海绵钛生产倒U型炉蒸馏竖管堵塞原因分析及解决措施的探讨

田忠元， 吕 涛， 李维舟

(金川集团股份有限公司， 甘肃 金昌 717300)

海绵钛生产倒U型炉蒸馏竖管堵塞原因分析及解决措施的探讨

田忠元， 吕 涛， 李维舟

(金川集团股份有限公司， 甘肃 金昌 717300)

分析了倒U型炉蒸馏竖管堵塞原因，借鉴了I型炉蒸馏特点，探讨了倒U型炉蒸馏竖管堵塞的解决措施。

倒U型炉； I型炉； 竖管堵塞

海绵钛工业生产中，镁还原—真空蒸馏法已占据主导地位，它是将钛矿物经过富集—氯化—精制制取四氯化钛，接着在惰性气体保护下用镁还原四氯化钛为海绵钛，然后进行真空蒸馏除去镁和氯化镁，最后经过成品处理得到海绵钛。其中，镁还原四氯化钛为海绵钛是一个复杂的化学反应过程，是海绵钛生产中最重要的一个环节[1]。

目前，国内外大型的钛冶金企业在镁还原四氯化钛的工艺上，均采用还原—蒸馏一体化工艺。还原—蒸馏一体化设备，分为倒“U”型炉和“I”型炉。

倒U型炉是还原、蒸馏过程均使用同一台还蒸炉，还原结束后将还原反应器和放入蒸馏冷凝器支桶之间的冷凝反应器用带阀门的管道连接而成，过道设有专门的过道加热装置，整体设备组成呈倒“U”型。

倒U型炉，目前主要普遍存在蒸馏周期长的问题，以8 t炉为例，国内目前蒸馏周期均在150～160 h之间。长时间的高温蒸馏对海绵钛的结构有很大的影响，导致海绵钛结构致密，氯根离子含量高，硬度升高，产品质量下降。

目前，日本倒U型炉海绵钛蒸馏周期仅为100 h，相对国内蒸馏周期150～160 h，缩短了近50～60 h，并且整个蒸馏期间，无需进行竖管疏通。算上竖管堵塞检查疏通的时间30～50 h，日本倒U型炉海绵钛生产周期相对于国内倒U型炉海绵钛的生产周期，仅在蒸馏这个环节就缩短了80～110 h。

国内倒U型炉蒸馏周期较长的主要原因就是在蒸馏过程中由于蒸馏竖管的堵塞，需要经常打开蒸馏竖管进行检查和疏通，每次中断蒸馏过程，都需要进行断电疏通，然后又需要升温，再恢复蒸馏，不仅导致生产周期长，更造成海绵钛的毛细孔多次收缩、膨胀，极易导致海绵钛毛细孔的烧结，不利于海绵钛蒸馏。

1 倒U型炉蒸馏竖管堵塞的物质

蒸馏竖管堵塞是困扰倒U型炉海绵钛蒸馏过程的一个关键技术难点，一直未能有效解决。目前，国内倒U型联合法海绵钛蒸馏过程可分为低恒温蒸馏(约900 ℃)和高恒温蒸馏阶段(约980 ℃)。蒸馏过程中，通过蒸馏过道，将产品罐内海绵钛中混杂的镁和氯化镁被蒸馏至冷凝罐内。蒸馏过道由热端竖管、横管及冷端竖管组成，冷端竖管首次堵塞一般在高恒温蒸馏10 h以后。直至高恒温120～130 h蒸馏结束的整个过程中，每次间隔15～20 h需检查竖管一次。

首次检查竖管时，一般的堵塞物质为镁，但也有镁和氯化镁同时存在的情况，这是由于蒸馏前期的挥发物质以镁为主，附带一定量的氯化镁造成的。高恒温前40 h，也就是前2～3次检查疏通竖管时，一般堵塞物质镁的比例会逐步下降，这一点在实际生产过程中可以清晰的看到。一般情况下，第4次检查竖管，也就是高恒温40 h后，堵塞物质基本上就是纯氯化镁，这与蒸馏中、后期挥发物质主要以氯化镁为主有关。

