簡(jiǎn)析海綿鈦生產(chǎn)工藝的設(shè)計(jì)與投料試生產(chǎn)

湯裕源

(昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院股份公司，云南 昆明 650051)

0 引 言

由于鈦金屬獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，使其提取冶金技術(shù)難度大，目前全球擁有生產(chǎn)海綿鈦技術(shù)的就只有中國(guó)、日本、美國(guó)、俄羅斯、哈薩克斯坦、烏克蘭等少數(shù)幾個(gè)國(guó)家，其中俄羅斯阿維斯瑪鎂鈦聯(lián)合企業(yè)(Avisma)海綿鈦產(chǎn)能26 kt/a，是當(dāng)今國(guó)際上最大的海綿鈦生產(chǎn)企業(yè)，其次是日本住友鈦業(yè)，產(chǎn)能24 kt/a。我國(guó)最早的海綿鈦生產(chǎn)企業(yè)是成立于1958年的撫順?shù)X廠鈦分廠，年產(chǎn)海綿鈦48 t。

我國(guó)是世界上鈦資源最豐富的國(guó)家之一。據(jù)悉，我國(guó)鈦資源總量達(dá)9.65×108t，居世界之首。利用好鈦資源是我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要推動(dòng)力。

云南新立有色金屬有限公司適時(shí)抓住鈦產(chǎn)業(yè)發(fā)展的有利時(shí)機(jī)，引進(jìn)烏克蘭技術(shù)，高起點(diǎn)、高標(biāo)準(zhǔn)、高要求建設(shè)10 kt/a海綿鈦?lái)?xiàng)目，為我國(guó)鈦產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了一條可借鑒的發(fā)展道路。

2008年5月，云南冶金集團(tuán)新立有色金屬有限公司與昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院股份公司在昆明簽訂了云南新立有色金屬有限公司10 kt/a海綿鈦?lái)?xiàng)目的EPC總包合同，項(xiàng)目設(shè)計(jì)年產(chǎn)10 kt商品海綿鈦，副產(chǎn)等外鈦751 t，項(xiàng)目于2009年6月26日開(kāi)工建設(shè)，2013年3月21日實(shí)現(xiàn)了主體工藝全流程拉通。

云南新立有色金屬有限公司海綿鈦?lái)?xiàng)目(以下簡(jiǎn)稱“項(xiàng)目”)主體工藝引進(jìn)烏克蘭技術(shù)(包括四氯化鈦生產(chǎn)、海綿鈦生產(chǎn)、鎂還原劑精煉)，鎂電解工藝采用國(guó)內(nèi)青海北辰公司研發(fā)的多級(jí)鎂電解槽技術(shù)。項(xiàng)目根據(jù)原料特點(diǎn)結(jié)合國(guó)內(nèi)外海綿鈦生產(chǎn)技術(shù)和發(fā)展趨勢(shì)對(duì)各種工藝技術(shù)進(jìn)行有效整合，按照廠內(nèi)實(shí)現(xiàn)鎂、氯兩個(gè)循環(huán)全流程工藝設(shè)計(jì)，采用鋁粉除釩、多級(jí)鎂電解槽等先進(jìn)技術(shù)，是國(guó)內(nèi)技術(shù)最先進(jìn)的海綿鈦生產(chǎn)工藝之一。

1 工藝特點(diǎn)

1.1 四氯化鈦生產(chǎn)工藝

海綿鈦生產(chǎn)企業(yè)一般都從富鈦料的氯化開(kāi)始。四氯化鈦生產(chǎn)包括粗四氯化鈦生產(chǎn)和粗四氯化鈦精制2個(gè)工段。當(dāng)今國(guó)際國(guó)內(nèi)生產(chǎn)四氯化鈦主要有沸騰氯化法和熔鹽氯化法2種工藝。沸騰氯化法技術(shù)先進(jìn)，但對(duì)原料物理化學(xué)性質(zhì)要求高。熔鹽氯化法對(duì)原料適應(yīng)性強(qiáng)，生產(chǎn)的四氯化鈦質(zhì)量好，項(xiàng)目根據(jù)原料特點(diǎn)，選擇熔鹽氯化法工藝。

各生產(chǎn)企業(yè)的精制工藝大同小異，區(qū)別主要在于除釩工藝的不同。美國(guó)以礦物油除釩為主，日本以礦物油除釩、H2S除釩為主，烏克蘭、俄羅斯、哈薩克斯坦以鋁粉除釩為主，我國(guó)以銅絲除釩和礦物油除釩為主。鋁粉除釩產(chǎn)出的精四氯化鈦產(chǎn)品質(zhì)量高，是當(dāng)今國(guó)際最先進(jìn)的除釩工藝之一。項(xiàng)目從烏克蘭引進(jìn)技術(shù)，主要就是為了引進(jìn)其先進(jìn)的鋁粉除釩工藝。

