海綿鈦生產(chǎn)鎂還原工藝過程質(zhì)量控制措施

許虎誠

摘 要：在生產(chǎn)海綿鈦時(shí)，還原工藝是極為重要的一道工序，它對(duì)于海綿鈦?zhàn)罱K的質(zhì)量具有重要影響。本文對(duì)影響海綿鈦生產(chǎn)質(zhì)量的因素（如還原溫度、生產(chǎn)材料、鎂利用效率、加料速度、設(shè)備密封性等）進(jìn)行全面分析，并對(duì)海綿鈦生產(chǎn)過程中鎂還原工藝質(zhì)量的控制進(jìn)行深入研究，希望能夠?yàn)橄嚓P(guān)人員提供一定建議。

關(guān)鍵詞：質(zhì)量控制;海綿鈦;生產(chǎn);鎂還原工藝

中圖分類號(hào)：TF823文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）02-0130-03

Abstract： In the production of sponge titanium， the reduction process is an extremely important process， which has an important impact on the final quality of sponge titanium. This paper comprehensively analyzed the factors that affected the quality of sponge titanium production （such as reduction temperature， production materials， magnesium utilization efficiency， feeding speed， equipment tightness， etc.）， and conducted in-depth research on the quality control of magnesium reduction process during sponge titanium production， hoping to provide some suggestions for related personnel.

Keywords： quality control;titanium sponge;production;magnesium reduction process

最近幾年，國內(nèi)外海綿鈦行業(yè)競(jìng)爭愈發(fā)激烈，導(dǎo)致海綿鈦產(chǎn)能出現(xiàn)過?，F(xiàn)象。只有不斷提高海綿鈦質(zhì)量，海綿鈦生產(chǎn)企業(yè)才可以生存，才可以持續(xù)發(fā)展。本文以實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)與相關(guān)專業(yè)資料為基礎(chǔ)，對(duì)海綿鈦還原生產(chǎn)過程中的質(zhì)量控制進(jìn)行分析，并提出有效建議。

1 海綿鈦質(zhì)量的要求

在對(duì)金屬鈦進(jìn)行生產(chǎn)與精煉時(shí)，海綿鈦是必不可少且極為基礎(chǔ)的一種原料。把海綿鈦進(jìn)一步精煉，人們能夠制造鈦錠、鈦棒等諸多金屬型鈦材;通過機(jī)械化設(shè)備對(duì)海綿鈦進(jìn)行研磨后，能夠制作鈦粉末[1-3]。當(dāng)前，鈦粉末大多用作鍍膜材料，在機(jī)械表面處理中得到廣泛的應(yīng)用[4-6]。我國對(duì)海綿鈦質(zhì)量也做出了相關(guān)規(guī)定。

1.1 產(chǎn)品的分類

目前，按照化學(xué)成分與布氏硬度，海綿鈦可以分成6種牌號(hào)，分別是MHT-100、110、125、140、160以及200，其化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）與布氏硬度如表1所示。

1.2 粒度

對(duì)于粒度為0.83～25.4 mm的海綿鈦產(chǎn)品，其粒度是0.83～25.4 mm的數(shù)量應(yīng)大于總批次數(shù)量的90%，小于0.83 mm的產(chǎn)品數(shù)量應(yīng)低于產(chǎn)品總數(shù)的5%，而大于25.4 mm的產(chǎn)品數(shù)應(yīng)小于總數(shù)的5%。制造商與購買廠家可以通過合同形式來對(duì)產(chǎn)品的粒度進(jìn)行調(diào)整與約定。

1.3 外觀質(zhì)量

首先，產(chǎn)品應(yīng)當(dāng)是淺灰色的呈海綿狀的金屬，表面較為清潔，不存在肉眼可見大小的雜質(zhì)。其次，產(chǎn)品里存在缺陷的數(shù)量不應(yīng)當(dāng)高于總數(shù)的0.1%。所謂的缺陷海綿鈦實(shí)際上是指存在過燒問題的海綿鈦、有著顯著暗黃色以及亮黃色的鈦塊、高鐵與伴生元素海綿鈦等[7-9]。

