海绵钛真空蒸馏过程中Ⅰ型炉蒸馏通道堵塞原因分析与控制.pdf

4 0 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．o n 2 0 1 5 年第1 0 期 d o i l O ．3 9 6 9 ／J ．i s s n ．1 0 0 7 7 5 4 5 ．2 0 1 5 ．1 0 ．0 11 海绵钛真空蒸馏过程中工型炉蒸馏通道 堵塞原因分析与控制 盛卓，李开华，苗庆东，李亮，程晓哲 攀钢集团研究院有限公司，钒钛资源综合利用国家重点实验室，四川攀枝花6 1 7 0 0 0 摘要对I 型炉海绵钛生产过程中蒸馏设备特点和蒸馏操作工艺进行了介绍，分析了蒸馏通道堵塞原因 并提出了相应的控制方法。蒸馏通道堵塞的主要原因是泵的有效抽速与镁和氯化镁挥发量不匹配、真 空蒸馏系统气密性不良、蒸馏罐与冷凝器间温度梯度控制不合适。 关键词海绵钛；真空蒸馏；通道堵塞 中图分类号T F 8 2 3文献标志码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 5 1 0 0 0 4 0 0 4 A n a l y s i sa n dC o n t r o lo fI n t e r m e d i a t eC h a n n e l sB l o c k a g ed u r i n gI _ f u r n a c e V a c u u mD i s t i l l a t i o nP r o c e s si nT i t a n i u mS p o n g eP r o d u c t i o n S H E N GZ h u o ，L IK a i h u a ，M I A OQ i n g d o n g ，L IL i a n g ，C H E NX i a o z h e P a n g a n gG r o u pR e s e a r c hI n s t i t u t eC o ．，L t d ．，S t a t eK e yL a b o r a t o r yo f V a n a d i u ma n dT i t a n i u mR e s o u r c e sU t i l i z a t i o n ，P a n z h i h u a6 1 7 0 0 0 ，S i c h u a n ，C h i n a A b s t r a c t C h a r a c t e r i s t i c so fv a c u u md i s t i l l a t i o ne q u i p m e n ta n do p e r a t i o np r o c e s s e sw e r ei n t r o d u c e dw h e n 工一t y p ef u r n a c ew a sa p p l i e dt op r o d u c et i t a n i u ms p o n g e ．C a u s e so fi n t e r m e d i a t ec h a n n e l sb l o c k a g ew e r e a n a l y z e da n dc o r r e s p o n d i n gc o n t r o l l i n gm e a s u r e m e n t sw e r ep u tf o r w a r d ．T h em a i nc a u s e so fi n t e r m e d i a t e c h a n n e l sb l o c k a g ei n c l u d em i s m a t c h i n gb e t w e e ne f f e c t i v ep u m p i n gs p e e da n dv o l a t i l i z a t i o nq u a n t i t yo f m a g n e s i u ma n dm a g n e s i u mc h l o r i d e ，p o o rt i g h t n e s so f v a c