降低海綿鈦生產(chǎn)中“U”型爐蒸餾管道堵塞率研究

張建安，陳勇，謝麗娟

（攀枝花鋼城集團(tuán)有限公司， 四川攀枝花 617000）

Kroll法是目前國(guó)內(nèi)外工業(yè)化生產(chǎn)海綿鈦的常用方法。全流程涉及TiCl4制備、MgCl2電解制鎂、還原-蒸餾和海綿鈦破碎等工藝環(huán)節(jié)［1］。鎂還原TiCl4、還原產(chǎn)物真空蒸餾是海綿鈦生產(chǎn)的關(guān)鍵工序，根據(jù)反應(yīng)器設(shè)備差異，分為倒“U”型和“I”型爐。倒“U”具有占地面積小，設(shè)備組裝方便等特點(diǎn)，目前爐型已被放大至13噸［2］。

工業(yè)上普遍采取真空蒸餾方法將還原反應(yīng)器內(nèi)剩余的Mg、MgCl2與Ti進(jìn)行分離［3-4］。倒“U”型爐真空蒸餾時(shí)，蒸餾器與冷凝器呈倒“U”型擺放，揮發(fā)蒸氣從蒸餾器進(jìn)入冷凝器，并于冷凝器的內(nèi)表面發(fā)生冷凝。但當(dāng)蒸餾工藝控制不當(dāng)時(shí)，蒸氣會(huì)在冷凝器入口端冷凝，最終堵塞蒸氣管道。當(dāng)通道堵塞后，一般需要人工疏通，進(jìn)而導(dǎo)致蒸餾效率降低、勞動(dòng)強(qiáng)度增加；另外，疏通過程需采用氬氣對(duì)蒸餾器進(jìn)行氣氛保護(hù)，因此頻繁的充氬操作也對(duì)海綿鈦質(zhì)量控制帶來(lái)了風(fēng)險(xiǎn)。為解決倒“U”型爐揮發(fā)蒸氣堵塞蒸餾管道問題，國(guó)內(nèi)外海綿鈦企業(yè)開展了大量摸索研究。田忠元等［5］在倒U型爐生產(chǎn)海綿鈦針對(duì)蒸餾豎管堵塞研究時(shí)提出使用排MgCl2管作為抽空管，以調(diào)控Mg、MgCl2氣體的流動(dòng)方向，并對(duì)冷凝器進(jìn)行均勻冷凝；舒煜等［6］在公開專利《一種海綿鈦生產(chǎn)中防真空通道堵塞的裝置及其工藝》中提出以MgCl2管作為抽空管，以免揮發(fā)的Mg、MgCl2于抽空管附近冷凝而堵塞蒸餾通道；張盤龍［7］等在公開專利《一種用于海綿鈦蒸餾的高溫疏通裝置》中提出采用機(jī)械疏通方式對(duì)蒸餾過道進(jìn)行定期疏通。

為有效解決倒“U”型蒸餾管道堵塞問題，本文作者在企業(yè)的5.5噸倒“U”型爐進(jìn)行了工藝優(yōu)化研究和實(shí)踐。

1 真空蒸餾原理及“U”型爐設(shè)備特點(diǎn)

鎂熱還原結(jié)束后，反應(yīng)器內(nèi)殘留有MgCl2和Mg。真空蒸餾基本原理為：在特定的壓力、溫度條件下，MgCl2、Mg與鈦的飽和蒸汽壓差異較大，在真空條件下可實(shí)現(xiàn)分離。實(shí)際生產(chǎn)中蒸餾器溫度一般控制850℃～1000℃［2］。

