并聯式鎂法海綿鈦生產中降低N、O含量的有效途徑

李 青

(遵義鈦業股份有限公司,貴州遵義 563004)

并聯式鎂法海綿鈦生產中降低N、O含量的有效途徑

李 青

(遵義鈦業股份有限公司,貴州遵義 563004)

隨著海綿鈦市場競爭的日益激烈以及應用領域的拓展,盡最大可能提高海綿鈦質量成為海綿鈦生產企業當前的首要技術任務。在海綿鈦質量標準中,氮,氧雜質元素較大程度地影響著海綿鈦質量。根據并聯式鎂法海綿鈦生產過程中氮、氧雜質元素的來源及其影響因素,海綿鈦生產可利用真空臺包出鎂、氬氣保護四氯化鈦貯槽、適當提高還原過程中反應液面、開始蒸餾后直接啟用廢氣泵以及發展大型反應爐型等控制方法,最后達到降低海綿鈦中氮、氧含量的目的,穩定海綿鈦產品質量,提高企業市場競爭力。

鎂法;海綿鈦;氧含量;氮含量

鈦是一種輕金屬,由于具有質輕、強度高,又具有良好的耐熱性、耐低溫及耐腐蝕等一系列優異性,已經成為一種應用廣泛的新型工程材料,被廣泛應用于航空航天、化工等領域,而且隨著鈦工業的發展,民用領域的使用前景不斷擴大,被譽為“現代金屬”[1,2]。

在海綿鈦工業生產中,鎂還原-真空蒸餾法已占據了主導地位。該方法是將鈦礦物經過富集-氯化-精制制得精四氯化鈦;接著在氬氣或氦氣等惰性氣體的保護下用鎂將精四氯化鈦還原生成海綿鈦坨;然后進行真空蒸餾除去海綿鈦坨中殘留的鎂和氯化鎂;最后經過破碎工藝得到成品海綿鈦[3]。

鎂法海綿鈦生產分為并聯式和串聯式兩種。并聯式有利于設備大型化,但由于設備沒有串聯式設備緊湊,其產品質量較串聯式稍差,其中影響最大的是雜質N、O的含量。因而,并聯式鎂法海綿鈦生產中降低雜質N、O含量具有重大意義。

1 現狀分析及問題提出

從目前某廠生產的海綿鈦質量分析來看,影響產品質量的一個重要因素是氯,另一個重要因素是HB(布氏硬度),如表1中數據所示,而HB又是各種雜質元素影響的綜合指標。海綿鈦的硬度與雜質含量的關系,布勞斯按統計規律得出如下經驗公式:

撫順鈦廠根據大量的數據統計得出HB與雜質含量有如下關系:

從以上兩個HB與雜質元素含量的關系可以看出N、O含量是影響產品HB的最主要因素,因此降低并聯式鎂法海綿鈦生產中的N、O含量,對進一步提高海綿鈦質量具有重大意義。

從某廠的生產數據可以看出(見表1),影響海綿鈦產品中N、O雜質元素含量的主要因素是:(1)原料鎂及精四氯化鈦中N、O雜質全部進入海綿鈦產品中;(2)還原-蒸餾過程中設備的密封性;(3)工藝條件及生產操作水平[4]。

表1 某廠2007年1～6月海綿鈦降級統計

2 解決的途徑

2.1 采用真空臺包出鎂,降低原料中N、O含量

鎂法海綿鈦生產中鎂還原四氯化鈦的總反應式為:

為了使產生的MgCl2得到循環利用,一般廠家都采用鎂-鈦聯合工藝,將產生的MgCl2用于鎂電解。隨著溫度的升高,鎂的活性迅速增加,高于400℃時,氮化速度加快,并隨著溫度的增加而迅速增加,溫度高于300℃時鎂和氮開始明顯的反應,670℃時氮化反應迅速地生成氮化物。如果采用人工出鎂,固體鎂在精煉前進行熔化過程中將使鎂中的N、O含量增加,若鎂電解采用真空臺包出鎂,液體鎂直接倒入精煉坩堝[5],其中鎂的N、O含量將大大降低。某廠在采用真空臺包出鎂后,海綿鈦產品中N、O含量有了明顯降低(見表2)。

表2 某廠出鎂方式及產品N、O含量對比

2.2 四氯化鈦貯槽用氬氣保護

生產海綿鈦的中間半成品四氯化鈦生產出來后要先貯存在貯槽中然后才通過管道進入下道工序進行還原生產,其中的雜質全部進入海綿鈦中,四氯化鈦對空氣中的O、N有一定的溶解度[6],通過貯槽用氬氣保護后,使四氯化鈦不和空氣接觸,從而降低四氯化鈦中的O、N含量。

