海綿鈦生產蒸餾過程壓力控制的探討

余 彬，李 娟，陳 俊，陶乃特，唐紅平

(云南新立有色金屬有限公司，云南 昆明 650100)

0 引言

海綿鈦真正實現工業化生產的方法只有Kroll法(鎂熱還原法)和 Hunter法(鈉熱還原法)［1］，隨著生產工藝的不斷改進和發展，Na還原法已經逐漸被淘汰。Mg還原法生產海綿鈦結束后，其產物的基本組成為 Ti:55% ～65%、Mg:25% ～30%、MgCl2:10% ～15%，還有少量的二次反應產物TiCl3和TiCl2［2］。真空蒸餾的目的是在還原反應結束后，除去過剩的Mg和MgCl2，得到海綿狀的鈦坨，最后取出鈦坨經過破碎、分級、封裝等過程得到商品海綿鈦［3］。

蒸餾法是利用各組分物質物理特性的差異而進行的分離方法。由于各物質的沸點差異較大，相應的揮發性也有較大差別。利用真空蒸餾法，隨著反應器內壓力的下降，還原產物的沸點也相應下降，而此時Mg和MgCl2的揮發速度也比常壓下大很多倍，這樣既可以采用較低的溫度進行蒸餾，同時也能有效降低Fe元素對海綿鈦產品的影響，能夠把還原產物中Mg和MgCl2徹底蒸餾干凈，提高海綿鈦質量。所以，在海綿鈦生產蒸餾過程中反應器內壓力控制對產品的質量起到關鍵性的作用。Mg和MgCl2同一蒸汽壓下相應的溫度［2］見表1。

表1 Mg和MgCl2在同一蒸汽壓下相應的溫度Tab.1 Corresponding temperature of Mg and MgCl2under same vapor pressure

1 生產現狀及原因分析

國內海綿鈦生產企業還原-蒸餾一體設備中，I型電爐具有單爐產能低，海綿鈦品質均勻等特點［4］。國內某萬噸級海綿鈦生產企業采用I型還原蒸餾爐進行生產，在試生產初期有很多爐次達到規定的蒸餾時間，而反應器內的壓力無法滿足蒸餾終點判定條件，必須延長蒸餾時間，使海綿鈦坨中的殘留雜質充分蒸餾干凈。但蒸餾時間過長，在高溫下反應器壁的鐵向鈦坨的滲透能力增強，海綿鈦中鐵含量上升，增加電耗［5］，生產成本無法合理管控，因此要合理控制蒸餾時間與真空度的關系。

1.1 蒸餾裝置密封不嚴

Ⅰ型還原-蒸餾半聯合法海綿鈦生產工藝即在還原結束后，還原反應器吊至準備拆卸工段安裝冷凝反應器，再進行蒸餾的間歇式生產方式。由于在還原生產過程中采用下排MgCl2方式，要求進行還原反應之前先焊接排放裝置，而大蓋與反應器之間、冷凝器之間則采用橡膠墊進行密封。焊接工人對焊縫的整體把握不到位，難免會存在肉眼發現不了的細微漏點，漏氣量較小，蒸餾前期根本無法發現，直到反應器內真空度一直保持在某一常數，真空度無法繼續下降。導致蒸餾后期海綿鈦毛細管中殘留的Mg和MgCl2蒸餾不干凈，影響產品質量。同理安裝還原反應器密封膠墊時，膠墊如果沒有按要求整體放置在凹槽內的話，也會出現上述細小漏點的情況，雖然進氣量不大，可是整個蒸餾過程耗時較長，進入的氣體會與鈦坨發生反應，從而導致成品海綿鈦N、O元素超標;對于Mg、MgCl2沒有蒸餾干凈的爐次，需要重新進行回爐蒸餾。

1.2 真空系統存在漏點

蒸餾后期還原反應器內真空度要求較高，采用機械泵、增壓泵配合使用，2臺泵一起工作抽速較單臺機械泵單獨工作時有所提高。真空系統與冷凝反應器上的真空管道連接在一起，連接處沒有安裝過濾裝置，長時間在泵的抽力作用下，部分Mg粉、低價鈦、MgCl2等被抽出冷凝反應器，殘留在真空系統氣動閥門上及管道連接處，導致氣動閥的密封板無法關緊而存在漏點。真空管道連接處采用的氟橡膠進行密封，TiCl4揮發后產生的弱酸性氣體容易腐蝕膠墊。如果真空系統上的氣動閥、管道連接處存在漏點，大量氣體進入使真空系統的真空度無法達到要求，冷凝反應器與還原反應器內的真空度更加無法保證。

