雙爐還原制取海綿鋯工藝應用研究

李洪林（遼寧石化職業(yè)技術(shù)學院， 遼寧 錦州 121001）

雙爐還原制取海綿鋯工藝應用研究

李洪林（遼寧石化職業(yè)技術(shù)學院， 遼寧 錦州 121001）

與單爐還原法比較，雙爐還原法通過對工藝、設備及控制手段的改進，將四氯化鋯與鎂分別裝入各自的反應爐中，使四氯化鋯揮發(fā)、鎂的熔融及還原反應分別進行，滿足還原條件后，打通兩個反應爐之間聯(lián)接電熱通道，進行還原反應生成海綿鋯。此法反應區(qū)域、反應速度、反應溫度、反應平衡容易控制，不僅提高了海綿鋯的產(chǎn)量和質(zhì)量，而且金屬回收率高，廢氣排放少。

雙爐還原；海綿鋯

金屬鋯又稱海綿鋯，由于鋯或鋯合金具有非常強的耐高溫、抗腐蝕及硬度、強度超高等特性，作為結(jié)構(gòu)材料在航天、軍工、核工業(yè)及化學工業(yè) 等領(lǐng)域有著廣泛應用。就國內(nèi)外普遍采用的鎂熱還原技術(shù)而言，傳統(tǒng)工藝為單爐還原，此法由于原料揮發(fā)速度變化較大，還原過程產(chǎn)生黑粉量大，尾氣環(huán)保超標。還原－精整收率指標不到60%，工業(yè)鋯品級率單爐平均在50%～60%左右，且指標波動大，過程不易控制，不僅影響產(chǎn)品質(zhì)量，也直接導致能耗高，金屬回收率低，而雙爐還原工藝對此有顯著改善。

1　雙爐還原工藝原理

鎂熱還原法其總反應式為：反應伴隨著物料的熔融、揮發(fā)、傳熱、傳質(zhì)、浸潤等的進行。

為便于過程控制，雙爐還原法是將四氯化鋯與鎂分別裝入各自的反應爐中，使四氯化鋯揮發(fā)、鎂的熔融及還原反應分別進行。當鎂在坩堝中熔融，同時四氯化鋯也在揮發(fā)爐中被加熱升華時，打開聯(lián)通兩個反應爐之間聯(lián)接電熱通道，氣態(tài)四氯化鋯經(jīng)過通道進入還原反應爐內(nèi)，在反應溫度840～940℃，壓力8～20kPa，反應時間45～60小時，加料速度40～90Kg/h條件下，與液態(tài)鎂發(fā)生還原反應制得海綿鋯。該方法通過對工藝、設備及控制手段的改造，使四氯化鋯氣體濃度和反應速度達到最佳匹配，確保海綿鋯質(zhì)量穩(wěn)定，提高產(chǎn)品收率，減少污染，降低能耗。

設置在連接通道處針型閥底部的氣體加料裝置，延伸至坩堝內(nèi)，通過其本身的結(jié)構(gòu)限制氣流的流動狀態(tài)，使四氯化鋯反應氣體能夠充分和還原爐內(nèi)液態(tài)鎂進行反應，防止氣體擴散從而導致氣相反應的進行，增加金屬回收率，減少黑粉的生成，減少廢氣排放。

2　雙爐還原工藝流程

圖1為對單爐還原工藝改進后的雙爐還原工藝流程（還原部分）。

圖1　雙爐還原工藝流程

3　實驗步驟

①將合格精四氯化鋯和鎂錠按配比分別裝入還原爐和揮發(fā)爐膽內(nèi)。②還原反應爐升溫至260～300℃，除氣4～6小時，然后溫度控制在750～800℃，壓力控制在10～20kPa條件下熔融鎂，保持6～10小時； ③揮發(fā)反應爐升溫至260～270℃，除氣4～6小時，當溫升至400℃左右進行充氬氣保護，并使揮發(fā)的四氯化鋯氣體呈濃白色狀態(tài)；④打開通道閥門，將還原爐和揮發(fā)爐連通，通過控制加熱溫度（840～940℃）和過道閥門開啟度（加料速度以揮發(fā)前四氯化鋯計控制在40～90kg/h）來控制四氯化鋯參與反應數(shù)量，使生成海綿鋯的還原反應平穩(wěn)進行，反應時間為45～60小時。

4　實驗結(jié)果

（1）成品成分分析 取實驗后期連續(xù)11爐次成品成分分析，統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表1。

表1　成品成分分析結(jié)果

由成品分析結(jié)果可知，除1爐氮高外其余均符合工業(yè)級海綿鋯標準。

（2）爐內(nèi)溫度、壓力控制 與單爐比較，雙爐還原不僅便于控制，而且通過對設備及控制系統(tǒng)升級改造，可完全實現(xiàn)平穩(wěn)運行。圖2為實測某爐次溫度、壓力與反應時間的關(guān)系圖。

圖2　爐內(nèi)溫度、壓力與反應時間的關(guān)系

由實測爐內(nèi)溫度、壓力與時間的關(guān)系圖可知，除個別處溫度、壓力波動稍大外，總體控制平穩(wěn)，符合工藝要求。

（3）其它經(jīng)濟技術(shù)指標 雙爐試驗共計生產(chǎn)36爐次，產(chǎn)品符合工業(yè)鋯標準21爐次，累計生產(chǎn)18.17t海綿鋯產(chǎn)品，其中工業(yè)鋯12.49t，火器鋯5.68t，平均品級率68.74%。后期連續(xù)11爐平均品級率達70.12%，最高爐產(chǎn)1160kg，最高爐工業(yè)鋯品級率80.3%，最高爐還原－精整收率72.1%，黑粉生成減少50%。

5　結(jié)語

采用兩個加熱爐分別進行四氯化鋯的揮發(fā)和鎂熱還原，使兩部分操作實現(xiàn)獨立控制，使反應區(qū)域、反應速度、反應溫度、反應平衡實現(xiàn)可控，可以實現(xiàn)穩(wěn)定提高海綿鋯產(chǎn)量和質(zhì)量，提高金屬回收率，減少廢氣拍放，降低生產(chǎn)成本的目的。

［1］澤軒.金屬鎂還原四氯化鋯制取海綿鋯［J］.冶煉技術(shù)，2011.

［2］李獻軍.海綿鋯的生產(chǎn)工藝技術(shù)及技術(shù)標準的發(fā)展［J］.鈦工業(yè)進展，2009.

［3］李岱松.海綿鋯生產(chǎn)工藝的節(jié)能環(huán)保分析［J］.資源節(jié)約與環(huán)保，2011.

Double furnace reduction for making sponge zirconium technology application research

Li honglin(LIAONING PETRO-CHEMICAL VOCATIONAL TECHNICAL COLLEGEjinzhou 121001)

compared with single furnace reduction method, double furnace reduction method based on the improvement of technology, equipment and control means, zirconium tetrachloride and magnesium in their respective reactor respectively, make zirconium tetrachloride volatilization, mg melting and reduction reaction, respectively, after reduction conditions, through the connection between the two reactor electric channel, to generate sponge zirconium reduction reaction. This law area, reaction speed, reaction temperature, reaction balance easier to control, not only can improve the yield and quality of zirconium sponge, and metal recovery rate is high, fewer emissions.

double furnace reduction, zirconium sponge

李洪林（1959- ），男，漢族，遼寧錦州人，畢業(yè)于沈陽化工學院，碩士研究生，副教授，遼寧石化職業(yè)技術(shù)學院應用化工技術(shù)教研室主任。