从以上生产的实际情况可以看出，堵塞物质的组份在蒸馏的前、中、后期存在明显变化，蒸馏前期(低恒温阶段)热端反应器中大量自由态镁和少量的氯化镁先挥发，当进入蒸馏中期(高恒温40 h以前)，大量镁和氯化镁开始挥发，蒸馏后期(高恒温40 h以后)，毛细孔中残留的氯化镁开始挥发。这与表1中镁和氯化镁的相对挥发度相一致。

表1 镁、氯化镁对钛的相对挥发度

2 冷凝器内镁和氯化镁分布

在实际生产过程中，通过定期对蒸馏竖管进行打开检查，蒸馏期间冷凝器内镁和氯化镁分布形态主要分为以下几个阶段。

(1)第一阶段，蒸馏前升温阶段，镁和氯化镁主要存留在产品罐中，主要由自由态的镁、氯化镁及吸附在海绵钛中的镁和氯化镁组成，见图1。

图1 蒸馏第一阶段示意图

(2)第二阶段，低恒温蒸馏(约900 ℃)期间，大量的挥发物进入冷凝罐，主要是大量自由态的镁及少量的氯化镁从产品罐挥发，冷凝至冷端反应器筛板、侧壁，见图2。

图2 蒸馏第二阶段示意图

(3)第三阶段，高恒温(约980 ℃)5～10 h，此过程，从产品罐挥发的自由态的镁与氯化镁量已经较少，除在反应器筛板及侧壁区域冷凝外，抽真空管上也粘结部分冷凝物，并逐步增多，冷凝物已经逐步向喇叭口靠近。此过程冷端竖管未堵塞，见图3。

图3 蒸馏第三阶段示意图

(4)第四阶段，高恒温(约980 ℃)10～20 h，此阶段开始在抽真空管上粘结的冷凝物与远离进水端反应器壁上的冷凝物开始搭桥相连，并逐步增厚，最后导致喇叭口堵塞，竖管堵死。此阶段堵塞物分为两种情况，一种堵塞处堵塞物为纯氯化镁，一种为氯化镁及镁的混合物。为纯氯化镁的较易疏通，为混合物的较难疏通，见图4。

图4 蒸馏第四阶段示意图

因前期形成堵塞后，无法完全清除抽真空处和靠热端侧壁的冷凝物，导致高恒温20 h以后，后期经常形成冷凝物在冷端竖管搭接堵塞蒸馏过道的现象，需约15～20 h疏通一次，如图5所示。

图5 蒸馏竖管堵塞疏通情况

3 竖管堵塞的原因分析

根据蒸馏期间，冷凝物分布的情况分析，蒸馏竖管堵塞原因有以下几点：

(1)抽真空管处于反应器中，无疑成为了冷凝物附着冷凝的基体，随着粘结的冷凝物与远离进水端反应器壁上的冷凝物开始搭桥相连，并逐步增厚，最后导致喇叭口堵塞，蒸馏竖管堵死。

(2)蒸馏期间，蒸馏过道由热端竖管，水平横管及冷端竖管组成。由于产品罐内温度较高及竖管设置有加热器，确保了热端竖管及竖管喇叭口附近，产品罐大盖底部，挥发物不在此处冷凝；水平横管和冷端竖管上部，因过道加热器确保竖管温度，在此处也不存在冷凝物。只有在蒸馏竖管喇叭口附近，冷凝罐大盖底部因没有足够热源的供给，这是造成冷凝物在此处形成堵塞的原因之一。

(3)由于抽真空管是插入在冷凝罐内的，气流进入冷凝反应器，有一定倾向于抽真空管的方向流动、冷凝，这使得气流不能均匀分布和冷凝在冷凝罐周边，不能充分利用冷凝罐内的空间，随着可利用的冷凝空间范围缩小，这也为冷凝物相互之间的搭桥提供了有利条件。

4 倒U型炉蒸馏竖管堵塞解决措施的探讨

4.1 国内I型炉蒸馏竖管堵塞情况

国内I型炉海绵钛生产企业，根据实际生产情况，I型炉海绵钛蒸馏期间不存在堵塞情况，整个蒸馏周期控制在100 h左右。I型炉缺点在于不能像倒U炉，不需要还原结束后，将产品罐从还原炉吊出，再吊入蒸馏炉与冷凝罐进行组装，而是，还原时，产品罐在还原炉内进行还原，还原结束后，需吊出冷却，再吊入蒸馏炉内与冷凝罐组装进行蒸馏。倒U型炉相比I型炉减少了中间环节，可降低吨钛电耗、缩短生产周期。但是，目前国内倒U型炉竖管堵塞问题的存在，并未体现出倒U型炉整体的技术优势。I型炉海绵钛蒸馏如图6所示。