1.3 冷凝器中篩板孔及鎂板通道堵死

在實際生產中鎂板融化后在蒸餾初期Mg和MgCl2大量揮發期間，蒸發速度較快，而供給冷凝器冷卻的循環水不足以將揮發的Mg和MgCl2完全冷卻，部分未被及時冷卻的Mg和MgCl2蒸汽回流至篩板下部，由于這些地方溫度較低，回流的蒸汽無法獲得再次揮發的熱量，蒸汽便在這些地方冷凝，隨著時間的推移被冷凝的Mg和MgCl2越來越多，篩板孔逐漸被堵塞。同樣在鎂板通道處沒有加熱裝置，氣態Mg和MgCl2在通道處越積越厚，通道慢慢變窄，嚴重時鎂板通道會堵塞，導致海綿鈦中的大量的Mg和MgCl2無法被完全蒸干凈留在反應器內，需要二次回爐重新蒸餾，不僅影響了海綿鈦的質量，同時還增加了成本投入造成不必要的浪費。

1.4 測量儀表不精確

用于監測蒸餾過程真空度的真空計是進口產品，測量精度較高且相當靈敏。使用過一段時間的真空計會出現假真空(反應器內實際真空度與測量結果不相符)，原因是在使用過程中，粉狀MgCl2進入到真空計中水解后生成HCl，酸性環境影響了測量精度，TiCl4進入之后也會出現上述情況。為了解決這一問題，每次蒸餾結束之后及時把使用過的真空計交予儀表人員進行清理校準，處理好的真空計方可重新使用。

2 防止蒸餾過程壓力升高的措施

2.1 生產前進行密封性檢測

還原反應器組裝好進行正壓檢漏，用Ar充入到還原反應器(裝有冷凝物的反應器)，在反應器法蘭與尾管法蘭焊接處、還原帽膠墊密封處、大蓋與反應器法蘭膠墊等位置涂抹肥皂水進行檢漏，如果有大量氣泡產生，需將泄漏處拆開重新組裝或者焊接直到不漏為止。將正壓檢漏合格的還原反應器連接真空系統，啟動機械泵進行負壓檢漏，反應器內殘壓達到規定要求時，關閉真空管氣動閥保壓。檢漏合格的還原反應器可以移交還原工段入爐生產。對于I型半聯合法還原-蒸餾工藝而言，MgCl2排放結束出爐所組裝的冷凝反應器也要正壓檢漏、負壓保壓合格才能使用。

生產前對還原反應器、冷凝反應器進行密封性檢測雖然取得了明顯的效果，但還需嚴格控制還原加料速度，保證Mg和TiCl4充分反應，同時優化蒸餾工藝操作，使蒸餾過程壓力得到有效的控制。

2.2 提前清理檢測真空系統

蒸餾結束出爐后，為了保證生產的正常進行，應及時組織工作人員把氣動閥拆卸下來清理閥芯，更換損壞的膠墊，清理工作結束后安裝氣動閥、連接好真空管道，啟動機械泵開始預抽，依次檢測低真空系統、高真空系統，負壓保壓合格后可以用于生產。

2.3 加強冷凝器中部溫度控制

不同的季節適當合理調整冷凝反應器噴淋水的冷卻時間，如冬季環境溫度較低，可以根據實際情況縮短冷卻時間;要盡量地降低冷凝器中部的溫度，增強中部的氣、固冷凝，這樣可以有效減少氣、液冷凝物回流造成的堵通道等問題，同時能降低頂部蒸發物質的蒸氣壓，大大減少篩板上蒸發物的冷凝;設備及工藝制度必須保證冷凝器中部溫度最低;盡可能地強化冷凝器中部的冷卻效率;強化中部冷凝，可以將還原大蓋上隔熱板的高度適當上移，并增加分流架的高度及冷凝面積。要想獲得好的蒸餾與冷凝效果，提高海綿鈦及返回蒸餾鎂的質量，必須實現蒸發速度與冷凝效率的最佳配合［6］。

3 結語

真空蒸餾是海綿鈦生產很重要的一道工序，生產過程中要合理控制真空度，首先必須保證蒸餾裝置自身的密封性合格;對于生產結束的真空系統及真空泵要及時清理維護保證性能達到生產要求;合理控制冷凝器的冷卻時間，保證氣態冷凝物盡量在冷凝器中部凝結;定期檢查壓力儀表的的準確性。

［1］王曉平.海綿鈦生產工業現狀及發展趨勢［J］.鈦工業進展，2011，28(2):9-13.

［2］莫畏，鄧國珠，羅方成.鈦冶金［M］.2版.北京:冶金工業出版社，1998.

［3］余代權.高品質海綿鈦產業化技術在生產中的應用［J］.鈦工業進展，2010，27(2):32-36.

［4］鄧超，楊仁牧.海綿鈦還原蒸餾I型爐生產工藝探討［J］.經濟生活文摘，2011(7):158.

［5］李水娥，張金柱，李容.聯合法生產海綿鈦降低鐵雜質含量淺析［J］.過程工程學報，2008(8):182-184.

［6］孔繁振，蘭志才.改善蒸餾條件降低海綿鈦氯、氧含量的探索與實踐［J］.輕金屬，2009(8):61-64.