如圖1所示，蒸餾器與冷凝器呈倒“U”型布置，其通過中間過道進(jìn)行連接，冷凝器放置于盛有冷卻水的冷凝夾套內(nèi)，冷卻水從循環(huán)水進(jìn)口流入，從高出水口、低出水口流出。蒸餾器T型管橫管使用外加熱器進(jìn)行加熱；冷凝器T型管豎管處設(shè)置有內(nèi)加熱器，以便對(duì)進(jìn)入冷凝器內(nèi)的蒸氣進(jìn)行加熱；抽空管從冷凝器上方插入，其出口端與真空泵相連接。在真空蒸餾過程中，蒸餾器中揮發(fā)出的MgCl2、Mg蒸氣流經(jīng)T型橫管、T型豎管，最終冷凝于冷凝器內(nèi)表面。

圖1 倒“U”型爐結(jié)構(gòu)示意圖

2 蒸餾通道堵塞原因分析

為研究倒“U”型爐冷凝罐豎管頻繁堵塞原因，真空蒸餾結(jié)束后，觀察了冷凝器內(nèi)冷凝物的分布情況，如圖2所示。從圖2可知，冷凝器內(nèi)冷凝物分布具有如下特點(diǎn)：（1）冷凝器內(nèi)表面、冷凝器蓋子下表面、真空抽氣豎管外表面都冷凝有冷凝物；（2）冷凝物從真空抽氣豎管表面延伸至冷凝器T型豎管入口；（3）冷凝物主要凝結(jié)于冷凝器中上部（靠近罐蓋端），冷凝器中下部冷凝物較少。這表明：在真空蒸餾階段，冷凝器大蓋下表面、真空抽氣豎管表面成為揮發(fā)蒸氣的冷凝壁面；受蒸氣流動(dòng)路徑影響，進(jìn)入冷凝器內(nèi)的揮發(fā)蒸氣與冷凝器中下部壁面發(fā)生碰撞幾率低致冷凝效果不佳。

圖2 冷凝器內(nèi)冷凝物生長(zhǎng)及分布

圖3為典型爐子蒸餾時(shí)冷凝器內(nèi)溫度、蒸餾器真空度變化情況。從圖3可以看出：隨著蒸餾器的溫度逐漸升高，蒸餾器內(nèi)壓力逐漸升高，在真空蒸餾30小時(shí)左右壓力值達(dá)到最高；之后，蒸餾器內(nèi)壓力開始逐漸降低，最終降低至50Pa左右。這說明：在蒸餾前期（0～30小時(shí)），大量揮發(fā)蒸氣進(jìn)入冷凝器，Mg、MgCl2蒸氣大量冷凝，并放出大量潛熱，冷凝器內(nèi)溫度較高；然而，隨著蒸餾的進(jìn)行，進(jìn)入冷凝器內(nèi)的揮發(fā)蒸氣逐漸較少，冷凝器內(nèi)的溫度也顯著降低，并于蒸餾的80小時(shí)、115小時(shí)發(fā)生兩次豎管堵塞。堵塞時(shí)，冷凝器內(nèi)溫度、蒸餾器壓力分別為189℃、68Pa，183℃、50 Pa。

圖3 典型T型豎管堵塞爐子的真空度及冷凝器內(nèi)溫度

這表明，當(dāng)冷凝器溫度較高時(shí)，揮發(fā)蒸氣以氣相狀態(tài)通過T型豎管，蒸氣管道無(wú)堵塞；當(dāng)冷凝器溫度較低時(shí)，揮發(fā)蒸氣于T型豎管表明發(fā)生氣-固轉(zhuǎn)化，最終堵塞T型豎管。

3 蒸餾生產(chǎn)工藝條件改進(jìn)

3.1 MgCl2管抽空管改造和蒸餾初期提高抽速試驗(yàn)

基于上述分析，真空抽氣方式由原來(lái)的上抽改為從冷凝罐MgCl2管的下抽，可提高揮發(fā)蒸氣與冷凝器內(nèi)表面的碰撞頻率；同時(shí)將MgCl2管等效直徑從105mm提高到140mm，以降低真空管道流動(dòng)阻力。改造后，揮發(fā)蒸氣在冷凝器內(nèi)的運(yùn)動(dòng)路徑如圖3所示，改造后的生產(chǎn)實(shí)踐結(jié)果如表2所示，冷凝罐豎管堵管平均堵塞頻次由3.6次下降到1.9次，單爐最高堵塞次數(shù)≤3次。

