镁法海绵钛生产能耗分析及节能措施

岑春铁 王再军

贵州遵钛集团

镁法海绵钛生产能耗分析及节能措施

岑春铁 王再军

贵州遵钛集团

国内外海绵钛生产主要是镁还原-真空蒸馏法(又称Kroll法或联合法)，其中还原--蒸馏和镁电解是两个主要耗能工序。我国在钢铁和其他高能耗企业的余热回收利用方面都已进行了卓有成效的工作，但对海绵钛还原过程的余热资源并未进行回收利用。

海绵钛；能耗；分析；新技术

目前，镁热还原法(克劳尔法)技术成熟，产品质量好，但该法生产流程长，能耗高，海绵钛成本高，成为限制海绵钛使用范围的瓶颈。研究海绵钛生产过程热量平衡对于还原反应过程节能具有一定的指导作用，对于降低海绵钛成本，扩大海绵钛使用范围具有重要意义。

1 镁热法还原钛的主要规律

关于镁热法还原钛的主要规律，相互作用机理的复杂性，在TiCl4变成金属钛之前，或者结束该过程时，都有附着、蒸发、冷凝、扩散、溶解和结晶的物理过程，其放热性、动力学的不均衡性和还原的周期性，对于研究它的机理带来很大困难。

研究TiCl4与镁相互作用的机理，应该首先确定可能进行反应的范围和它们的次序，如果相互作用是分段进行，就要规定出还原阶段的限定条件，来研究还原的机理。可以认为生成全属钛呈海绵状，是气态TiCl4与液体镁相互作用的结果，或者是冷凝相互作用的结果。有文献否认了在一般采用的镁热法还原过程中，反应物在气相中相互作用的可能性，认为只有在熔融的镁液面上加入TiCl4才能反应，组份在气相中作用的优势，只有当镁的利用率达60%～80%之后，也就是在过程的末期，此时它的反应速度才开始下降。相反，气相中的相互作用仅发现在过程的开始阶段，此时，在加TiCl4之前反应空间有镁蒸气。也有文献认为，在还原过程的一定条件下，反应物在气相中相互作用较为突出。

2 海绵钛还原过程余热利用

2.1 优化还原加热制度

优化温度控制工艺降低电耗还原电炉炉腔内温度采用四区控制(从炉顶至炉底分别为1、2、3、4区)，反应界面介于1区和2区之间，每区设有电热装置，由于各区工艺要求不同，各区的温度设置范围及加热时段有所不同。跟踪生产过程发现，还原过程中各区温度控制不合理，主要体现为：(1)还原各区之间无明显温度梯度，氯化镁与镁分层效果差;(2)还原1区和2区控制的最低温度较高，导致该区域加热装置工作时间延长，电耗增大;(3)3区和4区温度偏低，底部物料粘度大，影响排料。此针对还原加热过程中存在的问题对还原加热工艺参数进行了优化调整。

加热制度优化后，充分利用了还原反应热，减少了由冷却烟气带走的热量损失，同时减少了电阻丝的启动频率，降低了设备故障率。数据统计发现，还原加热制度优化后，吨海绵钛电耗降低了310kWh。

2.2 减少设备故障率，缩短间歇时间

海绵钛生产是间歇过程，间歇时间过长或者生产安排不合理，造成生产周期延长，设备在间歇过程中冷却，造成热量散失，能耗增大。

(1)产能为7.5t/炉的还原罐排出的热态氯化镁温度从900℃下降到500℃的热量损失高达2.34×107kJ，折合电耗为6486kWh，吨海绵钛电耗为864.51kWh，增加海绵钛成本。

(2)由于设备故障需要停炉操作时，炉体冷却后重新升温会增加电耗，同时增大间歇时间。若生产安排合理，还原电炉温度可保持在600℃左右，较之电炉温度为300℃时可节约电能2.04×106kJ/h，占加热期间总电耗的6.88%，因此在生产中要注意电炉的保温，同时保证生产的连续性，缩短间歇时间。

2.3 还蒸工序

还蒸工序是海绵钛生产的关键工序，其工艺是在880～950℃下的氩气气氛中，让四氯化钛与金属镁进行反应得到海绵状的金属钛和氯化镁，用真空蒸馏除去海绵钛中的氯化镁和过剩的镁，从而获得纯钛，剩余的液体镁作为生产原料使用，还原产生的氯化镁则经电解回收镁和氯气。镁热还原-真空蒸馏法生产海绵钛分为还原-蒸馏设备分离法和联合法，联合法还蒸设备分为I型炉(半联合法)和倒U型炉。

(1)I型炉：优点是设备结构简单、易操作，产品疏松度好；缺点是在蒸馏结束后需同时吊起两个反应器，对天车吨位、厂房标高要求高；反应器在安装、拆卸时需翻转180°，因吨位大而翻转困难。一般为3--4t/炉，最大为7.5t/炉。

(2)倒U型炉：缺点是连接两反应器的过渡管需加热，并需解决热胀冷缩问题，结构复杂，操作要求仔细；优点是两反应器可分别吊装。倒U型法有利于设备大型化，可进一步扩大单炉产能。目前国内最高已达8t/炉，准备扩大到10t/炉，12t/炉也已通过鉴定。

提高还原过程的散热能力是强化工艺条件的主要途径，应努力探索新的方法，拓展还原过程散热途径，从而缩短还原过程的生产周期，有效的发挥现有设备的潜能，也是企业提高技术水平的必经之路。

[1] 莫畏等编.钛冶金[M].北京：冶金工业出版社,1998

[2] 叶大伦编.实用无机热力学数据手册[M].北京：冶金工业出版社,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