2 鎂還原的工藝

通過鎂還原來制作海綿鈦，實(shí)際上就是借助鎂把四氯化鈦進(jìn)行還原，從而形成金屬鈦。這一過程涉及的化學(xué)反應(yīng)較多，而通過鎂將四氯化鈦還原的反應(yīng)方程式為：

3 海綿鈦生產(chǎn)鎂還原工藝的質(zhì)量控制措施

3.1 生產(chǎn)原料

在生產(chǎn)海綿鈦時(shí)，使用的材料是精鎂以及四氯化鈦，同時(shí)借助氬氣來進(jìn)行保護(hù)。試驗(yàn)表明，生產(chǎn)時(shí)借助氣體進(jìn)行保護(hù)可以讓純度超過80%，而不使用氣體保護(hù)則僅有75%左右，精四氯化鈦含有的一些雜質(zhì)將堆積在海綿鈦內(nèi)，而精鎂里的一些雜質(zhì)同樣會(huì)沉積在海綿鈦內(nèi)，進(jìn)而對(duì)海綿鈦質(zhì)量產(chǎn)生直接影響。除此之外，保護(hù)氣體存在的氮?dú)?、氧氣等雜質(zhì)也會(huì)對(duì)海綿鈦造成污染。所以，一定要確保精鎂和四氯化鈦純度。

在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，對(duì)生產(chǎn)原料和保護(hù)氣體進(jìn)行嚴(yán)格控制，是生產(chǎn)高品質(zhì)海綿鈦的前提[10-11]。在現(xiàn)實(shí)的生產(chǎn)中，可以借助真空抬包來制鎂，進(jìn)而減少原料里氮元素與氧元素的含量。想要降低運(yùn)輸過程中鎂所造成的污染，就必須對(duì)鎂進(jìn)行精煉與除雜，挑選合格且質(zhì)量精美的鎂。在購買四氯化鈦時(shí)，一定要通過氬氣來進(jìn)行保護(hù)，避免和空氣直接接觸。

3.2 加料速度

用鎂還原生產(chǎn)四氯化鈦時(shí)，四氯化鈦的加入速度直接決定還原速度，同時(shí)還會(huì)影響還原反應(yīng)的溫度和壓力，它與海綿鈦成長的結(jié)構(gòu)與質(zhì)量之間存在密切聯(lián)系。所以，在借助鎂進(jìn)行四氯化鈦還原時(shí)，可以將加料速度作為一個(gè)重要工藝參數(shù)。

反應(yīng)前期，剛開始加入四氯化鈦時(shí)，表面溫度較低，需要覆蓋較薄的氧化鎂，防止液鎂與四氯化鈦直接反應(yīng)。這一階段，四氯化鈦氣化后于器壁處發(fā)生反應(yīng)。部分未氣化的四氯化鈦落入液鎂里發(fā)生反應(yīng)，此時(shí)加料速度應(yīng)當(dāng)放慢，倘若速度過大，那么四氯化鈦可能不會(huì)完全反應(yīng)，還會(huì)出現(xiàn)加料管堵塞現(xiàn)象，進(jìn)而使壓力增大。其間會(huì)產(chǎn)生爬壁鈦，使得接觸面積變大，反應(yīng)速率增加。除此之外，液鎂表層產(chǎn)生的一些粉末態(tài)具有較強(qiáng)的活性，能夠和液鎂表面氧化膜發(fā)生作用，破壞氧化膜，繼而使液鎂暴露，此時(shí)的反應(yīng)速率便可到達(dá)最大值。這一時(shí)期可以適當(dāng)加快加料速度，讓反應(yīng)踏入中期，使鎂利用率達(dá)到5%左右。反應(yīng)初期產(chǎn)生的一些顆粒鈦將會(huì)破壞液鎂的氧化膜并沉降在反應(yīng)容器的底部，下沉?xí)r會(huì)吸附一些鎂雜質(zhì)，進(jìn)而對(duì)鎂進(jìn)行凈化，最終提升海綿鈦質(zhì)量。由于上述反應(yīng)的存在，所以前期反應(yīng)結(jié)束后可以靜置一段時(shí)間，讓海綿鈦顆?？梢猿浞殖恋怼?/p>