1.抽真空管 2.筛板 3.冷凝器支桶 4.排氯化镁管 5.冷凝罐 6.保温层 7.隔热板 8.回水管 9.镁片 10.蒸馏炉 11.产品罐图6 I型炉蒸馏示意图

从图6中可以看到，I型炉抽真空时，产品罐加热后，堵塞在蒸馏通道的镁片和隔热板被加热挥发冷凝至冷凝罐内，气流整个走向是位于冷凝罐的中心位置，蒸馏期间，水流自上而均匀喷淋在冷凝罐底部周边，水流沿着冷凝罐侧壁流淌，对侧壁和底部周边形成较高的冷却强度，冷凝罐内中间的气流通道温度最高。温度梯度从中间向侧壁由高到低分布，冷凝物沿反应器侧壁及底部周边均匀分布，蒸馏通道一直辐射高温，不存在蒸馏通道堵塞的问题。

4.2 倒U型炉蒸馏竖管堵塞解决措施

根据倒U型炉的蒸馏竖管堵塞原因及I型炉冷凝物的分布情况，要解决竖管堵塞问题，必须解决两个问题：

改变倒U型炉抽真空气流走向，尽可能倾向I型炉的抽真空模式。

确保冷凝物均匀冷凝在冷凝罐侧壁和底部周边。

结合倒U炉的结构特点，可以通过以下措施对倒U型炉进行改造，确保改造后可以达到预定的效果。

(1)取消原倒U炉的抽真空管，倒U型炉还原结束后，将真空系统与倒U型炉中冷凝罐的排氯化镁管相连，通过排氯化镁管进行抽真空。这样可以保证冷凝罐内空间增大，并且没有冷凝物攀附的异物，不会形成搭桥的现象。因排氯化镁管上方有筛板，筛板上均匀分布的筛孔，可以更加均匀分布气流的走向，利于镁和氯化镁挥发进入冷凝罐后均匀的冷凝。

(2)原倒U型炉冷却水为下进水，上回水，共四个回水水位，根据蒸馏阶段不同，通过4个回水水位调节对冷凝罐不同位置的冷凝。整个冷凝罐冷却强度从进水位置至回水位置逐步减弱。而改为从氯化镁管进行抽真空后，要保证冷凝罐侧壁的冷却强度尽可能相同，保证冷凝物能够均匀的冷却在冷凝罐的侧壁上。因此，对放置冷凝罐的冷凝器支桶进行改造，在冷凝罐侧壁自上而下均匀设置多个进水点，通过每个进水点内置在冷凝罐内的盘形管喷淋器将水喷淋在冷凝罐侧壁。

(3)通过以上措施的改进，可以预计将大大改善甚至解决蒸馏竖管堵塞的现象，改造后冷凝物分布情况如图7所示。

图7 改造后冷凝物分布情况

5 结语

综上所述，通过倒U型炉蒸馏竖管堵塞的原因分析，借鉴I型炉的生产特点，改变目前传统倒U型炉的抽真空方式和冷凝器结构，是一种较好的解决措施和研究方向。

[1] 莫畏，邓国珠，罗方承.钛冶金[M].北京：冶金工业出版社，1998.

Reasons Analysis and Exploration of the Measures to Solve Distillation Standpipe Blocking of Inverted “U” Type Furnace in Titanium Sponge Production

TIAN Zhong-yuan，LV Tao，LI Wei-zhou

The paper analyses the reasons of distillation standpipe blocking of inverted “U” type furnace, uses for reference to distillation characteristics of “I” type furnace, discusses the measures to solve distillation standpipe blocking of inverted “U” type furnace blocking.

inverted “U” type furnace； “I” type furnace； standpipe blocking

2015-02-16

田忠元(1974-)，男，甘肃武威人，工程师，大学本科，主要从事冶金化工技术管理工作，现任职金川集团股份有限公司建设项目评审专家委员会。

TF823

A

1003-8884(2015)03-0001-04