海绵钛生产镁还原工艺过程质量控制措施

许虎诚

摘 要：在生产海绵钛时，还原工艺是极为重要的一道工序，它对于海绵钛最终的质量具有重要影响。本文对影响海绵钛生产质量的因素（如还原温度、生产材料、镁利用效率、加料速度、设备密封性等）进行全面分析，并对海绵钛生产过程中镁还原工艺质量的控制进行深入研究，希望能够为相关人员提供一定建议。

关键词：质量控制;海绵钛;生产;镁还原工艺

中图分类号：TF823文献标识码：A文章编号：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

最近几年，国内外海绵钛行业竞争愈发激烈，导致海绵钛产能出现过剩现象。只有不断提高海绵钛质量，海绵钛生产企业才可以生存，才可以持续发展。本文以实际生产经验与相关专业资料为基础，对海绵钛还原生产过程中的质量控制进行分析，并提出有效建议。

1 海绵钛质量的要求

在对金属钛进行生产与精炼时，海绵钛是必不可少且极为基础的一种原料。把海绵钛进一步精炼，人们能够制造钛锭、钛棒等诸多金属型钛材;通过机械化设备对海绵钛进行研磨后，能够制作钛粉末[1-3]。当前，钛粉末大多用作镀膜材料，在机械表面处理中得到广泛的应用[4-6]。我国对海绵钛质量也做出了相关规定。

1.1 产品的分类

目前，按照化学成分与布氏硬度，海绵钛可以分成6种牌号，分別是MHT-100、110、125、140、160以及200，其化学成分（质量分数，%）与布氏硬度如表1所示。

1.2 粒度

对于粒度为0.83～25.4 mm的海绵钛产品，其粒度是0.83～25.4 mm的数量应大于总批次数量的90%，小于0.83 mm的产品数量应低于产品总数的5%，而大于25.4 mm的产品数应小于总数的5%。制造商与购买厂家可以通过合同形式来对产品的粒度进行调整与约定。

1.3 外观质量

首先，产品应当是浅灰色的呈海绵状的金属，表面较为清洁，不存在肉眼可见大小的杂质。其次，产品里存在缺陷的数量不应当高于总数的0.1%。所谓的缺陷海绵钛实际上是指存在过烧问题的海绵钛、有着显著暗黄色以及亮黄色的钛块、高铁与伴生元素海绵钛等[7-9]。

2 镁还原的工艺

通过镁还原来制作海绵钛，实际上就是借助镁把四氯化钛进行还原，从而形成金属钛。这一过程涉及的化学反应较多，而通过镁将四氯化钛还原的反应方程式为：

3 海绵钛生产镁还原工艺的质量控制措施

3.1 生产原料

在生产海绵钛时，使用的材料是精镁以及四氯化钛，同时借助氩气来进行保护。试验表明，生产时借助气体进行保护可以让纯度超过80%，而不使用气体保护则仅有75%左右，精四氯化钛含有的一些杂质将堆积在海绵钛内，而精镁里的一些杂质同样会沉积在海绵钛内，进而对海绵钛质量产生直接影响。除此之外，保护气体存在的氮气、氧气等杂质也会对海绵钛造成污染。所以，一定要确保精镁和四氯化钛纯度。

在实际的生产过程中，对生产原料和保护气体进行严格控制，是生产高品质海绵钛的前提[10-11]。在现实的生产中，可以借助真空抬包来制镁，进而减少原料里氮元素与氧元素的含量。想要降低运输过程中镁所造成的污染，就必须对镁进行精炼与除杂，挑选合格且质量精美的镁。在购买四氯化钛时，一定要通过氩气来进行保护，避免和空气直接接触。

3.2 加料速度

用镁还原生产四氯化钛时，四氯化钛的加入速度直接决定还原速度，同时还会影响还原反应的温度和压力，它与海绵钛成长的结构与质量之间存在密切联系。所以，在借助镁进行四氯化钛还原时，可以将加料速度作为一个重要工艺参数。

