海绵钛生产过程还原周期影响因素研究.pdf

2 0 1 5 年第8 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 2 7 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i 鹤n ．1 0 0 7 7 5 4 5 ．2 0 1 5 ．0 8 ．0 0 7 海绵钛生产过程还原周期影响因素研究 李亮1 ，李开华1 ，苗庆东1 ，盛卓1 ，程晓哲1 ，许虎诚2 ，夏建辉2 1 ．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 ； 2 ．攀钢集团钛业有限责任公司，四川攀枝花6 1 7 0 0 0 摘要分析了镁热还原T i C l 。制备海绵钛还原生产过程中各阶段在还原周期中的分布，并考察了冷凝镁 与镁锭用量、T i c l 。加料、高恒温时间、设备故障对还原周期延长的影响。结果表明，冷凝镁与镁锭用量 越大，还原周期的延长趋势越明显；高恒温耗时与T i C l ；的加料稳定控制、降低加料器与排料阀等设备故 障可有效缩短还原周期。 关键词海绵钛；还原周期；影响因素；镁热还原 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 0 8 一0 0 2 7 一0 4 A n a l y s i so nI n n u e n c eF a c t o r sf o rP e r i o do fR e d u c t i o nP r o c e s si n T i t a n i u mS p o n g eP r o d u c t i o n L IL i a n 9 1 ，L IK a i h u a l ，M I A OQ i n g d o n 9 1 ， S H E N GZ h u 0 1 ，C H E N GX i a o z h e l ，X UH u c h e n 9 2 ，X I AJ i a n h u i 2 1 ．S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fV a n a d i u ma n dT i t a n i u mC o m p r e h e n s i v eU t m z a t i o n ， 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 ，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 ； 2 ．P a n g a n gG r o u pT i t a n i u mC o ．L t d ，P a n z h i h u a617 0 0 0 ，S i c h u a n ，C h i n a A b s t r a c t T h ep r o p o r t i o nd i s t r i b u t i o no fd i f f e r e n ts t a g e sd u r i n gt i t a n i u ms p o n g er e d u c t i o np r o d u c t i o nb y m a g n e s i o t h e r r 】[ 1 i cr e d u c t i o nw a sa n a l y z e d ． T h ee f f e c t so fd o s a g eo fc o n d e n s a t em a g n e s i u ma n dm a g n e s i u mi n g o t ， T i C l 4c h a r g i n g ，h i g ht e m p e r a t u r ec o n s t a n tt i m e ， a n de q u i p m e n tf a i l u r eo np e r i o do fr e d u c t i o np r o c e s sw e r e i n v e s t i g a t e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tp e r i o do fr e d u c t i o np r o c e s si se x t e n d e dw i t hi n c r e a s i n gd o s a g eo fc o n d e n s a t e m a g n e s i u ma n dm a g n e s i u mi n g o t ． P e r i o do fr e d u c t i o np r o c e s sc a nb es h o r t e n e dr e m a r k a b l yb yl o w e r i n ge q u i p m e n t s f a i l u r er a t ea n ds t a b i l i z i n gh i g ht e m p e r a t u r ec o n s t a n tt i m ea n dT i C l 4c h a r g i n g ． K e yw o r d s t i t a n i u ms p o n g e ；p e r i o do fr e d u c t i o np r o c e s s ；i n f l u e n c ef a c t o r ；m a g n e s i o t h e r m i cr e d u c t i o n 钛因其比强度高、密度小、耐高温低温性能优 良、耐腐蚀等优点被广泛应用于航空航天、船舶、冶 金、化工、汽车以及能源等领域，而海绵钛是制备钛 材、钛粉及其他钛构件的重要原材料[ 1 。