淺析海綿鈦生產(chǎn)中雜質(zhì)錳含量的控制

陳太武

（貴州遵鈦（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，貴州遵義 563004）

目前的海綿鈦生產(chǎn)大多采用鎂法工藝，就是用精鎂和精四氯化鈦在高溫下發(fā)生還原反應(yīng)并生成金屬鈦的過(guò)程，再利用各組分飽和蒸汽壓差別較大的物理特性，然后在高溫、高真空的條件下將還原所得到的產(chǎn)物進(jìn)行蒸餾分離提純，最終得到海綿鈦產(chǎn)品。

在早期的海綿鈦生產(chǎn)工藝控制中，常規(guī)控制的雜質(zhì)元素主要包括硅、碳、鐵、氯、氧、氮，而雜質(zhì)錳、鎂、氫、錫等元素只是針對(duì)有特殊要求的客戶才進(jìn)行分析、控制。但隨著海綿鈦應(yīng)用的進(jìn)一步發(fā)展，特別是近幾年在軍工、海洋、醫(yī)用、航空等領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，海綿鈦?zhàn)鳛殁伈纳罴庸さ囊环N原材料，對(duì)其質(zhì)量要求越來(lái)越高，對(duì)雜質(zhì)元素的控制也越來(lái)越多。就目前而言，雜質(zhì)錳、鎂、氫已經(jīng)列入常規(guī)雜質(zhì)元素進(jìn)行控制。正因如此，生產(chǎn)中對(duì)雜質(zhì)錳元素控制的關(guān)注不夠，機(jī)理研究和改進(jìn)措施相對(duì)較少。某廠的生產(chǎn)實(shí)踐中，雜質(zhì)錳元素也會(huì)出現(xiàn)一定的波動(dòng)，成為海綿鈦產(chǎn)品質(zhì)量控制的重要環(huán)節(jié)之一。如何改進(jìn)工藝控制，從而更好地穩(wěn)定海綿鈦產(chǎn)品質(zhì)量，是生產(chǎn)實(shí)踐中需要解決的重要問(wèn)題。

1 海綿鈦中雜質(zhì)錳的來(lái)源分析

海綿鈦生產(chǎn)的主要原料是精鎂和精氯化鈦，所用的反應(yīng)罐主要是普通鋼或不銹鋼的鋼質(zhì)材料，也有使用內(nèi)襯薄鈦板的反應(yīng)罐［1］。海綿鈦產(chǎn)品中的雜質(zhì)錳主要來(lái)自于精鎂原料中。

1.1 精鎂

鎂的生產(chǎn)工藝主要有電解法和硅熱法［2，3］。電解法生產(chǎn)鎂的原料主要是海綿鈦生產(chǎn)過(guò)程中的副產(chǎn)物無(wú)水氯化鎂，或者是菱鎂礦等經(jīng)氯化后得到的無(wú)水氯化鎂，經(jīng)電解得到粗鎂，再用熔劑法精煉后得到精鎂。硅熱法生產(chǎn)鎂的原料主要是菱鎂礦和白云石等煅燒后的氧化鎂，再用硅鐵作為還原劑進(jìn)行還原反應(yīng)得到粗鎂，大多數(shù)采用熔劑法精煉，最后得到精鎂。

對(duì)比而言，電解法生產(chǎn)的精鎂，其雜質(zhì)錳含量一般要低于硅熱法［3］，特別是用海綿鈦生產(chǎn)過(guò)程中的副產(chǎn)物無(wú)水氯化鎂作為原料時(shí)，錳含量更低。在海綿鈦生產(chǎn)過(guò)程中，精鎂中的雜質(zhì)錳基本上會(huì)全部轉(zhuǎn)移到海綿鈦產(chǎn)品中，是海綿鈦產(chǎn)品中雜質(zhì)錳含量的主要來(lái)源。生產(chǎn)實(shí)踐表明，用于海綿鈦生產(chǎn)的精鎂一般需要達(dá)到二級(jí)鎂以上的標(biāo)準(zhǔn)，錳含量一般要求控制在0.012%以下，否則會(huì)引起海綿鈦產(chǎn)品中的雜質(zhì)錳含量升高，從而導(dǎo)致產(chǎn)品降級(jí)或報(bào)廢。

1.2 精四氯化鈦

在精四氯化鈦生產(chǎn)中，雜質(zhì)錳屬于高沸點(diǎn)的金屬雜質(zhì)，其在四氯化鈦中的深解度較?。?］，且容易被分離去除，其含量較低，在精四氯化鈦的常規(guī)質(zhì)量分析中一般不作分析，對(duì)海綿鈦產(chǎn)品質(zhì)量影響較小。

1.3 反應(yīng)罐

在海綿鈦的生產(chǎn)中，不論是鋼質(zhì)的、還是內(nèi)襯鈦板的反應(yīng)罐，主要是帶來(lái)雜質(zhì)鐵的影響，而對(duì)雜質(zhì)錳的波動(dòng)影響較小。

2 雜質(zhì)錳在海綿鈦坨中的分布

雜質(zhì)錳元素在海綿鈦坨中的分布，類似于雜質(zhì)鐵，主要富集在鈦坨的底部，其次是鈦坨周圍。在海綿鈦還原加料生產(chǎn)之前，一般要對(duì)反應(yīng)罐中的精鎂熔液在700℃～850℃進(jìn)行恒溫1～3 h［1］，在這個(gè)過(guò)程中，精鎂中的雜質(zhì)錳會(huì)向反應(yīng)罐底部進(jìn)行沉降。在還原初期，因?yàn)樯缮倭康暮＞d鈦對(duì)鎂本身有精煉凈化的作用，會(huì)加劇這種沉降富集作用。在海綿鈦坨中，一般情況下，最底部約5～10 cm的底皮產(chǎn)品雜質(zhì)錳含量最高，基本上都是超過(guò)質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)的廢品；其次是下部約30～50 cm部分，中上部最低且分布均勻。

