镁还原四氯化钛加料方式探讨与实践

盛远禄,陈 强

(遵义钛业股份有限公司,贵州遵义 563004)

镁还原四氯化钛加料方式探讨与实践

盛远禄,陈 强

(遵义钛业股份有限公司,贵州遵义 563004)

分析了目前镁还原四氯化钛生产海绵钛加料方式的现状,探讨并提出了新型加料方式,并在生产中进行了实践,取得了较好的成效。

海绵钛;还原;加料方式;探讨;实践

目前国内外从事海绵钛生产厂家几乎采用镁还原法(Kroll法),镁还原四氯化钛生成海绵钛是一个十分复杂的多相物理化学过程,其形成的海绵钛坨结构对蒸馏生产周期、能量消耗、产品质量都有着重要的影响[1]。要改善钛坨结构是一个复杂的问题,因为影响钛坨结构因素有加料的平稳性、反应液面的温度、余热散出的及时性等方面。其中料速的平稳性是控制还原过程中一个非常重要的参数,对加料平稳性进行合理的控制就可间接控制还原反应液面的温度等情况,减少钛坨在还原期间因反应液面某区域温度过高而导致海绵钛烧结,使钛坨结构疏松,从而达到改善产品质量。因此,镁还原四氯化钛加料方式的探讨对海绵钛生产有一定指导意义。

1 加料方式现状

镁还原四氯化钛生产海绵钛主要是将金属镁直接或先熔融后放进反应罐中,在惰性气体保护下不断地往反应罐中加入四氯化钛液体使之还原,加料点的位置已由事先在大盖上设计好的安装加料管的位置(一般设计在大盖的中心)而固定,而且加料装置大多是直管加料,在反应液面上就会形成加料点相对应液面位置周围的四氯化钛浓度较高,还原反应剧烈,放热速率加快,加之还原炉的特定结构,致使反应余热不能及时排除,使该位置的液面温度偏高,极容易造成该部位生成的海绵钛颗粒因温度高而烧结,包裹一定量的镁或氯化镁等物质,特别是大直径的反应设备较为明显。这就为后续的真空蒸馏工序造成了困难,使海绵钛中的一部分氯化镁等杂质很难被蒸馏除去[2],导致杂质含量偏高,影响产品质量。生产实践也表明,在钛坨中部形成含氯化镁等杂质的“夹心”钛就与海绵钛坨的结构有很大的关联性。

2 对原加料方式进行探讨与改进

所谓加料的平稳性,除了考虑加料的料速均匀外,还应考虑加料面的合理性。目前国内通过采用自动化控制加料方式可对料速进行有效控制,并取得了一定的成效;但对加料面进行探讨很少,国内曾经有厂家采用喷咀加料和四氯化钛雾化法加料,但效果不是很明显。针对加料面问题,文章采用在原加料直管的基础上进行优化改进,即在尽量不改变原有设备的基础上,将加料管出料口旁四周均匀开几个斜孔(槽),在出料口底部安装一个外径与加料管内径一致的圆柱锥体紧固,随着四氯化钛料速的大小和高位槽压力的高低经过锥体和斜孔(槽)引流使加料方式由原来的固定点加料变为移动的点线加料。使所加入的四氯化钛合理分布在反应液面上进行还原反应,这可减少反应热在加料点聚集而烧结海绵钛的现象。

2.1 开孔斜度和锥度

加料示意图如图1所示。

在加料管的出料口旁四周所开的斜孔(槽)的锥度应根据反应罐的有效反应液面的大小和反应器内的反应空间的高度来确定,可由下列公式得出:

式中α为加料斜孔(槽)的锥度角;L为有效反应液面的半径;h为反应器内的反应空间高度。

图1 加料示意图

由式(1)可以看出,开孔的斜度除与反应器内的反应高度有关外,还与反应罐的直径有关。确定L的大小应保证反应罐内壁的温度在产生Ti-Fe合金的温度以内。

2.2 开孔多少和斜孔径大小

在镁法海绵钛生产中,原料四氯化钛在还原期间高位槽的四氯化钛受氩气的保护时压力一般在几到几十千帕,液态四氯化钛的粘度见表1。

表1 液态四氯化钛的粘度

若加料管的开孔率太大,斜孔径大,所加的四氯化钛就不能分散或只从某几个斜孔(槽)分流出,所得到的海绵钛坨极不规则,达不到预期的目的;若开孔率太小或斜孔径小,就容易造成加料管堵塞。经过试验证明:开孔为3～8个、斜孔径为1～3 mm为宜。

2.3 管径大小的影响

在还原期间四氯化钛的加入情况是反应前期料速逐步提高,中期料速最大,后期又逐步减小的一个过程;但料速的大小受反应液面温度的限制,如加料管的内径太大,就达不到分流的效果;加料管的内径太小,容易造成加料管堵塞,导致压力大而破裂,一般采用内径20 mm的管子为宜。

3 验 证

在国内某厂通过采用改进的加料方式对四氯化钛进行还原生产实践,生产中与原单管加料方式安装方法一样,一套生产系统安装一根改进后的加料管就可达到多管加料方式的效果,同时还降低了劳动强度。

在还原过程中,所加的四氯化钛能在反应液面有效分散,充分与金属镁接触,使之反应完全,所产生的反应热不能在反应器内某局部聚集,减小了反应点与反应罐壁的温度差,减轻了生成的海绵钛被烧结而包裹镁或氯化镁等杂质的现象。还原出的海绵钛坨和海绵钛产品质量都得到了不同程度的改善。表2是在国内某厂同炉型的试验后与试验前几个重要参数的对比情况。

表2 试验前、后几个重要参数的对比情况

从表2的数据可以看出,试验后钛坨的高度比试验前增加了15.8%;产品中的杂质元素Cl含量减低了0.015%;产品的包装充装率提高了4%。产品质量得到了改善。

4 结 语

随着镁还原四氯化钛生产海绵钛的炉型大型化后,大型化炉型表现出了一些优越性,如能耗大幅度降低等,若采用单直管垂直加料,使反应器内的反应热在局部位置聚集,可能使该局部温度升高导致海绵钛烧结,增加了蒸馏生产的操作难度,最终影响产品质量。采用改进后的加料管生产与双管、多管加料方式相比,可以改善海绵钛产品的质量,同时还可降低生产劳动强度。

[1] 莫畏,邓国珠,罗方承.钛冶金[M].北京:冶金工业出版社, 1998.133-182.

[2] 孙康.钛提取冶金物理化学[M].北京:冶金工业出版社, 2001.136-137.

Abstract:It analyzes the current feeding methodsof TiCl4reduction by Mg for producing the titanium sponge,explores and proposes a new type of feeding method and puts in to practice in the production.

Key words:titanium sponge;reduction;feeding methods;discussion;practice

Discussion and Practice of Feeding Method of TiCl4Reduction by Mg

SHENG Yuan-lu,CHEN Qiang
(Zunyi Titanium Co.Ltd.,Zunyi563004,China)

TF822

A

1003-5540(2012)04-0039-02

2012-05-15

盛远禄(1978-),男,助理工程师,主要从事镁法海绵钛生

产工艺及管理工作。