u u ms e p a r a t i o ns y s t e m ，a n di n a p p r o p r i a t e t e m p e r a t u r eg r a d ec o n t r o lb e t w e e ns e p a r a t i o nv e s s e la n dc o n d e n s e r ． K e yw o r d s t i t a n i u ms p o n g e ；v a c u u md i s t i l l a t i o n ；i n t e r m e d i a t ec h a n n e l sb l o c k a g e K r o l l 法[ 1 3 是工业上生产海绵钛的主要方法，目 前海绵钛生产所使用的还原一蒸馏设备有I 型炉和 倒U 型炉两种[ z 4 ] 。在I 型炉的蒸馏过程中，如果 工艺操作不合适，蒸馏通道将出现堵塞现象，发生堵 塞的蒸馏罐势必要进行回炉处理。回炉的蒸馏罐在 再次装卸时未蒸馏结束的海绵钛难免与空气发生接 触；并且通道堵塞后，海绵钛毛孔中的镁、氯化镁、低 价钛氯化物很难蒸发分离，最终被烧结的毛孔所包 裹，导致回炉蒸馏罐内镁和氯化镁的真空分离难度 加大。因此，蒸馏回炉罐产品质量一般较差[ 5 。1 0 | 。 另外，在装卸蒸馏回炉罐时蒸馏罐中未蒸发的低价 钛的氯化物在空气中极易燃烧，也会给生产造成安 全隐患。 I 型炉蒸馏设备及蒸馏工艺 在真空条件下，镁和氯化镁比钛的挥发度大，因 收稿日期2 0 1 5 0 3 1 9 基金项目国家重点基础研究发展计划 9 7 3 计划 项目 2 0 1 3 C B 6 3 2 6 0 6 1 作者简介盛卓 1 9 8 9 一 ，男，辽宁海城人，硕士，工程师． 万方数据 2 0 1 5 年第1 0 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．o n 4 1 此可用真空蒸馏的方法将蒸馏罐内的镁和氯化镁同 海绵钛进行分离Ⅲ] 。图1 是I 型炉海绵钛生产的 蒸馏设备示意图。 活底 格栅 真空系统 连接管 高温挡板 褰馏帽 图1 I 型炉蒸馏设备示意图 F i g ．1 S c h e m a t i cd i a g r a mo fI - t y p e d i s t i l l a t i o ne q u i p m e n t 为了保证镁和氯化镁能够在蒸馏罐中较好的蒸 发，并且蒸发物能够在冷凝罐中部冷却。在蒸馏罐 和冷凝罐中间部位设计一个高温挡板，并且在冷凝 罐上部设计冷却水喷头对冷凝罐进行强制冷却。在 转蒸馏过程中为了防止组装蒸馏罐过程还原罐内物 质与空气接触，组装时在还原罐盖口上铺设一定厚 度镁板。在生产中冷凝罐在蒸馏结束后将被用作还 原罐，因而在组装蒸馏罐之前格栅和活底已被焊在 冷凝罐上部[ 1 引。 在蒸馏生产中，首先将气密性合格的组装蒸馏 罐放置在具有反真空系统的电炉中进行加热，并且 同时对上部冷凝罐进行抽真空操作。当上部达到设 定真空度后再对下部蒸馏罐进行抽空，同时将冷凝 罐上部喷淋水打开。当蒸馏通道打开后调节喷淋水 流量，将喷淋水温度控制在合适范围内。为了防止 上部冷凝罐内气体污染蒸馏罐内海绵钛，必须先对 上部冷凝罐进行抽空，再对下部蒸馏罐进行抽空操 作。蒸馏罐内有大量的镁、氯化镁及少量低价钛的 氯化物，由于各物质的含量及熔点不同，并且大量镁 及氯化镁需扩散到海绵钛表面才能被蒸出，因此蒸 馏前期蒸发的主要是处在海绵钛表面及蒸馏罐底部 的镁与氯化镁，而高恒温阶段蒸发的主要是海绵钛 毛孔中镁、氯化镁和蒸馏罐内低价钛的氯化物口3 | 。 2 蒸馏通道堵塞原因分析与控制 在海绵钛生产的蒸馏过程中，冷凝罐内压力P 变化可用下式[ I 4o 表示 V d d P ￡ - - S 。 Q 1 其中，S 。为真空泵的有效抽速；V 为真空容器 体积；Q 为真空容器的气流量。 气流量Q 等于容器内物质挥发量、容器漏气量、 容器渗气量和容器内固有气体量之和，S 。与管道流 导C 、泵的抽速S 。之间满足以下公式 S 。一C ／ 1 C ／S 。 2 而P Q ／s 。 