氯化工段設(shè)2臺(tái)熔鹽氯化爐(1開(kāi)1備)，每臺(tái)氯化爐分別設(shè)2臺(tái)收塵器(1開(kāi)1備)，對(duì)應(yīng)每臺(tái)氯化爐分別配1套淋洗裝置、1套冷凝裝置和2臺(tái)尾部風(fēng)機(jī)(1開(kāi)1備)，構(gòu)成2條獨(dú)立的氯化生產(chǎn)線。

精制工段由低價(jià)鈦制備系統(tǒng)、蒸餾-精餾系統(tǒng)和泥漿蒸發(fā)系統(tǒng)組成。其中2套低價(jià)鈦制備裝置交替使用。蒸餾-精餾系統(tǒng)由3級(jí)組成，一級(jí)為蒸餾除釩及高沸點(diǎn)物，由2臺(tái)蒸餾釜(1開(kāi)1備)和2臺(tái)蒸餾塔(1開(kāi)1備)組成;二級(jí)除低沸點(diǎn)物由1臺(tái)蒸餾釜和1臺(tái)蒸餾塔組成;三級(jí)深度凈化由1臺(tái)蒸餾釜和1臺(tái)蒸餾塔組成。泥漿蒸發(fā)系統(tǒng)設(shè)4臺(tái)泥漿蒸發(fā)爐，交替作業(yè)。精制產(chǎn)出的精四氯化鈦經(jīng)化驗(yàn)合格后送還原工段。主要工藝特點(diǎn)有:

(1)氯化生產(chǎn)對(duì)原料含水要求高。設(shè)計(jì)采用微波干燥，對(duì)氯化鈉、煅后石油焦進(jìn)行深度脫水干燥，入爐原料含水小于0.5%。

(2)氯化溫度低，熔鹽氯化溫度控制在700～800℃。氯化爐出口溫度450～550℃，從源頭上降低了淋洗、冷凝所需冷卻介質(zhì)消耗量。

(3)含四氯化鈦的混合氣體的淋洗和冷凝分開(kāi)，保證了粗四氯化鈦的質(zhì)量。

(4)粗四氯化鈦經(jīng)濃密機(jī)沉降進(jìn)行固液分離，提高了送精制的粗四氯化鈦質(zhì)量，對(duì)保證精制生產(chǎn)連續(xù)性和提高精四氯化鈦的質(zhì)量起到了重要的作用。

(5)粗四氯化鈦精制采用先進(jìn)的鋁粉除釩工藝，有效避免了銅絲除釩帶來(lái)的勞動(dòng)條件差和礦物油除釩帶來(lái)的產(chǎn)品含碳偏高而影響海綿鈦質(zhì)量等問(wèn)題，是該項(xiàng)目引進(jìn)技術(shù)的亮點(diǎn)之一。

(6)AlCl3在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下于180℃升華，為了避免鋁在工藝中的循環(huán)積累，蒸餾釜底流采用泥漿蒸發(fā)爐進(jìn)行處理，回收四氯化鈦。

(7)為保證精四氯化鈦的質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)工藝流程穩(wěn)定運(yùn)行，通過(guò)自動(dòng)控制技術(shù)和分析化驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)生產(chǎn)全過(guò)程進(jìn)行有效監(jiān)控。

1.2 海綿鈦生產(chǎn)工藝

精四氯化鈦還原生成金屬鈦，均采用傳統(tǒng)的金屬鎂還原四氯化鈦工藝。還原反應(yīng)完成后，采用真空蒸餾的方法，將反應(yīng)產(chǎn)生的氯化鎂和未反應(yīng)的金屬鎂與反應(yīng)生成的海綿鈦分離。國(guó)內(nèi)外還原-蒸餾工藝分為“I型”和“倒U型”2種形式。項(xiàng)目引進(jìn)烏克蘭技術(shù)，采用“I型”結(jié)構(gòu)，主要工藝特點(diǎn)有:

(1)還原產(chǎn)出的氯化鎂依靠重力定期從反應(yīng)器底部排出，與上排氯化鎂相比，氯化鎂排放更為徹底，而且減少了氬氣的消耗量。還原過(guò)程通過(guò)自動(dòng)化控制技術(shù)，精確控制反應(yīng)器內(nèi)溫度、壓力和反應(yīng)區(qū)位置，對(duì)提高海綿鈦質(zhì)量起到了關(guān)鍵作用。

