，然后又需要升溫，再恢復(fù)蒸餾，不僅導(dǎo)致生產(chǎn)周期長，更造成海綿鈦的毛細孔多次收縮、膨脹，極易導(dǎo)致海綿鈦毛細孔的燒結(jié)，不利于海綿鈦蒸餾。

1 倒U型爐蒸餾豎管堵塞的物質(zhì)

蒸餾豎管堵塞是困擾倒U型爐海綿鈦蒸餾過程的一個關(guān)鍵技術(shù)難點，一直未能有效解決。目前，國內(nèi)倒U型聯(lián)合法海綿鈦蒸餾過程可分為低恒溫蒸餾(約900 ℃)和高恒溫蒸餾階段(約980 ℃)。蒸餾過程中，通過蒸餾過道，將產(chǎn)品罐內(nèi)海綿鈦中混雜的鎂和氯化鎂被蒸餾至冷凝罐內(nèi)。蒸餾過道由熱端豎管、橫管及冷端豎管組成，冷端豎管首次堵塞一般在高恒溫蒸餾10 h以后。直至高恒溫120～130 h蒸餾結(jié)束的整個過程中，每次間隔15～20 h需檢查豎管一次。

首次檢查豎管時，一般的堵塞物質(zhì)為鎂，但也有鎂和氯化鎂同時存在的情況，這是由于蒸餾前期的揮發(fā)物質(zhì)以鎂為主，附帶一定量的氯化鎂造成的。高恒溫前40 h，也就是前2～3次檢查疏通豎管時，一般堵塞物質(zhì)鎂的比例會逐步下降，這一點在實際生產(chǎn)過程中可以清晰的看到。一般情況下，第4次檢查豎管，也就是高恒溫40 h后，堵塞物質(zhì)基本上就是純氯化鎂，這與蒸餾中、后期揮發(fā)物質(zhì)主要以氯化鎂為主有關(guān)。

從以上生產(chǎn)的實際情況可以看出，堵塞物質(zhì)的組份在蒸餾的前、中、后期存在明顯變化，蒸餾前期(低恒溫階段)熱端反應(yīng)器中大量自由態(tài)鎂和少量的氯化鎂先揮發(fā)，當進入蒸餾中期(高恒溫40 h以前)，大量鎂和氯化鎂開始揮發(fā)，蒸餾后期(高恒溫40 h以后)，毛細孔中殘留的氯化鎂開始揮發(fā)。這與表1中鎂和氯化鎂的相對揮發(fā)度相一致。

表1 鎂、氯化鎂對鈦的相對揮發(fā)度

2 冷凝器內(nèi)鎂和氯化鎂分布

在實際生產(chǎn)過程中，通過定期對蒸餾豎管進行打開檢查，蒸餾期間冷凝器內(nèi)鎂和氯化鎂分布形態(tài)主要分為以下幾個階段。

(1)第一階段，蒸餾前升溫階段，鎂和氯化鎂主要存留在產(chǎn)品罐中，主要由自由態(tài)的鎂、氯化鎂及吸附在海綿鈦中的鎂和氯化鎂組成，見圖1。

圖1 蒸餾第一階段示意圖

(2)第二階段，低恒溫蒸餾(約900 ℃)期間，大量的揮發(fā)物進入冷凝罐，主要是大量自由態(tài)的鎂及少量的氯化鎂從產(chǎn)品罐揮發(fā)，冷凝至冷端反應(yīng)器篩板、側(cè)壁，見圖2。

圖2 蒸餾第二階段示意圖

(3)第三階段，高恒溫(約980 ℃)5～10 h，此過程，從產(chǎn)品罐揮發(fā)的自由態(tài)的鎂與氯化鎂量已經(jīng)較少，除在反應(yīng)器篩板及側(cè)壁區(qū)域冷凝外，抽真空管上也粘結(jié)部分冷凝物，并逐步增多，冷凝物已經(jīng)逐步向喇叭口靠近。此過程冷端豎管未堵塞，見圖3。