反應(yīng)中期，反應(yīng)速率和加料速度都最大，反應(yīng)較為劇烈，釋放大量熱，導(dǎo)致反應(yīng)帶的溫度很高，特別是反應(yīng)帶的中心部位溫度格外高，這時(shí)便需要將余熱排出并適當(dāng)控制加料速度。減緩加料速度能夠降低發(fā)熱量，減少引起海綿鈦過密的硬芯產(chǎn)生量，但是如果產(chǎn)能條件相同，可能會(huì)延長加料時(shí)間，提升鐵含量。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，加快加料速度不但可以提高產(chǎn)能，而且有助于精品海綿鈦形成，但是這時(shí)形成的產(chǎn)品結(jié)晶較大，內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為疏松，需要采取有效措施來進(jìn)行散熱處理，讓內(nèi)部保持正常的溫度梯度，防止出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)，進(jìn)而生產(chǎn)出質(zhì)量優(yōu)良、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的海綿鈦。

反應(yīng)中期，隨著鎂含量的逐漸減少，其擴(kuò)散愈發(fā)困難，想要讓后期反應(yīng)順利進(jìn)行，避免出現(xiàn)低價(jià)鈦，后期需要減緩四氯化鈦加料速度。在高溫條件下，海綿鈦和氯化鎂的導(dǎo)熱效率遠(yuǎn)低于鎂，會(huì)阻礙熱傳遞，大量熱無法經(jīng)過海綿鈦與氯化鎂，不能到達(dá)反應(yīng)器的中、下部位以及器壁，余熱聚集于反應(yīng)區(qū)或借助輻射形式傳播到大蓋底板上，讓海綿鈦燒結(jié)與底板溫度升高，加快底板腐蝕速度，使得海綿鈦的鐵含量增加。

3.3 還原溫度

通常，還原溫度為800～850 ℃。合理控制溫度，可以確保還原期間鎂與四氯化碳充分反應(yīng)，保證海綿鈦的燒結(jié)量和鐵含量不會(huì)因溫度較高而增加。對(duì)于海綿鈦的還原而言，溫度是一個(gè)極為關(guān)鍵的參數(shù)。

還原反應(yīng)是在密閉容器沒進(jìn)行，其間會(huì)釋放大量熱，出現(xiàn)一個(gè)溫度場(chǎng)，高溫區(qū)是反應(yīng)區(qū)，中心的最高溫度甚至能夠達(dá)到1 200 ℃，橫向與縱向均存在溫度梯度。海綿鈦在高溫條件下極易出現(xiàn)燒結(jié)，而鈦坨是其中最為致密的一部分，它主要是由于還原溫度過高而形成的，產(chǎn)品具有較大的密度。所以，要對(duì)還原溫度進(jìn)行嚴(yán)格控制，避免出現(xiàn)超溫現(xiàn)象。當(dāng)前，較為常見的一種散熱方法就是強(qiáng)有力的通風(fēng)，借助空氣流動(dòng)來降低溫度，最終讓反應(yīng)容器的器壁溫度控制在合理范圍內(nèi)。

3.4 鎂的利用效率

還原期間難免會(huì)出現(xiàn)低價(jià)鈦氯化物，會(huì)降低鈦回收率，低價(jià)鈦氯化物可能和空氣里的水分發(fā)生反應(yīng)，使其含氧量顯著增加。研究發(fā)現(xiàn)，充分反應(yīng)后，鎂利用效率為65%～70%，而未充分反應(yīng)時(shí)的利用效率僅有50%左右。除此之外，在進(jìn)行蒸餾時(shí)，低價(jià)鈦氯化物會(huì)出現(xiàn)歧化分解反應(yīng)，產(chǎn)生極易燃燒的細(xì)鈦粉，這些產(chǎn)物不但無法滿足相關(guān)要求，而且極易引起過熱現(xiàn)象甚至著火，使產(chǎn)品發(fā)生氧化和氮化，最終影響產(chǎn)品質(zhì)量。所以，還原期間要避免產(chǎn)生低價(jià)鈦氯化物。經(jīng)分析，出現(xiàn)低價(jià)鈦氯化物的主要原因是鎂量不足，所以，還原期間要保證有鎂投加量充足，使反應(yīng)完全進(jìn)行，通常應(yīng)加入過量50%或更多的鎂，而鎂利用率應(yīng)當(dāng)控制在65%～70%。