(2)在項(xiàng)目總承包過(guò)程中，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用基于可控硅控制的供電方案取代烏方原設(shè)計(jì)接觸式供電方案，使還原爐爐溫控制更為精確，節(jié)能效果明顯。生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，每一爐次節(jié)電可達(dá)約1000 kW·h。

(3)精四氯化鈦采用進(jìn)口加料裝置，加料過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，反應(yīng)器壓力的穩(wěn)定，具有保證安全生產(chǎn)和海綿鈦質(zhì)量的雙重作用。

(4)真空蒸餾以蒸餾溫度、壓力等工藝參數(shù)為控制核心，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)儀表和自動(dòng)控制技術(shù)相結(jié)合，達(dá)到了理想的效果，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。

1.3 鎂電解及精煉工藝

鎂電解是全流程海綿鈦生產(chǎn)工藝的重要組成部分，在從高鈦渣氯化生產(chǎn)四氯化鈦到海綿鈦產(chǎn)品的全流程工藝中，鎂電解工序的能耗就占到海綿鈦生產(chǎn)工藝能耗的40%以上，因此鎂電解能耗的高低，對(duì)于海綿鈦企業(yè)節(jié)能降耗、提高企業(yè)效益具有十分重要的意義。

目前應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)的鎂電解槽形式主要有無(wú)隔板鎂電解槽、有隔板鎂電解槽、道烏型鎂電解槽、多級(jí)鎂電解槽。由于海綿鈦企業(yè)產(chǎn)出的氯化鎂質(zhì)量高(氧化鎂等雜質(zhì)成分少)，根據(jù)國(guó)內(nèi)外實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，多級(jí)鎂電解槽是海綿鈦企業(yè)最理想的配套電解設(shè)備。該項(xiàng)目鎂電解、精煉主要工藝特點(diǎn)有:

(1)鎂電解采用多級(jí)鎂電解槽，相對(duì)原設(shè)計(jì)，電解槽數(shù)量由原先22臺(tái)減少為12臺(tái)。另設(shè)2臺(tái)氯化鎂中轉(zhuǎn)槽，對(duì)穩(wěn)定生產(chǎn)起到保障作用。

(2)鎂電解產(chǎn)出的氯氣濃度大于90%，相對(duì)于原設(shè)計(jì)提高約10%，有效減少了氯化尾氣的氣量，節(jié)約了氯化尾氣的處理成本。

(3)與原設(shè)計(jì)相比，新工藝取消了上插陽(yáng)極無(wú)隔板電解槽電解工藝配套的陽(yáng)極制備工段，節(jié)約建設(shè)場(chǎng)地、節(jié)約了建設(shè)投資和運(yùn)行成本。

(4)采用新技術(shù)，還在于有效改善了鎂電解及精煉車間操作環(huán)境。

1.4 尾氣處理工藝

項(xiàng)目主體工藝的氯化、精制、還原等工段，生產(chǎn)中有工藝尾氣、衛(wèi)生廢氣需要處理達(dá)標(biāo)后方可排空。根據(jù)尾氣成分、性質(zhì)、工藝特點(diǎn)，項(xiàng)目設(shè)3套尾氣處理裝置。其中氯化工藝尾氣處理單獨(dú)設(shè)2條生產(chǎn)線(1開(kāi)1備)，每條生產(chǎn)線采用2級(jí)水洗3級(jí)堿洗，確保尾氣處理系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行;精制工藝尾氣、精制衛(wèi)生廢氣、氯化衛(wèi)生廢氣設(shè)1套尾氣處理系統(tǒng)，采用2級(jí)水洗2級(jí)堿洗;還原工段單設(shè)1套尾氣處理裝置，采用1級(jí)水洗2級(jí)堿洗。主要工藝特點(diǎn)有:

(1)根據(jù)尾氣成分、性質(zhì)不同，尾氣處理系統(tǒng)分開(kāi)設(shè)置，體現(xiàn)了工藝的針對(duì)性。3套尾氣處理裝置在總圖布置上盡量靠近氣源點(diǎn)，減少輸送管道的距離，有效降低了管道堵塞的可能性。

(2)尾氣處理采用水洗、堿洗相結(jié)合的工藝，可以對(duì)尾氣中HCl和Cl2分開(kāi)獨(dú)立回收，不僅可以確保尾氣達(dá)標(biāo)排放，還為企業(yè)增加了產(chǎn)品，帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益。