圖3 蒸餾第三階段示意圖

(4)第四階段，高恒溫(約980 ℃)10～20 h，此階段開始在抽真空管上粘結(jié)的冷凝物與遠離進水端反應(yīng)器壁上的冷凝物開始搭橋相連，并逐步增厚，最后導(dǎo)致喇叭口堵塞，豎管堵死。此階段堵塞物分為兩種情況，一種堵塞處堵塞物為純氯化鎂，一種為氯化鎂及鎂的混合物。為純氯化鎂的較易疏通，為混合物的較難疏通，見圖4。

圖4 蒸餾第四階段示意圖

因前期形成堵塞后，無法完全清除抽真空處和靠熱端側(cè)壁的冷凝物，導(dǎo)致高恒溫20 h以后，后期經(jīng)常形成冷凝物在冷端豎管搭接堵塞蒸餾過道的現(xiàn)象，需約15～20 h疏通一次，如圖5所示。

圖5 蒸餾豎管堵塞疏通情況

3 豎管堵塞的原因分析

根據(jù)蒸餾期間，冷凝物分布的情況分析，蒸餾豎管堵塞原因有以下幾點：

(1)抽真空管處于反應(yīng)器中，無疑成為了冷凝物附著冷凝的基體，隨著粘結(jié)的冷凝物與遠離進水端反應(yīng)器壁上的冷凝物開始搭橋相連，并逐步增厚，最后導(dǎo)致喇叭口堵塞，蒸餾豎管堵死。

(2)蒸餾期間，蒸餾過道由熱端豎管，水平橫管及冷端豎管組成。由于產(chǎn)品罐內(nèi)溫度較高及豎管設(shè)置有加熱器，確保了熱端豎管及豎管喇叭口附近，產(chǎn)品罐大蓋底部，揮發(fā)物不在此處冷凝；水平橫管和冷端豎管上部，因過道加熱器確保豎管溫度，在此處也不存在冷凝物。只有在蒸餾豎管喇叭口附近，冷凝罐大蓋底部因沒有足夠熱源的供給，這是造成冷凝物在此處形成堵塞的原因之一。

(3)由于抽真空管是插入在冷凝罐內(nèi)的，氣流進入冷凝反應(yīng)器，有一定傾向于抽真空管的方向流動、冷凝，這使得氣流不能均勻分布和冷凝在冷凝罐周邊，不能充分利用冷凝罐內(nèi)的空間，隨著可利用的冷凝空間范圍縮小，這也為冷凝物相互之間的搭橋提供了有利條件。

4 倒U型爐蒸餾豎管堵塞解決措施的探討

4.1 國內(nèi)I型爐蒸餾豎管堵塞情況

國內(nèi)I型爐海綿鈦生產(chǎn)企業(yè)，根據(jù)實際生產(chǎn)情況，I型爐海綿鈦蒸餾期間不存在堵塞情況，整個蒸餾周期控制在100 h左右。I型爐缺點在于不能像倒U爐，不需要還原結(jié)束后，將產(chǎn)品罐從還原爐吊出，再吊入蒸餾爐與冷凝罐進行組裝，而是，還原時，產(chǎn)品罐在還原爐內(nèi)進行還原，還原結(jié)束后，需吊出冷卻，再吊入蒸餾爐內(nèi)與冷凝罐組裝進行蒸餾。倒U型爐相比I型爐減少了中間環(huán)節(jié)，可降低噸鈦電耗、縮短生產(chǎn)周期。但是，目前國內(nèi)倒U型爐豎管堵塞問題的存在，并未體現(xiàn)出倒U型爐整體的技術(shù)優(yōu)勢。I型爐海綿鈦蒸餾如圖6所示。

1.抽真空管 2.篩板 3.冷凝器支桶 4.排氯化鎂管 5.冷凝罐 6.保溫層 7.隔熱板 8.回水管 9.鎂片 10.蒸餾爐 11.產(chǎn)品罐圖6 I型爐蒸餾示意圖