3 控制雜質(zhì)錳含量的措施

針對(duì)海綿鈦產(chǎn)品中雜質(zhì)錳的分布及富集過(guò)程，采取相應(yīng)的改進(jìn)措施進(jìn)行控制，盡可能減小其對(duì)產(chǎn)品品級(jí)率的影響。

3.1 精鎂中雜質(zhì)錳的控制

3.1.1 電解法精鎂的質(zhì)量控制

電解法生產(chǎn)精鎂采用熔劑精煉法就可以收到較好的效果。某廠的生產(chǎn)實(shí)踐中使用2#鈣熔劑進(jìn)行精煉，精鎂中的錳含量基本上可以控制在0.010%以下，質(zhì)量控制較為穩(wěn)定。某廠使用的2#鈣熔劑與中南大學(xué)推薦的新熔劑對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 某廠使用的2#鈣熔劑與中南大學(xué)推薦的新熔劑［3］成分對(duì)比表 %

3.1.2 硅熱法精鎂的質(zhì)量控制［2］

硅熱法生產(chǎn)精鎂一般也使用電解法所用的熔劑進(jìn)行精煉，但生產(chǎn)實(shí)踐表明，除雜質(zhì)的效果不太理想，而且與生產(chǎn)所用的原料品位有很大相關(guān)性，一般錳含量控制在0.010%～0.018%。有資料表明，使用光鹵石熔劑可以起到較為理想的效果，錳含量可以控制在0.015%以下。光鹵石熔劑成分見(jiàn)表2。

表2 光鹵石熔劑成分表 %

3.1.3 控制措施

某廠在生產(chǎn)實(shí)踐中采取的措施因所用精鎂的來(lái)源不同而有所不同。一是在使用電解法精鎂時(shí)，采取鈣熔劑法基本上可以穩(wěn)定地控制雜質(zhì)錳含量在0.010%以下。二是在使用硅熱法精鎂時(shí)，增加重熔精煉工藝，用優(yōu)化后光鹵石熔劑進(jìn)行再次精煉。三是嚴(yán)格控制精煉工藝參數(shù)，如將精煉溫度和靜置溫度提高到740～760℃，將精煉攪拌時(shí)間和靜置時(shí)間延長(zhǎng)到1～2 h，并采取從760℃降到700℃“降溫式”的靜置措施。四是加強(qiáng)操作責(zé)任心，確保精煉操作工藝控制嚴(yán)格，確保精煉溫度和時(shí)間、攪拌深度和時(shí)間、靜置溫度和時(shí)間等達(dá)到工藝要求。五是加強(qiáng)液體鎂的真空抽取操作，杜絕抽到鎂渣的操作事故。某廠改進(jìn)工藝后生產(chǎn)的精鎂及所對(duì)應(yīng)海綿鈦產(chǎn)品的錳含量見(jiàn)表3。

表3 某廠改進(jìn)工藝后生產(chǎn)的精鎂及所對(duì)應(yīng)海綿鈦產(chǎn)品的錳含量 %

3.2 海綿鈦的分部包裝措施

在海綿鈦坨的破碎包裝處理時(shí)，一是將最底部約5～10 cm部分的產(chǎn)品直接切除作為廢品處理，并將鈦坨周圍剝?nèi)ゼs1～3 cm，防止嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量，一般約占0.5%～2%。二是對(duì)下部約30～50 cm部分的產(chǎn)品進(jìn)行多爐次集中組批包裝，以提高優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品率。三是將其余部分雜質(zhì)錳含量較低且均勻的產(chǎn)品進(jìn)行單獨(dú)破碎包裝，可以直接提高產(chǎn)品品級(jí)率。某廠生產(chǎn)的海綿鈦坨各部分的雜質(zhì)錳的平均含量見(jiàn)表4。

表4 某廠生產(chǎn)的海綿鈦坨各部分的雜質(zhì)錳的平均含量 %

3.3 海綿鈦還原工藝的改進(jìn)

在還原生產(chǎn)中，充分利用雜質(zhì)錳在還原加料前的恒溫過(guò)程及加料前期階段的富集作用，及時(shí)將已富集雜質(zhì)錳的氯化鎂及少量精鎂熔體排出爐外，減少雜質(zhì)錳在海綿鈦產(chǎn)品中沉積。一是在還原加料前，采取先排放一次氯化鎂的操作，排放時(shí)應(yīng)排放出適量（300～500 kg）的精鎂。二是在還原加料量達(dá)2 t之前的階段采取“少量加、多次排”的操作方式，盡可能在還原前期將富集雜質(zhì)錳的鎂及氯化鎂熔體排出爐外。某廠采取措施前后的海綿鈦產(chǎn)品錳含量對(duì)比見(jiàn)表5。

表5 某廠采取措施前后海綿鈦產(chǎn)品中的雜質(zhì)錳含量對(duì)比 %

4 結(jié) 語(yǔ)

1.根據(jù)精鎂來(lái)源不同采取不同的措施，嚴(yán)格控制精鎂質(zhì)量，可以有效地控制雜質(zhì)錳元素的波動(dòng)。

2.對(duì)海綿鈦坨進(jìn)行分部處理，可以直接地提高產(chǎn)品品級(jí)率。

3.改進(jìn)還原前期的工藝控制，也可以收到較好的控制效果。