1.5 工藝自動(dòng)化控制

當(dāng)代生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，最大貢獻(xiàn)在于控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用。該項(xiàng)目工藝設(shè)計(jì)的最大特點(diǎn)就是充分利用了當(dāng)今控制技術(shù)發(fā)展的最新成果，全面提升了工藝過(guò)程的自動(dòng)監(jiān)測(cè)和自動(dòng)控制，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，從源頭上保證了產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)質(zhì)、穩(wěn)定。

對(duì)氯化工段自動(dòng)配料，氯化爐返漿噴淋量與氯化爐爐溫控制連鎖到尾部風(fēng)機(jī)調(diào)頻控制;精制工段低價(jià)鈦反應(yīng)器加料連鎖，蒸餾釜電加熱裝置與蒸餾塔溫度、壓力連鎖，工藝槽罐液位控制;還原反應(yīng)各區(qū)溫度控制，蒸餾工序溫度、壓力控制;破碎工段連鎖控制;電解槽液位、壓力、溫度控制等等。均應(yīng)用了自動(dòng)監(jiān)測(cè)、控制技術(shù)，提高了生產(chǎn)裝置的安全性，保證了工藝生產(chǎn)線上各設(shè)備溫度、壓力、液位等主要工藝參數(shù)處于受控狀態(tài)，對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量提供了技術(shù)保障。

2 投料試生產(chǎn)

2011年8月31日，第一臺(tái)還原反應(yīng)器加料試車。根據(jù)技術(shù)引進(jìn)合同，烏方工藝和自動(dòng)控制等專家、中方專家、工程技術(shù)人員全程參與了第一爐海綿鈦生產(chǎn)的全過(guò)程，依次經(jīng)歷還原、組裝、蒸餾、冷卻、拆卸、頂出，產(chǎn)出第一砣海綿鈦，歷時(shí)16天，產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)，為全面投料試車奠定了基礎(chǔ)。

2012年2月10日，精制工段按計(jì)劃投料，由于流程長(zhǎng)、呼吸管道設(shè)計(jì)不盡合理、設(shè)備制作問(wèn)題以及設(shè)備之間磨合的需要，從投料到精制工段全線拉通，經(jīng)歷了半年多的時(shí)間。分析原因，主要在于設(shè)備和投料初期間斷操作使大量空氣混入系統(tǒng)帶來(lái)的管道堵塞問(wèn)題。其次，問(wèn)題集中在液位計(jì)等控制儀表的測(cè)量誤差上，由于四氯化鈦特殊的性質(zhì)，遇到潮濕空氣立即水解并產(chǎn)生大量的煙霧，盡管設(shè)計(jì)選用了先進(jìn)的雷達(dá)液位計(jì)作為精制工段槽罐液位的檢測(cè)儀表，但是由于四氯化鈦煙霧的影響，液位檢測(cè)誤差較大，增加了試車難度。

2012年7月26日，鎂精煉系統(tǒng)正式啟動(dòng)，外購(gòu)鎂錠經(jīng)坩堝爐熔化后，用鎂抬包送到連續(xù)精煉爐，經(jīng)過(guò)精煉，產(chǎn)出的精鎂通過(guò)鎂抬包送到還原工段。

2012年12月20日，氯化工段氯化爐正式啟動(dòng)，經(jīng)過(guò)烘爐、加鹽、滲鹽，同年12月27日開(kāi)始加入高鈦渣、煅后石油焦和氯化鈉混合爐料，同時(shí)通入氯氣，氯化反應(yīng)正式開(kāi)始。

氯化爐啟動(dòng)后，反應(yīng)生成的含四氯化鈦混合氣體經(jīng)收塵器沉降除塵進(jìn)入淋洗塔，與淋洗塔噴出的液態(tài)四氯化鈦進(jìn)行傳質(zhì)傳熱，混合氣體中高沸點(diǎn)物與四氯化鈦等沸點(diǎn)較低的氣體分離，沉積于淋洗循環(huán)槽，沉積物經(jīng)返漿泵再送到熔鹽氯化爐。淋洗后的混合氣體經(jīng)冷凝塔，與低溫液態(tài)四氯化鈦進(jìn)行傳質(zhì)傳熱，四氯化鈦冷凝成液態(tài)，再經(jīng)濃密機(jī)沉降實(shí)現(xiàn)固液分離，即產(chǎn)出粗四氯化鈦送精制生產(chǎn)工段。混合氣體冷凝回收四氯化鈦后的工藝尾氣經(jīng)尾部風(fēng)機(jī)送氯化尾氣處理系統(tǒng)。

2013年2月14日，主體工藝最后一個(gè)工段-鎂電解工段開(kāi)始烤爐，3月11日開(kāi)始投料、通電，3月12日產(chǎn)出第一批電解鎂液，3月21日鎂電解產(chǎn)出的氯氣經(jīng)氯壓機(jī)加壓后送入氯化工段熔鹽氯化爐。