3.2 冷凝器冷卻制度優(yōu)化試驗(yàn)

為保障揮發(fā)蒸氣不于T型豎管處冷凝為固相，應(yīng)降低蒸餾后的冷卻強(qiáng)度，以提高T型豎管出口處的溫度。在以上分析的基礎(chǔ)上，對(duì)冷凝器冷卻水進(jìn)出口位置進(jìn)行了優(yōu)化，在原冷卻水出水口上下300mm處增加了一組出水口（見圖4，4#和1#出水口），以調(diào)控冷凝器內(nèi)的溫度分布。在蒸餾30～60小時(shí)期間，采取4#高水位出口，并調(diào)大冷卻水流量至閥門開度為50%～60%，將大量冷凝物快速冷凝于冷凝器中下部。蒸餾90小時(shí)前后，調(diào)小冷卻水流量至閥門開度為10%～20%，并采取1#低水位出口，適當(dāng)提高T型豎管處溫度。圖4為典型試驗(yàn)爐子的蒸餾器內(nèi)真空度、冷凝器溫度優(yōu)化后變化情況，本試驗(yàn)爐次未發(fā)生豎管堵塞，與圖2對(duì)比，在蒸餾前30小時(shí)，蒸餾器內(nèi)最高壓力顯著下降；蒸餾30～90小時(shí)，冷凝器內(nèi)溫度顯著升高。這說明，在蒸餾前期加大冷凝器的冷卻強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了Mg、MgCl2蒸氣的高效冷凝；在蒸餾中后期，通過下調(diào)冷凝器的冷卻強(qiáng)度，冷凝器內(nèi)溫度提高，為Mg、MgCl2蒸氣以氣態(tài)通過T型豎管提供有利條件。優(yōu)化試驗(yàn)開展后，豎管口堵塞冷凝物明顯較少，疏通勞動(dòng)強(qiáng)度大幅下降。豎管堵塞次數(shù)≥2次的爐數(shù)占比下降到10%左右，未發(fā)生豎管堵塞次數(shù)的爐次數(shù)占比提高到50%，豎管平均堵管頻次下降到0.6次/爐。

圖4 抽空方式優(yōu)化前后蒸氣流動(dòng)路徑情況（a）優(yōu)化前，（b）優(yōu)化后

表1 真空管抽氣方式優(yōu)化前后冷凝器豎管堵塞情況

圖5 冷凝器冷卻制度優(yōu)化爐子的蒸餾器真空度、冷凝器溫度變化

4 結(jié)論

（1）T型豎管堵塞主要原因?yàn)镸g、MgCl2蒸氣在T型豎管處發(fā)生了氣固轉(zhuǎn)化，豎管堵塞主要受蒸氣流動(dòng)路徑、冷凝器內(nèi)溫度條件所影響。

（2）通過優(yōu)化真空管抽氣方式，增大抽空管直徑，揮發(fā)蒸氣在冷凝器內(nèi)的流動(dòng)路徑得到優(yōu)化，優(yōu)化后揮發(fā)蒸氣與冷凝器內(nèi)表面的碰撞頻率增高。通過優(yōu)化冷凝器冷卻水進(jìn)出口位置及冷卻器冷卻制度，Mg、MgCl2蒸氣以氣態(tài)通過T型豎管，并在冷凝器中下部冷凝。

（3）通過采取以上措施后，豎管堵塞問題得到有效解決。豎管堵塞次數(shù)≥2次的爐數(shù)占比下降到10%左右，未發(fā)生豎管堵塞次數(shù)的爐次數(shù)占比提高到50%，豎管平均堵管頻次下降到0.6次/爐。