2.3 還原操作過程中適當提高反應液面

鎂還原四氯化鈦是在密閉容器內,在氬氣保護下進行的,其中心部分的溫度高達1 200℃以上。還原過程中隨著反應的進行,MgCl2逐漸增多,鈦鉈逐漸增高,為保持一定的液面,需不斷地定期排放Mg-Cl2。操作過程中如液面過低,鈦鉈將超過液面,從密封連接處泄漏進的空氣中的O、N直接和鈦反應進入鈦鉈中,同時氬氣中的O、N也被鈦鉈吸收,所以保持適當的液面,使鈦鉈不超過液面,能降低海綿鈦中的O、N含量[7]。

2.4 開始蒸餾時真空系統和反應器連接后,直接啟動廢氣泵

海綿鈦蒸餾真空系統通過抽空管和反應器連接,蒸餾前真空系統需進行預抽檢漏,保證合格后才能使用,所以經過預抽后的真空系統一直處于真空狀態,與反應器通過抽空管道連接時下開盲板后空氣進入真空系統,如果連接后不立即啟動真空系統,則進入真空系統內的空氣中的O、N將被海綿鈦吸收,由于熱端反應器和冷端反應器之間的閥門,高溫閥并不能完全封閉[8]。

此外,因設備泄漏,空氣濕度大,破碎時溫度高,氬氣中含有O、N和人工操作等都能使海綿鈦中的O、N含量增加,生產過程中還需不斷總結,以進一步降低海綿鈦中的O、N含量。

某廠2006年在上述各工序采取了有效的措施和加大了考核力度,現產品海綿鈦中因O、N雜質元素影響導致HB超標而降級的爐次控制在12%以內,產品中O、N含量控制在零級品(O:0.060%,N: 0.020%)以上,產品質量得以大幅度提高(見表3)。

表3 某廠2009年7月至2009年12月海綿鈦加權O、N含量統計

2

.5 發展大型化爐型生產

大型化爐型生產具有降低電耗,降低成本,提高生產力等諸多優越性。據統計,某廠2006年投入生產的世界之最的海綿鈦生產12 t大型聯合爐生產的產品O、N含量明顯較6 t爐低(見表4)。

表4 某廠2009年7月至2009年12月6 t爐與12 t試驗爐加權O、N含量比較

3 結 論

1.通過用真空臺包出鎂、四氯化鈦貯槽用氬氣保護的措施,降低原材料鎂及四氯化鈦中的O、N含量,從而降低海綿鈦中的O、N含量。

2.生產過程中通過控制還原的反應液面及阻止真空系統中空氣中的O、N被海綿鈦吸收,從而降低海綿鈦中O、N含量。

3.通過降低O、N含量,從而降低產品的HB(布氏硬度)提高產品的品級率。

4.大型化爐型的投產,有望海綿鈦產品O、N含量的降低。

5.通過時間證明,某廠海綿鈦質量得到大幅度的提高。

[1] 草道英武.金屬鈦及其應用[M].北京:冶金工業出版社, 1989.

[2] 稀有金屬應用編寫組.稀有金屬應用[M].北京:冶金工業出版社,1984.

[3] 李洪桂.稀有金屬冶金原理及工藝[M].北京:冶金工業出版社,1981.

[4] 莫畏,鄧國珠.鈦冶金[M].北京:冶金工業出版社,1998.

[5] 傅杰.特種冶煉[M].北京:冶金工業出版社,1982.

[6] 韓明堂.氯化法鈦白生產的現狀和發展[J].鈦工業進展, 1997,1:1-5.

[7] 蔡增新,張淑紅.試驗海綿鈦處理方法對質量的影響[J].輕金屬,2006,8:62-65.

[8] 韓其勇.冶金過程動力學[M].北京:冶金工業出版社,1983.

The Effective way to Reduce the Nitrogen and Oxygen Content in the Production of Titanium Sponge by Magnesium

LI Qing
(Zunyi Titanium Co.,Ltd,Zunyi563004,China)

With the increasing intense competition of titanium sponge market,and the expansion of the application field,the ultimate technique task of titanium sponge manufacturer is to enhance quality as possible as they can.Among the quality standard of titanium sponge,the impurity elements,such as nitrogen and oxygen impact on titanium sponge quality greatly.In accordance with the resource and the influence factor of nitrogen and oxygen in the parallel chloride process,the manufacturer could adopt many control methods:hold magnesium with vacuum shank,protect the titanium tetrachloride tank with argon,increase reaction fluid level in the reduction process adequately,initiate exhaust pump directly after starting distillation,and develop large-sized reaction furnace,etc.At last,they can attain the aim of reducing nitrogen and oxygen content in titanium sponge,stabilize titanium sponge quality,and improve market competitiveness of the manufacturer.

by magnesium;titanium sponge;oxygen content;nitrogen content

TF823

A

1003-5540(2011)02-0020-02

李 青(1969-),男,助理工程師,主要從事海綿鈦生產的工藝管理。

2011-03-10