至此，項(xiàng)目氯化、精制、還原、蒸餾、破碎、鎂電解、鎂精煉、氯壓機(jī)壓縮等主體工藝全線投料試車完畢，實(shí)現(xiàn)了鎂、氯兩大循環(huán)，為海綿鈦?lái)?xiàng)目后續(xù)生產(chǎn)、達(dá)產(chǎn)達(dá)標(biāo)創(chuàng)造了條件。

3 存在的問(wèn)題及建議

盡管項(xiàng)目引進(jìn)技術(shù)具有一系列優(yōu)點(diǎn)，但問(wèn)題和不足依然存在。由于國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、法律、法規(guī)等的不同，工程設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題主要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面:

(1)設(shè)備配置不盡合理。比如，根據(jù)技術(shù)轉(zhuǎn)讓合同，熔鹽氯化爐壽命為3 a，獨(dú)聯(lián)體國(guó)家實(shí)際使用情況也可以達(dá)到3 a，因此項(xiàng)目氯化工段按2條氯化生產(chǎn)線來(lái)設(shè)計(jì)，設(shè)2臺(tái)熔鹽氯化爐是不合理的，在與烏方派駐現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)專家溝通中也證實(shí)了這一的看法。再如，精制工段低價(jià)鈦制備也設(shè)計(jì)2套系統(tǒng)，且所有配套設(shè)備均為2套，完全可以優(yōu)化為主要設(shè)備反應(yīng)器設(shè)2臺(tái)，配套設(shè)備公用。

(2)部分管道配置不盡合理。如呼吸管道，在整個(gè)試生產(chǎn)中已經(jīng)暴露出來(lái)，管道堵塞頻發(fā)，影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和連續(xù)性。

(3)部分設(shè)備設(shè)計(jì)不合理。如還原工段現(xiàn)有排放裝置每套使用壽命僅3次左右，大大增加了海綿鈦的生產(chǎn)成本。還有如翻轉(zhuǎn)機(jī)、頂出機(jī)等。

針對(duì)上述工程設(shè)計(jì)上的不足，提出以下3點(diǎn)優(yōu)化思路:

(1)引進(jìn)技術(shù)首先必須全面分析技術(shù)的重點(diǎn)和亮點(diǎn)、適用條件、應(yīng)用背景和管理要求，然后分析國(guó)內(nèi)原料、技術(shù)、人才、管理等的適應(yīng)性。在消化吸收的基礎(chǔ)上，結(jié)合國(guó)內(nèi)實(shí)際情況，進(jìn)行優(yōu)化和完善，才能去其糟粕取其精華。

(2)針對(duì)投料試車以來(lái)的經(jīng)驗(yàn)，建議對(duì)熔鹽氯化爐、四氯化鈦液下泵、氯化鎂排放裝置、頂出機(jī)、破碎機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備和環(huán)節(jié)展開(kāi)深入研究，為早日順利實(shí)現(xiàn)引進(jìn)技術(shù)目標(biāo)創(chuàng)造條件。

(3)結(jié)合精制工段泥漿蒸發(fā)爐系統(tǒng)環(huán)境差的實(shí)際，建議結(jié)合昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院股份公司已授權(quán)專利開(kāi)展進(jìn)一步的研究論證，預(yù)計(jì)項(xiàng)目的實(shí)施，將大大改善精制工段勞動(dòng)生產(chǎn)條件。

4 結(jié) 語(yǔ)

項(xiàng)目主體工藝引進(jìn)烏克蘭技術(shù)，鎂電解采用多級(jí)鎂電解槽，技術(shù)適用、先進(jìn)、安全、可靠，為企業(yè)今后的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。對(duì)于海綿鈦生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，由于技術(shù)難度大，工藝復(fù)雜，真正做到達(dá)產(chǎn)達(dá)標(biāo)還有很長(zhǎng)的路要走。對(duì)于引進(jìn)技術(shù)來(lái)說(shuō)，不僅需要在消化吸收的基礎(chǔ)上，理順生產(chǎn)工藝，更需要不斷創(chuàng)新優(yōu)化，真正體現(xiàn)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)良好的經(jīng)濟(jì)效益。

［1］鄧國(guó)珠.鈦冶金［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2010.

［2］韓明堂.熔鹽氯化在鈦工業(yè)中的研究和應(yīng)用［J］.釩鈦，1993(3):38-40.

［3］徐日瑤.鎂冶金學(xué)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1993.

［4］選礦廠設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1988.

［5］段希祥.碎礦與磨礦［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2006.