反应前期，刚开始加入四氯化钛时，表面温度较低，需要覆盖较薄的氧化镁，防止液镁与四氯化钛直接反应。这一阶段，四氯化钛气化后于器壁处发生反应。部分未气化的四氯化钛落入液镁里发生反应，此时加料速度应当放慢，倘若速度过大，那么四氯化钛可能不会完全反应，还会出现加料管堵塞现象，进而使压力增大。其间会产生爬壁钛，使得接触面积变大，反应速率增加。除此之外，液镁表层产生的一些粉末态具有较强的活性，能够和液镁表面氧化膜发生作用，破坏氧化膜，继而使液镁暴露，此时的反应速率便可到达最大值。这一时期可以适当加快加料速度，让反应踏入中期，使镁利用率达到5%左右。反应初期产生的一些颗粒钛将会破坏液镁的氧化膜并沉降在反应容器的底部，下沉时会吸附一些镁杂质，进而对镁进行净化，最终提升海绵钛质量。由于上述反应的存在，所以前期反应结束后可以静置一段时间，让海绵钛颗粒可以充分沉淀。

反应中期，反应速率和加料速度都最大，反应较为剧烈，释放大量热，导致反应带的温度很高，特别是反应带的中心部位温度格外高，这时便需要将余热排出并适当控制加料速度。减缓加料速度能够降低发热量，减少引起海绵钛过密的硬芯产生量，但是如果产能条件相同，可能会延长加料时间，提升铁含量。试验发现，加快加料速度不但可以提高产能，而且有助于精品海绵钛形成，但是这时形成的产品结晶较大，内部结构较为疏松，需要采取有效措施来进行散热处理，让内部保持正常的温度梯度，防止出现不稳定状态，进而生产出质量优良、结构稳定的海绵钛。

反应中期，随着镁含量的逐渐减少，其扩散愈发困难，想要让后期反应顺利进行，避免出现低价钛，后期需要减缓四氯化钛加料速度。在高温条件下，海绵钛和氯化镁的导热效率远低于镁，会阻碍热传递，大量热无法经过海绵钛与氯化镁，不能到达反应器的中、下部位以及器壁，余热聚集于反应区或借助辐射形式传播到大盖底板上，让海绵钛烧结与底板温度升高，加快底板腐蚀速度，使得海绵钛的铁含量增加。

3.3 还原温度

通常，还原温度为800～850 ℃。合理控制温度，可以确保还原期间镁与四氯化碳充分反应，保证海绵钛的烧结量和铁含量不会因温度较高而增加。对于海绵钛的还原而言，温度是一个极为关键的参数。

还原反应是在密闭容器没进行，其间会释放大量热，出现一个温度场，高温区是反应区，中心的最高温度甚至能够达到1 200 ℃，横向与纵向均存在温度梯度。海绵钛在高温条件下极易出现烧结，而钛坨是其中最为致密的一部分，它主要是由于还原温度过高而形成的，产品具有较大的密度。所以，要对還原温度进行严格控制，避免出现超温现象。当前，较为常见的一种散热方法就是强有力的通风，借助空气流动来降低温度，最终让反应容器的器壁温度控制在合理范围内。

3.4 镁的利用效率

还原期间难免会出现低价钛氯化物，会降低钛回收率，低价钛氯化物可能和空气里的水分发生反应，使其含氧量显著增加。研究发现，充分反应后，镁利用效率为65%～70%，而未充分反应时的利用效率仅有50%左右。除此之外，在进行蒸馏时，低价钛氯化物会出现歧化分解反应，产生极易燃烧的细钛粉，这些产物不但无法满足相关要求，而且极易引起过热现象甚至着火，使产品发生氧化和氮化，最终影响产品质量。所以，还原期间要避免产生低价钛氯化物。经分析，出现低价钛氯化物的主要原因是镁量不足，所以，还原期间要保证有镁投加量充足，使反应完全进行，通常应加入过量50%或更多的镁，而镁利用率应当控制在65%～70%。

3.5 还原反应容器的密闭性

在高温条件下，海绵钛和精镁的活性都比较强，所以整个还原过程一定要在绝对封闭的环境中进行。在完全封闭的反应容器中进行反应时，反应效率能超过95%，倘若反应容器存在缺陷，便可能仅有80%左右，同时需要借助惰性气体即氩气来进行保护，使得海绵钛生产镁还原过程可以在正压环境下进行。所以，一定要确保容器的密封性，并保证反应过程中不会出现进气现象。

4 结语

海绵钛生产镁还原工艺的影响因素较多，想要生产出高质量的海绵钛，人们必须做到以下几点。首先，要对四氯化钛、镁等原料进行严格控制;其次，要将反应带置于通风区域，防止温度过高而出现不利影响;再次，要确保整个反应过程在封闭环境中进行;最后，要通过专业控制系统进行操作，正确调节温度、加料速度等。人们要合理控制各种影响因素，以提升我国海绵钛生产镁还原工艺水平。

参考文献：

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