由此可知，泵的有效抽速、镁和氯化镁挥发量 蒸馏负荷 、蒸馏罐的渗气量和漏气量都将影响蒸 馏系统真空度。由于I 型炉蒸馏通道堵塞与蒸馏系 统真空度和温度控制有关，即蒸馏通道堵塞与有泵 的有效抽速、蒸馏罐内镁和氯化镁挥发量 蒸馏负 荷 、蒸馏系统气密性、喷淋水和加热炉温度等参数 控制相关。 在将还原罐内的氯化镁经高恒温排放之后，组 装后的蒸馏罐内各物质的质量百分数大致如下 ％ T i5 0 ～6 0 、M g3 0 ～3 6 、M g C l 26 ～1 2 。表1 是 国内某企业7 ．5tI 型炉蒸馏通道堵塞炉次生产情 况统计表。 从表1 数据可以看出，通道堵塞炉次的馏罐内 氯化镁和镁残余量比设计值 4 ．5 ～7 ．2t 大，超重 的转蒸馏罐在蒸馏过程中易发生蒸馏通道堵塞，这 是由于蒸馏罐内挥发物气流量较大引起的，这也与 上面公式讨论结果完全一致。由数据统计可知，转 蒸馏罐内残留镁及氯化镁质量之和在8t 以上的炉 数分别占蒸馏通道堵塞炉总数和正常炉总数的 4 2 ．9 ％和2 1 ．9 ％。转蒸馏操作时组装蒸馏罐的气 密性是体系漏气和渗气速率的表征，从数据统计可 知，漏气大于0 ．2 7P a ／m i n 的转蒸馏炉数分别占蒸 馏通道堵塞炉总数和正常炉总数的5 0 ．0 ％和 2 5 ．4 ％。从蒸馏系统的预抽高真空度可知，通道堵 塞炉次的真空泵的抽气能力明显不足。此类通道堵 塞是由于有效抽速与镁和氯化镁挥发量不相匹配和 真空蒸馏系统气密性不良导致的。因此，应一方面 降低真空管道的流导，另一方面提高真空泵的保障 力度，定期对真空泵泵油进行更换，检测并保证真空 泵冷却水温度，规定真空泵的下限标准。为了有效 降低蒸馏罐内的挥发气流量，还原过程应控制金属 万方数据 4 2 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 5 年第1 0 期 镁的利用系数，还原结束后应将还原罐内氯化镁尽保障也很重要，应及时发现漏点并处理。 量排净。除此之外，蒸馏过程中真空系统气密性的 表1 蒸馏通道堵塞炉次生产统计 T a b l e1P r o d u c t i o ns t a t i s t i co fi n t e r m e d i a t ec h a n n e l sb l o c k a g e 炉次 转蒸 馏量／t 冷凝氯 化镁／t 堵塞 时间／h 转蒸馏罐气密 性／ P a r a i n l 蒸馏系统预抽 真空度／P a 在真空蒸馏生产过程中，蒸馏罐同冷凝罐间的 温度梯度与加热电炉各区控制温度、喷淋水控制温 度有关。在蒸馏过程中应当控制蒸发物在冷凝罐中 部发生冷却，因此对冷凝罐中部进行冷却水喷淋是 最理想的。但在一区温度偏高、喷淋水温度偏高的 情况下，挥发物会在冷凝罐上部发生冷凝，甚至会在 格栅或上部真空管道中冷却，造成冷凝罐内上部管 道形成假真空；并且此种情况下，在冷凝罐中下部冷 凝的挥发物将会以液态发生回流，最终将高温挡板 中间的蒸馏通道堵塞，最终蒸发物在冷凝罐内的分 布如图2 a 所示。在一区温度偏低、喷淋水温度偏低 的情况下，冷凝物将在冷凝罐中下部冷凝，逐渐使蒸 馏通道变小，最终也会将蒸馏通道堵塞，此时冷凝物 的分布如图2 b 所示。因此蒸馏罐与冷凝器间温度 梯度控制不合适也将导致蒸馏通道堵塞。 喷淋水开关时间、前期喷淋水流量 镁板熔化之 前 、蒸馏罐前期预热时间 镁板熔化之前 也会对蒸 馏通道堵塞造成影响。如今蒸馏过程一区温度控制 在9 5 0 ～9 9 0 ℃，喷淋水温度在4 5 ～7 0 ℃。图3 是 此工艺条件下通道打开时蒸馏罐上部压力值。 从图3 可知，通道打开时蒸馏罐上部压力值较 高。从实际生产中蒸馏通道打开后蒸馏罐上部压力 的变化情况得知，在通道开后的大约半小时时间里 蒸馏罐上部压力高于大气压，此时在通道打开后的 一段时间内冷凝罐内的挥发物没有被较好冷却。图 4 是此工艺条件下蒸馏通道堵塞炉次关闭喷淋水时 图2 通道堵塞时的冷凝物分布 F i g ．2 D i s t r i b u t i o no fc o n d e n s a t i o np r o d u c t w h e nb l o c k a g eh a p p e n s 3 6h 蒸馏罐下部压力图。 