降低海綿鈦生產原料精鎂中鐵雜質元素的含量

陳能強，馬 昕，黎 亮，陶乃特，王刻平

(云南新立有色金屬有限公司，云南 昆明 650100)

0 引言

海綿鈦作為一種新金屬，由于它具有密度小、強度高、耐高溫性好、抗腐蝕性優等一系列優異性能，現已被廣泛用于火箭、衛星、飛機、艦艇、導彈、核電站等許多領域［1］。

鎂還原生產海綿鈦的基本原理，是在氬氣的保護下，向反應器內連續不斷的加入四氯化鈦，使之與鎂發生還原反應，生成產品海綿鈦和副產品氯化鎂。主要化學方程式為:

Mg(l)+TiCl4(g)=Ti(s)+MgCl2(l)+Q

為了得到純凈的海綿鈦，采用真空蒸餾，將海綿鈦中的鎂和殘留的氯化鎂分離除去［2］。真空蒸餾、冷卻結束后，將裝有海綿鈦坨的反應器進行拆卸，然后通過軌道車輸送至破碎包裝工序進行鈦坨的頂出、剪切及鈦塊的破碎、分級、包裝，最后得到最終產品海綿鈦。

1 精鎂生產原理

精鎂生產工藝流程見圖1。將來自還原工序產出的氯化鎂加入到含有電解質的電解槽內，電解槽通入110 kA的直流電，電解槽溫度控制在655±2℃下進行電解。電解槽的陽極生成氯氣，氯氣由氯氣集氣罩通過氯氣總管輸送至氯壓機室進行氯氣除塵、除水、壓縮處理，然后送氯化工序進行粗四氯化鈦的生產。電解過程中電解槽陰極生成鎂液，通過陰極導鎂槽進入集鎂室，定期使用真空抬包將其從電解槽中抽取出來，用天車吊送至精煉工序，加入到連續精煉爐爐內進行深度除雜，從而得到較純的海綿鈦生產原料精鎂，然后使用真空抬包將其抽取出來，通過抬包車輸送至還原工序進行海綿鈦的還原生產。

圖1 精鎂生產工藝流程圖Fig.1 Process flow diagram of refined magnesium

2 精鎂中鐵雜質元素對海綿鈦質量的影響

精鎂作為海綿鈦生產的主要原料。根據某公司引進單爐生產能力7.5 t的I型半聯合還蒸海綿鈦生產技術。由于在還原生產中若出現鎂的區域性相對不足會增加低價氯化鈦的生成、低價氯化鈦在產品拆卸過程中容易著火、對真空系統污染較大以及對海綿鈦產品質量也有關鍵性的影響等原因，因此在還原生產過程中要加入過量的精鎂來減少低價氯化鈦的生成，精鎂中的鐵雜質元素在還原生產過程中會滲入至海綿鈦產品里，由此可知，若在還原生產中，精鎂鐵雜質元素含量過高，將會對海綿鈦產品的質量造成致命的影響。為了定量說明精鎂鐵雜質元素對海綿鈦產品質量的影響，將前期生產的精鎂及海綿鈦質量進行分析，具體情況見表1。

表1 部分爐次精鎂及海綿質量情況Tab.1 Quality of refined magnesium and titanium sponge of part of furnaces

數據表明，鎂生產車間生產的精鎂鐵雜質元素含量偏高，平均值為0.0262%，鐵雜質元素含量偏高的精鎂作為海綿鈦生產的主要原料，產出的海綿鈦產品質量不夠理想，海綿鈦產品中鐵元素超標，其等級都在2級以下，等級率較低，這與前面定性分析的結論相吻合。

3 鐵雜質元素帶入的來源及降低其含量的方法

為了產出用于還原工序生產的鐵雜質元素含量合格的原料精鎂和優質的海綿鈦產品，提高海綿鈦產品(一級品以上)的等級率之目的，對鐵雜質元素帶入的來源進行了分析，提出了降低鐵雜質元素含量的方法。