3 ] 。目前国内 外均采用镁热还原四氯化钛的方法 克劳尔法 制备 海绵钛，该法主要包括镁还原四氯化钛、还原产物真 空蒸馏、海绵钛产品的后处理三大工序H J 。还原与 收稿日期2 0 1 5 一0 2 一0 9 基金项目国家国际科技合作项目 0 1 0 2 0 1 0 D F B 7 3 1 7 0 作者简介李亮 1 9 8 6 一 ，男，四川广安人，副研究员． 蒸馏工序为海绵钛生产的核心工序，也是决定海绵 钛产品质量的关键环节[ 5 ] 。国内某海绵钛厂采用 7 ．5t 大型“I ”型半联合还原蒸馏系统，该系统具有 产能大、产品质量好等优点[ 4 ’6 ] ，但在还原过程中常 出现还原周期波动现象，严重影响海绵钛产品质量 与生产过程管控。为进一步缩短还原周期、降低还 原过程能耗，开展还原过程中各生产操作环节对还 万方数据 2 8 有色金属 冶炼部分 h t t p ；／7 y s y l ．b g r i m m - c n 2 0 1 5 年第8 期 原周期控制的影响分析具有重要的实际意义。 1还原反应原理与工艺 镁热还原四氯化钛的过程涉及气、液、固多相反 应，其主反应为镁与四氯化钛之间的反应，产物为液 态的副产物氯化镁与固态的海绵状金属钛。 1 ／2 T i C l t g M g 1 一M g C l 2 1 1 ／2 T i s 1 1 ／2 T i C l 。 g M g g M g C l 2 1 1 ／2 T i s 2 1 ／2 T i C l t 1 M g g M g C l 2 1 l ／2 T i s 3 1 ／2 T i C l 。 1 M g 1 一M g C l 1 1 ／2 T i s 4 图1 为主反应 1 的△H 与△G 随温度的变化 关系曲线。 ， _ L 巨 ● 邑 b 司 ， 蕾 司 温厦／℃ 图l反应 1 的4 日和△G 与温度关系曲线 n 晷l o 盯v eo fA H 鲫I d △Ga td i f f ；嘲l tt e I 啊期妇 由图1 可知，当还原温度为6 0 0 ～10 0 0 ℃时， △H 与△G 均为负值，且随温度升高，△H 与△G 呈 上升趋势。热力学计算表明镁热还原四氯化钛为强 放热反应，在实际生产过程中应合理控制还原过程 的加料速度与还原周期，以避免海绵钛在生产过程 中发生烧结现象。 图2 为还原过程的主要控制工艺图。 还原罐入炉 工 低温脱气 s o o ～5 5 0 ℃ 1 L 熔化冷凝镁与补加镁锭 I 添加T i a ；原料并排放M g c I 。 1 L 高恒温并穿火 工 还原罐出炉 图2 还原过程控制工艺图 F i g ．2 C o n t r o ld i a g r a mo fr e d u c t i o np r o c e 蟠 2 还原周期影响因素分析 2 ．1 还原周期分布 还原周期的长短直接影响海绵钛生产过程的能 耗、产量与产品质量，在实际生产过程中受入炉物料 状态、生产操作、设备等因素影响，每炉次间还原周 期存在一定程度偏差。当使用固体镁锭作为还原剂 时，将消耗更多时间，延长还原周期。目前国内某海 绵钛厂要求还原周期控制在1 4 0h 以内，但实际还 原周期小于1 4 0h 的比例约为8 0 ％，还原时间1 4 0 ～1 8 0h 的比例为2 0 ％。 国内某海绵钛厂还原过程各工段耗时比例为 ％ 冷凝物脱气4 ．1 、熔冷凝物7 ．2 、加镁和熔镁 1 4 ．8 、加四氯化钛6 2 ．9 、高恒温2 ．8 。由此可知，整 个还原过程中四氯化钛加料耗时所占比例最大，其 次为加镁与熔镁耗时，若在熔化冷凝镁时间、添加镁 锭时间、熔化镁锭时间上进行优化，可有效减少还原 周期的时间。 2 ．2 冷凝镁与镁锭的影响 还原剂冷凝镁与镁锭的使用情况将直接影响冷 凝镁脱气与熔化镁锭在还原过程中的时间消耗，表1 为部分还原周期偏长炉次还原剂使用情况统计结果。 表1还原周期偏长炉次物料使用情况统计表 T a b l e1M a t e r i a lu s a g es t a t i s t i c so fl o n gp e r i o do fr e d u c t i o np r o c e s s 人炉批号 超出，长7冷凝掌重量7 镁锭／k g液镁／k g n K 空 镁量合计／ T i c l 4 加入量／ M g c l 2 排放量／ k gk gk g 3 0O O O 2 99 6 0 3 0O O O 3 0O O O 3 00 0 0 3 0O O O 2 99 9 3 2 99 8 6 3 03 6 0 2 90 6 0 3 03 9 1 2 75 4 0 2 94 0 6 2 97 8 0 2 98 0 0 2 99 0 9 O 3 O O O 0 4 4∞潞∞∞∞∞∞毗 坞n 埒n n 均乎次；酗⋯ 们 万方数据 2 0 1 5 年第8 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 2 9 由表l 可见，T i C l 。加入量和M g C l 排放量与还 原周期 1 4 0h 炉次相当，其对还原周期延长的影 响较小；还原周期偏长炉次总的用镁量与 1 4 0h 炉次基本相当，但使用的冷凝镁量相对于 1 4 0h 炉次平均多出4 6 4k g ，镁锭用量平均多20 8 8k g ，液 镁用量平均少29 0 3k g 。