从图4 可看出，蒸馏通道堵塞炉次在关闭喷淋 水时蒸馏罐内挥发气流量依然很大。对通道堵塞堵 死的时间分析知，多数炉次蒸馏通道在4 0 ～7 0h 堵 死，即在高挥发阶段蒸馏通道就发生了堵塞，因此可 以断定喷淋水喷淋时间对通道堵塞也有影响，在实 际生产中可以根据具体的生产情况来确定喷淋水的 喷淋时间。蒸馏罐前期预热时间对通道打开时蒸馏 罐内的起始气流量有直接关系，当起始气流量较大 舵眈踮∞眈髂卵均叭n％铝％跎 O 7 1 9 1 l O O 0 9 O 3 1 7 ∞驵弘n∞0诣伯0∞踮弱0踮疑一卯卯盯孙∞铝们∞丌弘譬；矾娼∞踟镁一∽如粥铊汕仙粥 万方数据 2 0 1 5 年第1 0 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 4 3 产品批号 图3 通道打开时冷凝罐上部压力 F i g ．3U p w a r dp r e s s u r eo fc o n d e n s e rw h e n m a g n e s i u mp l a t eb r a k e 肇 骥 出 1 1 2 1 1 1 2 5 1 1 2 61 1 4 41 1 5 6 1 5 - - 4 1 鼬9 1 5 - 5 9 1 5 _ 1 2 4 产品批号 图4 关闭喷淋水时 3 6h 蒸馏罐下部压力 F i g ．4 D o w n w a r dp r e s s u r eo fs e p a r a t i o n v e s s e lw h e ns p r a yw a t e rc l o s e d 时容易发生液态冷凝物的回流和上部管道形成假真 空，因此应适当控制蒸馏罐的前期预热时间。 3结论 1 I 型炉蒸馏通道堵塞的主要原因是泵的有效 抽速与镁和氯化镁的挥发量不相匹配、真空蒸馏系 统的气密性不良、蒸馏罐与冷凝器间的温度梯度控 制不合适。 2 还原过程中控制镁的利用系数，对转蒸馏前 的还原罐进行称重和高恒温排氯化镁操作，降低蒸 馏负荷。对喷淋水温度及加热电炉温度进行合理控 制。根据冷凝罐壁温度及蒸馏罐内压力情况适当进 行喷淋控制。在前期预热阶段提高加热电炉一区控 制温度，缩短前期预热时问，可将蒸馏炉炉温提到 6 5 0 ℃之后再进行人炉操作。 3 确保泵的有效抽速及真空系统的气密性。定 期对捕集器和冷凝罐上部管道进行清理；对泵油定 期进行更换，监测控制真空泵冷却水温度，加强真空 系统设备保障力度。 参考文献 [ 1 ] 陈勇，李正祥，张建安，等．K r o l l 法海绵钛生产还原温度 对产品结构的影响研究[ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 4 4 2 9 3 2 ． [ 2 ] 莫畏，邓国珠，王武育，等．钛F - M ] ．北京冶金工业出版 社，2 0 0 8 1 5 8 1 7 2 ． I - 3 ] 张健，吴贤．海绵钛生产工艺现状[ J ] ．钛工业进展， 2 0 0 6 ，2 3 2 17 - 1 4 ． [ 4 ] S u b r a m a n y a mRB ．S o m ei n n o v a t i o n si nt h eK r o l l p r o c e s so ft i t a n i u ms p o n g ep r o d u c t i o n [ J ] ．B u l l ．M a t e r ． S c i ，1 9 9 3 ，1 6 6 4 3 3 4 5 1 ． [ 5 ] 孔繁振，兰志才．改善蒸馏条件降低海绵钛氯、氧含量 的探索与实践[ J ] ．轻金属，2 0 0 9 8 6 1 6 4 ． [ 6 ] 李亮．还原剂对海绵钛品级率的影响分析[ J ] ．有色金 属 冶炼部分 ，2 0 1 5 1 3 0 3 3 ． [ 7 ] 张书贤．优化型联合法制取海绵钛过程中冷凝物分布 对真空蒸馏过程的影响口] ．轻金属，2 0 0 4 1 3 8 3 9 ． [ 8 ] 王文豪，吴复忠，金会心，等．镁热法生产海绵钛还原过 程反应熔池的传热模型I - 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