3.1 鐵雜質元素帶入的來源

精鎂熔化過程中使用的工具會使精鎂和熔劑接觸，而熔劑的成分為:氯化鈉、氯化鎂、氯化鉀和氯化鈣。這些氯化物會沾在工具上，具有吸水性，而且長期與空氣接觸會生成氯化氫和氫氧化物，從而導致了工具的腐蝕、生銹，造成精鎂鐵雜質元素含量的偏高;同時，在粗鎂精煉過程中，精煉爐抽鎂溫度的高低將直接影響鐵雜質元素含量帶入的多少，也就是說，在生產過程中，鐵雜質元素含量隨著精煉爐抽鎂溫度的升高而升高［3］。

3.2 降低精鎂中鐵雜質元素含量的方法

針對目前某公司精鎂的生產實際情況，在專家及相關工程技術人員的共同努力下，提出了有效降低精鎂中鐵雜質元素含量的方法。

(1)更換工具及熱電偶保護管的材質。用于精鎂熔化過程使用包括抽精鎂的精煉爐、抽鎂管等工具及測量精煉爐溫度的熱電偶保護管，由于前期采用的材質為普通碳鋼，腐蝕比較嚴重。至此，為了減少精煉過程中所用工具和熱電偶保護管帶來的腐蝕及精鎂產品的污染，將所用工具和熱電偶保護管的材質由原來的普通碳鋼更換為不銹鋼，更改材質后，產出的精鎂鐵雜質元素含量及海綿鈦產品質量情況見表2。

(2)調整精煉爐抽鎂溫度。精煉爐啟動運行初期，在準備向還原工序輸送精鎂時，將精煉爐抽鎂溫度控制在730～750℃，運行一段時間后，發現精煉爐溫度的高低直接影響精鎂中鐵雜質元素含量的多少，從而影響了海綿鈦產品的質量。經過研究，對精煉爐抽鎂溫度作出了調整，抽鎂溫度由原來的730～750℃調整為690℃左右，且溫度不得超過710℃。調整精煉爐抽鎂溫度后，產出的精鎂鐵雜質元素含量及海綿鈦產品質量情況見表2。

(3)添加除鐵元素物料。根據相關資料，氟化鈣在熔劑中的含量為1% ～2%時，可以與粗鎂中鐵雜質元素發生一系列的化學作用，生成大分子化合物，經過一段時間的沉降后，落入爐底，從而達到了與精鎂分離的目的。在熔劑中添加含量1%～2%的氟化鈣后產出的精鎂鐵雜質元素含量及海綿鈦產品質量情況見表2。

表2 部分爐次精鎂及海綿鈦質量情況Tab.2 Quality of refined magnesium and titanium sponge of part of furnaces

數據表明，以上措施實施后，產出的精鎂中的鐵雜質元素含量得到了降低，平均值由原來的0.0262%降低至0.0058%，產出了鐵雜質元素含量合格的精鎂并產出了大量優質的海綿鈦，海綿鈦產品等級都在1級以上，等級率得到了大大的提高。

4 結語

精鎂作為海綿鈦生產的主要原料，其鐵雜質元素含量的高低將直接影響著海綿鈦產品的質量。通過生產實踐證明，某公司在鎂精煉過程中采取了更換精煉爐抽鎂管、測量精煉爐溫度的熱電偶保護管等材質、調整精煉爐抽鎂溫度和添加除鐵元素物料等措施后，鐵雜質元素含量由原來的0.0262%降低至0.0058%，產出了鐵雜質元素含量合格的精鎂及滿足客戶需求的大量超軟海綿鈦。

［1］李大成，周大利，劉恒等.鎂熱法海綿鈦生產［M］.北京:冶金工業出版社，2009.

［2］莫畏.鈦［M］.北京:冶金工業出版社，2008.

［3］張永健.鎂電解生產工藝學［M］.長沙:中南大學出版社，2008.