從圖6中可以看到，I型爐抽真空時，產(chǎn)品罐加熱后，堵塞在蒸餾通道的鎂片和隔熱板被加熱揮發(fā)冷凝至冷凝罐內(nèi)，氣流整個走向是位于冷凝罐的中心位置，蒸餾期間，水流自上而均勻噴淋在冷凝罐底部周邊，水流沿著冷凝罐側(cè)壁流淌，對側(cè)壁和底部周邊形成較高的冷卻強度，冷凝罐內(nèi)中間的氣流通道溫度最高。溫度梯度從中間向側(cè)壁由高到低分布，冷凝物沿反應(yīng)器側(cè)壁及底部周邊均勻分布，蒸餾通道一直輻射高溫，不存在蒸餾通道堵塞的問題。

4.2 倒U型爐蒸餾豎管堵塞解決措施

根據(jù)倒U型爐的蒸餾豎管堵塞原因及I型爐冷凝物的分布情況，要解決豎管堵塞問題，必須解決兩個問題：

改變倒U型爐抽真空氣流走向，盡可能傾向I型爐的抽真空模式。

確保冷凝物均勻冷凝在冷凝罐側(cè)壁和底部周邊。

結(jié)合倒U爐的結(jié)構(gòu)特點，可以通過以下措施對倒U型爐進行改造，確保改造后可以達到預(yù)定的效果。

(1)取消原倒U爐的抽真空管，倒U型爐還原結(jié)束后，將真空系統(tǒng)與倒U型爐中冷凝罐的排氯化鎂管相連，通過排氯化鎂管進行抽真空。這樣可以保證冷凝罐內(nèi)空間增大，并且沒有冷凝物攀附的異物，不會形成搭橋的現(xiàn)象。因排氯化鎂管上方有篩板，篩板上均勻分布的篩孔，可以更加均勻分布氣流的走向，利于鎂和氯化鎂揮發(fā)進入冷凝罐后均勻的冷凝。

(2)原倒U型爐冷卻水為下進水，上回水，共四個回水水位，根據(jù)蒸餾階段不同，通過4個回水水位調(diào)節(jié)對冷凝罐不同位置的冷凝。整個冷凝罐冷卻強度從進水位置至回水位置逐步減弱。而改為從氯化鎂管進行抽真空后，要保證冷凝罐側(cè)壁的冷卻強度盡可能相同，保證冷凝物能夠均勻的冷卻在冷凝罐的側(cè)壁上。因此，對放置冷凝罐的冷凝器支桶進行改造，在冷凝罐側(cè)壁自上而下均勻設(shè)置多個進水點，通過每個進水點內(nèi)置在冷凝罐內(nèi)的盤形管噴淋器將水噴淋在冷凝罐側(cè)壁。

(3)通過以上措施的改進，可以預(yù)計將大大改善甚至解決蒸餾豎管堵塞的現(xiàn)象，改造后冷凝物分布情況如圖7所示。

圖7 改造后冷凝物分布情況

5 結(jié)語

綜上所述，通過倒U型爐蒸餾豎管堵塞的原因分析，借鑒I型爐的生產(chǎn)特點，改變目前傳統(tǒng)倒U型爐的抽真空方式和冷凝器結(jié)構(gòu)，是一種較好的解決措施和研究方向。

[1] 莫畏，鄧國珠，羅方承.鈦冶金[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1998.

Reasons Analysis and Exploration of the Measures to Solve Distillation Standpipe Blocking of Inverted “U” Type Furnace in Titanium Sponge Production

TIAN Zhong-yuan，LV Tao，LI Wei-zhou

The paper analyses the reasons of distillation standpipe blocking of inverted “U” type furnace, uses for reference to distillation characteristics of “I” type furnace, discusses the measures to solve distillation standpipe blocking of inverted “U” type furnace blocking.

inverted “U” type furnace； “I” type furnace； standpipe blocking

2015-02-16

田忠元(1974-)，男，甘肅武威人，工程師，大學(xué)本科，主要從事冶金化工技術(shù)管理工作，現(xiàn)任職金川集團股份有限公司建設(shè)項目評審專家委員會。

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1003-8884(2015)03-0001-04