3.5 還原反應(yīng)容器的密閉性

在高溫條件下，海綿鈦和精鎂的活性都比較強(qiáng)，所以整個(gè)還原過程一定要在絕對(duì)封閉的環(huán)境中進(jìn)行。在完全封閉的反應(yīng)容器中進(jìn)行反應(yīng)時(shí)，反應(yīng)效率能超過95%，倘若反應(yīng)容器存在缺陷，便可能僅有80%左右，同時(shí)需要借助惰性氣體即氬氣來進(jìn)行保護(hù)，使得海綿鈦生產(chǎn)鎂還原過程可以在正壓環(huán)境下進(jìn)行。所以，一定要確保容器的密封性，并保證反應(yīng)過程中不會(huì)出現(xiàn)進(jìn)氣現(xiàn)象。

4 結(jié)語

海綿鈦生產(chǎn)鎂還原工藝的影響因素較多，想要生產(chǎn)出高質(zhì)量的海綿鈦，人們必須做到以下幾點(diǎn)。首先，要對(duì)四氯化鈦、鎂等原料進(jìn)行嚴(yán)格控制;其次，要將反應(yīng)帶置于通風(fēng)區(qū)域，防止溫度過高而出現(xiàn)不利影響;再次，要確保整個(gè)反應(yīng)過程在封閉環(huán)境中進(jìn)行;最后，要通過專業(yè)控制系統(tǒng)進(jìn)行操作，正確調(diào)節(jié)溫度、加料速度等。人們要合理控制各種影響因素，以提升我國海綿鈦生產(chǎn)鎂還原工藝水平。

參考文獻(xiàn)：

[1]周立國.海綿鈦生產(chǎn)中鎂還原工藝關(guān)鍵技術(shù)研究[D].昆明：云南大學(xué)，2016.

[2]李亮，李開華，苗慶東，等.海綿鈦生產(chǎn)過程還原周期影響因素研究[J].有色金屬（冶煉部分），2015（8）：27-30.

[3]安鴻浩.海綿鈦生產(chǎn)還原過程余熱回收試驗(yàn)研究[D].貴陽：貴州大學(xué)，2015.

[4]陸愛美，姜大志.簡析海綿鈦生產(chǎn)鎂還原工藝過程質(zhì)量控制措施[J].有色金屬設(shè)計(jì)，2014（1）：12-16.

[5]鄒建新.鎂熱法海綿鈦生產(chǎn)中還蒸過程反應(yīng)體系能量與傳熱分析[J].攀枝花科技與信息，2015（4）：26-34.

[6]陳浩，黎亮，胡付立，等.海綿鈦生產(chǎn)中鎂精煉的設(shè)備配置與工藝先進(jìn)性[J].云南冶金，2013（4）：43-46.

[7]張偉，馬文進(jìn).節(jié)能環(huán)保的低氧低氮海綿鈦生產(chǎn)工藝[J].環(huán)境保護(hù)與循環(huán)經(jīng)濟(jì)，2009（7）：47-48.

[8]姜寶偉，王建華，李宏偉.鎂法海綿鈦生產(chǎn)工藝中大型無隔板鎂電解槽的節(jié)能實(shí)踐[J].鈦工業(yè)進(jìn)展，2007（3）：42-44.

[9]狄偉偉，劉正紅，孫虎民.鎂還原四氯化鈦生產(chǎn)海綿鈦過程傳熱分析[J].鈦工業(yè)進(jìn)展，2011（1）：31-35.

[10]竇守花，吳復(fù)忠，高成濤.鎂熱法生產(chǎn)海綿鈦還原過程強(qiáng)制散熱研究[J].有色金屬（冶煉部分），2013（6）：22-25.

[11]高成濤，吳復(fù)忠，王文豪，等.鎂熱法生產(chǎn)海綿鈦還原熔池溫度場(chǎng)的分析[J].有色金屬（冶煉部分），2014（4）：22-25.