鎂法海綿鈦生產能耗分析及節(jié)能措施

岑春鐵 王再軍

貴州遵鈦集團

鎂法海綿鈦生產能耗分析及節(jié)能措施

岑春鐵 王再軍

貴州遵鈦集團

國內外海綿鈦生產主要是鎂還原-真空蒸餾法(又稱Kroll法或聯(lián)合法)，其中還原--蒸餾和鎂電解是兩個主要耗能工序。我國在鋼鐵和其他高能耗企業(yè)的余熱回收利用方面都已進行了卓有成效的工作，但對海綿鈦還原過程的余熱資源并未進行回收利用。

海綿鈦；能耗；分析；新技術

目前，鎂熱還原法(克勞爾法)技術成熟，產品質量好，但該法生產流程長，能耗高，海綿鈦成本高，成為限制海綿鈦使用范圍的瓶頸。研究海綿鈦生產過程熱量平衡對于還原反應過程節(jié)能具有一定的指導作用，對于降低海綿鈦成本，擴大海綿鈦使用范圍具有重要意義。

1 鎂熱法還原鈦的主要規(guī)律

關于鎂熱法還原鈦的主要規(guī)律，相互作用機理的復雜性，在TiCl4變成金屬鈦之前，或者結束該過程時，都有附著、蒸發(fā)、冷凝、擴散、溶解和結晶的物理過程，其放熱性、動力學的不均衡性和還原的周期性，對于研究它的機理帶來很大困難。

研究TiCl4與鎂相互作用的機理，應該首先確定可能進行反應的范圍和它們的次序，如果相互作用是分段進行，就要規(guī)定出還原階段的限定條件，來研究還原的機理?？梢哉J為生成全屬鈦呈海綿狀，是氣態(tài)TiCl4與液體鎂相互作用的結果，或者是冷凝相互作用的結果。有文獻否認了在一般采用的鎂熱法還原過程中，反應物在氣相中相互作用的可能性，認為只有在熔融的鎂液面上加入TiCl4才能反應，組份在氣相中作用的優(yōu)勢，只有當鎂的利用率達60%～80%之后，也就是在過程的末期，此時它的反應速度才開始下降。相反，氣相中的相互作用僅發(fā)現(xiàn)在過程的開始階段，此時，在加TiCl4之前反應空間有鎂蒸氣。也有文獻認為，在還原過程的一定條件下，反應物在氣相中相互作用較為突出。

2 海綿鈦還原過程余熱利用

2.1 優(yōu)化還原加熱制度

優(yōu)化溫度控制工藝降低電耗還原電爐爐腔內溫度采用四區(qū)控制(從爐頂至爐底分別為1、2、3、4區(qū))，反應界面介于1區(qū)和2區(qū)之間，每區(qū)設有電熱裝置，由于各區(qū)工藝要求不同，各區(qū)的溫度設置范圍及加熱時段有所不同。跟蹤生產過程發(fā)現(xiàn)，還原過程中各區(qū)溫度控制不合理，主要體現(xiàn)為：(1)還原各區(qū)之間無明顯溫度梯度，氯化鎂與鎂分層效果差;(2)還原1區(qū)和2區(qū)控制的最低溫度較高，導致該區(qū)域加熱裝置工作時間延長，電耗增大;(3)3區(qū)和4區(qū)溫度偏低，底部物料粘度大，影響排料。此針對還原加熱過程中存在的問題對還原加熱工藝參數(shù)進行了優(yōu)化調整。

加熱制度優(yōu)化后，充分利用了還原反應熱，減少了由冷卻煙氣帶走的熱量損失，同時減少了電阻絲的啟動頻率，降低了設備故障率。數(shù)據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，還原加熱制度優(yōu)化后，噸海綿鈦電耗降低了310kWh。

2.2 減少設備故障率，縮短間歇時間

海綿鈦生產是間歇過程，間歇時間過長或者生產安排不合理，造成生產周期延長，設備在間歇過程中冷卻，造成熱量散失，能耗增大。

(1)產能為7.5t/爐的還原罐排出的熱態(tài)氯化鎂溫度從900℃下降到500℃的熱量損失高達2.34×107kJ，折合電耗為6486kWh，噸海綿鈦電耗為864.51kWh，增加海綿鈦成本。

(2)由于設備故障需要停爐操作時，爐體冷卻后重新升溫會增加電耗，同時增大間歇時間。若生產安排合理，還原電爐溫度可保持在600℃左右，較之電爐溫度為300℃時可節(jié)約電能2.04×106kJ/h，占加熱期間總電耗的6.88%，因此在生產中要注意電爐的保溫，同時保證生產的連續(xù)性，縮短間歇時間。

2.3 還蒸工序

還蒸工序是海綿鈦生產的關鍵工序，其工藝是在880～950℃下的氬氣氣氛中，讓四氯化鈦與金屬鎂進行反應得到海綿狀的金屬鈦和氯化鎂，用真空蒸餾除去海綿鈦中的氯化鎂和過剩的鎂，從而獲得純鈦，剩余的液體鎂作為生產原料使用，還原產生的氯化鎂則經(jīng)電解回收鎂和氯氣。鎂熱還原-真空蒸餾法生產海綿鈦分為還原-蒸餾設備分離法和聯(lián)合法，聯(lián)合法還蒸設備分為I型爐(半聯(lián)合法)和倒U型爐。

(1)I型爐：優(yōu)點是設備結構簡單、易操作，產品疏松度好；缺點是在蒸餾結束后需同時吊起兩個反應器，對天車噸位、廠房標高要求高；反應器在安裝、拆卸時需翻轉180°，因噸位大而翻轉困難。一般為3--4t/爐，最大為7.5t/爐。

(2)倒U型爐：缺點是連接兩反應器的過渡管需加熱，并需解決熱脹冷縮問題，結構復雜，操作要求仔細；優(yōu)點是兩反應器可分別吊裝。倒U型法有利于設備大型化，可進一步擴大單爐產能。目前國內最高已達8t/爐，準備擴大到10t/爐，12t/爐也已通過鑒定。

提高還原過程的散熱能力是強化工藝條件的主要途徑，應努力探索新的方法，拓展還原過程散熱途徑，從而縮短還原過程的生產周期，有效的發(fā)揮現(xiàn)有設備的潛能，也是企業(yè)提高技術水平的必經(jīng)之路。

[1] 莫畏等編.鈦冶金[M].北京：冶金工業(yè)出版社,1998

[2] 葉大倫編.實用無機熱力學數(shù)據(jù)手冊[M].北京：冶金工業(yè)出版社,1979

the production of sponge titanium at home and abroad is mainly magnesium reduction vacuum distillation (also known as Kroll method or combination method), which is the two main energy consuming processes of reduction distillation and magnesium electrolysis. The waste heat recovery and utilization of iron and steel and other high energy consuming enterprises in China have been carried out fruitful work, but the waste heat resource of sponge titanium reduction process has not been recycled.

sponge titanium; energy consumption; analysis; new technology