通过对比分析表1 中冷凝 镁重量、镁锭用量与超出时长可知冷凝镁与镁锭用 量越大，还原周期的延长趋势越明显。 图3 为实际生产过程中还原过程熔镁与加镁耗 时统计结果。 ∈ 薹 誉 蚤 强1 5 餐 嫠 嘲 还原炉批次 图3 还原过程加镁与熔镁耗时统计图 F i g ．3 T i m ec O n s u m i n gO fa d d i n gm a g n e s i u m a n dm o l t e nm a g n e s i u m 从图3 可看出，实际加镁与熔镁时间波动较大， 波动区间在6 ～6 0h ，平均为2 3 ．5h ／炉。目前采用 的加镁方式主要是镁锭 液镁 冷凝镁、镁锭 冷 凝镁。且加镁采用人工投锭方式，劳动强度较大，耗 时较长。因此，冷凝镁脱气与熔化耗时对还原周期 也将带来直接影响。若生产过程采用全液镁直接作 为还原剂则可大幅降低加镁与熔镁耗时带来的还原 周期偏长现象，大大缩短还原周期，提高还原过程生 产效率。 2 ．3 四氯化钛加料的影响 图4 为还原工序四氯化钛的加料时长统计结 果。由图4 可知，四氯化钛的加料时长在8 2 ～1 0 7h 之间波动，平均9 6h ，其中，加料时长在8 2 ～9 0h 的 比例为7 6 ．6 ％。四氯化钛加料时间的延长主要受 加料器运行状况、排料顺畅程度影响。若加料与排 料设备运行良好，稳定控制四氯化钛的加料时长在 8 0h 左右，可有效缩短还原周期。 2 ．4 高恒温的影响 在四氯化钛的镁热还原后期，还原电炉根据 设定的程序升温至约9 0 0 ℃，达到设定温度并维 持一定时间后，排出一批副产物氯化镁，直到有穿 器 重 』 错 卜 驰 捌 隧 蚓 图4 四氯化钛的加料时长 F i g ．4 T i m ec o n s u m i n go fa d d i n gT i C l 4 火的迹象；第一次穿火结束后再恒温一定时长后， 再次排氯化镁，直至第二次穿火才结束氯化镁的 排料。图5 为还原生产过程中高恒温阶段所耗时 长的统计结果。 蜢 营 赠 1 粤 键 图5 高恒温阶段耗时长 n 昏5T i l I 麓∞碰沏咖o fM 曲t e m 肼婀l t l l 诧伽碰；t a n t 图5 表明，实际生产过程中高恒温时长波动较 大，其值为1 ～1 6h ，平均4 ．7h 。由于实际生产过 程中统计的高恒温耗时包括最后两次排放氯化镁的 总时长，还原高恒温时长的波动对还原周期带来不 同程度的影响。此外，生产实践表明，海绵钛产品为 o A 级的炉次还原过程高恒温阶段时长为2 ～1 1 ．5 h ，平均4 ．2h 。而≤1 级品炉次高恒温阶段时长为 3 ～1 2h ，平均5 ．3h 。因此，稳定控制高恒温耗时、 降低高恒温时长不仅可以缩短还原周期，还可提高 海绵钛的产品品级率。 2 ．5 设备故障的影响 设备故障将带来还原过程不能顺利进行，严重 时将导致还原过程终止。表2 为还原周期大于1 4 0 h 炉次生产过程故障的统计结果。 万方数据 3 0 有色金属 冶炼部分 h t t p 7 7 y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 5 年第8 期 表2 生产过程故障统计表 T a b l e2F a u l ts t a t i s t i c so fp r o d u c t i 帆p r o c e s s 由表2 可知，还原周期大于生产要求 1 4 0h 的 炉次在还原生产过程出现设备故障的频次较高。因 大法兰焊接断裂、排料阀、加料器故障导致还原周期 产生不同程度延长，平均超出生产要求达1 5h 。因 此，在生产过程中保障设备良好运行是缩短还原周 期的有效途径。 3结论 1 整个还原过程中四氯化钛加料耗时占总还原 周期的6 2 ．9 ％；冷凝镁与镁锭用量越大，还原周期 的延长趋势越明显。 2 当加料与排料设备运行良好且稳定控制四氯 化钛的加料时长在8 0h 左右时，可有效缩短还原周 期。稳定控制高恒温耗时、降低高恒温时长不仅可 以缩短还原周期，同时还可以提高海绵钛的产品品 级率。 3 还原周期大于生产要求的炉次在还原生产过 程出现设备故障的频次较高，生产过程中保障设备 良好运行是缩短还原周期的有效途径。 参考文献 [ 1 ] 邓国珠．钛冶金[ M ] ．北京冶金工业出版社，2 0 1 0 2 6 3 3 ． [ 2 ] 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[ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 3 1 1 1 9 2 1 ． [ 3 ] 高成涛，吴复忠，王文豪，等．镁热法生产海绵钛还原熔 池温度场的分析[ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 4 4 2 2 2 5 ． [ 4 ] 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 1 3 4 ． [ 5 ] 向芳芳，王再军，王邦兴．海绵钛生产中还原液面对还 原生产过程的影响[ J ] ．轻金属，2 0 1 1 6 5 3 5 5 ． [ 6 ] 苗庆东．海绵钛还原过程热平衡分析与节能措施研究 [ J ] ．轻金属，2 0 1 4 1 1 4 1 4 4 ． 2 0 1 4 年中国学术期刊影响因子年报出炉 根据清华知网最新出版的2 0 1 4 年中国学术期刊影响因子年报提供的数据，2 0 1 3 年有色金属 冶炼部 分 复合影响因子为0 ．7 2 6 ，影响因子学科排序第1 6 位。分 复合影响因子为U ，Z O ，影响因子学科排序第l O 位。 万方数据