簡析海綿鈦生產工藝的設計與投料試生產

湯裕源

(昆明有色冶金設計研究院股份公司，云南 昆明 650051)

0 引 言

由于鈦金屬獨特的物理化學性質，使其提取冶金技術難度大，目前全球擁有生產海綿鈦技術的就只有中國、日本、美國、俄羅斯、哈薩克斯坦、烏克蘭等少數幾個國家，其中俄羅斯阿維斯瑪鎂鈦聯合企業(Avisma)海綿鈦產能26 kt/a，是當今國際上最大的海綿鈦生產企業，其次是日本住友鈦業，產能24 kt/a。我國最早的海綿鈦生產企業是成立于1958年的撫順鋁廠鈦分廠，年產海綿鈦48 t。

我國是世界上鈦資源最豐富的國家之一。據悉，我國鈦資源總量達9.65×108t，居世界之首。利用好鈦資源是我國社會經濟可持續發展的重要推動力。

云南新立有色金屬有限公司適時抓住鈦產業發展的有利時機，引進烏克蘭技術，高起點、高標準、高要求建設10 kt/a海綿鈦項目，為我國鈦產業發展提供了一條可借鑒的發展道路。

2008年5月，云南冶金集團新立有色金屬有限公司與昆明有色冶金設計研究院股份公司在昆明簽訂了云南新立有色金屬有限公司10 kt/a海綿鈦項目的EPC總包合同，項目設計年產10 kt商品海綿鈦，副產等外鈦751 t，項目于2009年6月26日開工建設，2013年3月21日實現了主體工藝全流程拉通。

云南新立有色金屬有限公司海綿鈦項目(以下簡稱“項目”)主體工藝引進烏克蘭技術(包括四氯化鈦生產、海綿鈦生產、鎂還原劑精煉)，鎂電解工藝采用國內青海北辰公司研發的多級鎂電解槽技術。項目根據原料特點結合國內外海綿鈦生產技術和發展趨勢對各種工藝技術進行有效整合，按照廠內實現鎂、氯兩個循環全流程工藝設計，采用鋁粉除釩、多級鎂電解槽等先進技術，是國內技術最先進的海綿鈦生產工藝之一。

1 工藝特點

1.1 四氯化鈦生產工藝

海綿鈦生產企業一般都從富鈦料的氯化開始。四氯化鈦生產包括粗四氯化鈦生產和粗四氯化鈦精制2個工段。當今國際國內生產四氯化鈦主要有沸騰氯化法和熔鹽氯化法2種工藝。沸騰氯化法技術先進，但對原料物理化學性質要求高。熔鹽氯化法對原料適應性強，生產的四氯化鈦質量好，項目根據原料特點，選擇熔鹽氯化法工藝。

各生產企業的精制工藝大同小異，區別主要在于除釩工藝的不同。美國以礦物油除釩為主，日本以礦物油除釩、H2S除釩為主，烏克蘭、俄羅斯、哈薩克斯坦以鋁粉除釩為主，我國以銅絲除釩和礦物油除釩為主。鋁粉除釩產出的精四氯化鈦產品質量高，是當今國際最先進的除釩工藝之一。項目從烏克蘭引進技術，主要就是為了引進其先進的鋁粉除釩工藝。

氯化工段設2臺熔鹽氯化爐(1開1備)，每臺氯化爐分別設2臺收塵器(1開1備)，對應每臺氯化爐分別配1套淋洗裝置、1套冷凝裝置和2臺尾部風機(1開1備)，構成2條獨立的氯化生產線。

精制工段由低價鈦制備系統、蒸餾-精餾系統和泥漿蒸發系統組成。其中2套低價鈦制備裝置交替使用。蒸餾-精餾系統由3級組成，一級為蒸餾除釩及高沸點物，由2臺蒸餾釜(1開1備)和2臺蒸餾塔(1開1備)組成;二級除低沸點物由1臺蒸餾釜和1臺蒸餾塔組成;三級深度凈化由1臺蒸餾釜和1臺蒸餾塔組成。泥漿蒸發系統設4臺泥漿蒸發爐，交替作業。精制產出的精四氯化鈦經化驗合格后送還原工段。主要工藝特點有:

(1)氯化生產對原料含水要求高。設計采用微波干燥，對氯化鈉、煅后石油焦進行深度脫水干燥，入爐原料含水小于0.5%。

(2)氯化溫度低，熔鹽氯化溫度控制在700～800℃。氯化爐出口溫度450～550℃，從源頭上降低了淋洗、冷凝所需冷卻介質消耗量。

(3)含四氯化鈦的混合氣體的淋洗和冷凝分開，保證了粗四氯化鈦的質量。

(4)粗四氯化鈦經濃密機沉降進行固液分離，提高了送精制的粗四氯化鈦質量，對保證精制生產連續性和提高精四氯化鈦的質量起到了重要的作用。

(5)粗四氯化鈦精制采用先進的鋁粉除釩工藝，有效避免了銅絲除釩帶來的勞動條件差和礦物油除釩帶來的產品含碳偏高而影響海綿鈦質量等問題，是該項目引進技術的亮點之一。

(6)AlCl3在標準大氣壓下于180℃升華，為了避免鋁在工藝中的循環積累，蒸餾釜底流采用泥漿蒸發爐進行處理，回收四氯化鈦。

(7)為保證精四氯化鈦的質量，實現工藝流程穩定運行，通過自動控制技術和分析化驗相結合的方法對生產全過程進行有效監控。

1.2 海綿鈦生產工藝

精四氯化鈦還原生成金屬鈦，均采用傳統的金屬鎂還原四氯化鈦工藝。還原反應完成后，采用真空蒸餾的方法，將反應產生的氯化鎂和未反應的金屬鎂與反應生成的海綿鈦分離。國內外還原-蒸餾工藝分為“I型”和“倒U型”2種形式。項目引進烏克蘭技術，采用“I型”結構，主要工藝特點有:

(1)還原產出的氯化鎂依靠重力定期從反應器底部排出，與上排氯化鎂相比，氯化鎂排放更為徹底，而且減少了氬氣的消耗量。還原過程通過自動化控制技術，精確控制反應器內溫度、壓力和反應區位置，對提高海綿鈦質量起到了關鍵作用。

(2)在項目總承包過程中，通過優化設計，采用基于可控硅控制的供電方案取代烏方原設計接觸式供電方案，使還原爐爐溫控制更為精確，節能效果明顯。生產統計數據顯示，每一爐次節電可達約1000 kW·h。

(3)精四氯化鈦采用進口加料裝置，加料過程實現自動控制，反應器壓力的穩定，具有保證安全生產和海綿鈦質量的雙重作用。

(4)真空蒸餾以蒸餾溫度、壓力等工藝參數為控制核心，通過現場儀表和自動控制技術相結合，達到了理想的效果，產品質量穩定。

1.3 鎂電解及精煉工藝

鎂電解是全流程海綿鈦生產工藝的重要組成部分，在從高鈦渣氯化生產四氯化鈦到海綿鈦產品的全流程工藝中，鎂電解工序的能耗就占到海綿鈦生產工藝能耗的40%以上，因此鎂電解能耗的高低，對于海綿鈦企業節能降耗、提高企業效益具有十分重要的意義。

目前應用于工業化生產的鎂電解槽形式主要有無隔板鎂電解槽、有隔板鎂電解槽、道烏型鎂電解槽、多級鎂電解槽。由于海綿鈦企業產出的氯化鎂質量高(氧化鎂等雜質成分少)，根據國內外實踐經驗，多級鎂電解槽是海綿鈦企業最理想的配套電解設備。該項目鎂電解、精煉主要工藝特點有:

(1)鎂電解采用多級鎂電解槽，相對原設計，電解槽數量由原先22臺減少為12臺。另設2臺氯化鎂中轉槽，對穩定生產起到保障作用。

(2)鎂電解產出的氯氣濃度大于90%，相對于原設計提高約10%，有效減少了氯化尾氣的氣量，節約了氯化尾氣的處理成本。

(3)與原設計相比，新工藝取消了上插陽極無隔板電解槽電解工藝配套的陽極制備工段，節約建設場地、節約了建設投資和運行成本。

(4)采用新技術，還在于有效改善了鎂電解及精煉車間操作環境。

1.4 尾氣處理工藝

項目主體工藝的氯化、精制、還原等工段，生產中有工藝尾氣、衛生廢氣需要處理達標后方可排空。根據尾氣成分、性質、工藝特點，項目設3套尾氣處理裝置。其中氯化工藝尾氣處理單獨設2條生產線(1開1備)，每條生產線采用2級水洗3級堿洗，確保尾氣處理系統連續運行;精制工藝尾氣、精制衛生廢氣、氯化衛生廢氣設1套尾氣處理系統，采用2級水洗2級堿洗;還原工段單設1套尾氣處理裝置，采用1級水洗2級堿洗。主要工藝特點有:

(1)根據尾氣成分、性質不同，尾氣處理系統分開設置，體現了工藝的針對性。3套尾氣處理裝置在總圖布置上盡量靠近氣源點，減少輸送管道的距離，有效降低了管道堵塞的可能性。

(2)尾氣處理采用水洗、堿洗相結合的工藝，可以對尾氣中HCl和Cl2分開獨立回收，不僅可以確保尾氣達標排放，還為企業增加了產品，帶來經濟效益。

1.5 工藝自動化控制

當代生產技術的發展，最大貢獻在于控制技術的廣泛應用。該項目工藝設計的最大特點就是充分利用了當今控制技術發展的最新成果，全面提升了工藝過程的自動監測和自動控制，提高了勞動生產率，從源頭上保證了產品質量的優質、穩定。

對氯化工段自動配料，氯化爐返漿噴淋量與氯化爐爐溫控制連鎖到尾部風機調頻控制;精制工段低價鈦反應器加料連鎖，蒸餾釜電加熱裝置與蒸餾塔溫度、壓力連鎖，工藝槽罐液位控制;還原反應各區溫度控制，蒸餾工序溫度、壓力控制;破碎工段連鎖控制;電解槽液位、壓力、溫度控制等等。均應用了自動監測、控制技術，提高了生產裝置的安全性，保證了工藝生產線上各設備溫度、壓力、液位等主要工藝參數處于受控狀態，對提高產品質量提供了技術保障。

2 投料試生產

2011年8月31日，第一臺還原反應器加料試車。根據技術引進合同，烏方工藝和自動控制等專家、中方專家、工程技術人員全程參與了第一爐海綿鈦生產的全過程，依次經歷還原、組裝、蒸餾、冷卻、拆卸、頂出，產出第一砣海綿鈦，歷時16天，產品質量達到預期的目標，為全面投料試車奠定了基礎。

2012年2月10日，精制工段按計劃投料，由于流程長、呼吸管道設計不盡合理、設備制作問題以及設備之間磨合的需要，從投料到精制工段全線拉通，經歷了半年多的時間。分析原因，主要在于設備和投料初期間斷操作使大量空氣混入系統帶來的管道堵塞問題。其次，問題集中在液位計等控制儀表的測量誤差上，由于四氯化鈦特殊的性質，遇到潮濕空氣立即水解并產生大量的煙霧，盡管設計選用了先進的雷達液位計作為精制工段槽罐液位的檢測儀表，但是由于四氯化鈦煙霧的影響，液位檢測誤差較大，增加了試車難度。

2012年7月26日，鎂精煉系統正式啟動，外購鎂錠經坩堝爐熔化后，用鎂抬包送到連續精煉爐，經過精煉，產出的精鎂通過鎂抬包送到還原工段。

2012年12月20日，氯化工段氯化爐正式啟動，經過烘爐、加鹽、滲鹽，同年12月27日開始加入高鈦渣、煅后石油焦和氯化鈉混合爐料，同時通入氯氣，氯化反應正式開始。

氯化爐啟動后，反應生成的含四氯化鈦混合氣體經收塵器沉降除塵進入淋洗塔，與淋洗塔噴出的液態四氯化鈦進行傳質傳熱，混合氣體中高沸點物與四氯化鈦等沸點較低的氣體分離，沉積于淋洗循環槽，沉積物經返漿泵再送到熔鹽氯化爐。淋洗后的混合氣體經冷凝塔，與低溫液態四氯化鈦進行傳質傳熱，四氯化鈦冷凝成液態，再經濃密機沉降實現固液分離，即產出粗四氯化鈦送精制生產工段?；旌蠚怏w冷凝回收四氯化鈦后的工藝尾氣經尾部風機送氯化尾氣處理系統。

2013年2月14日，主體工藝最后一個工段-鎂電解工段開始烤爐，3月11日開始投料、通電，3月12日產出第一批電解鎂液，3月21日鎂電解產出的氯氣經氯壓機加壓后送入氯化工段熔鹽氯化爐。

至此，項目氯化、精制、還原、蒸餾、破碎、鎂電解、鎂精煉、氯壓機壓縮等主體工藝全線投料試車完畢，實現了鎂、氯兩大循環，為海綿鈦項目后續生產、達產達標創造了條件。

3 存在的問題及建議

盡管項目引進技術具有一系列優點，但問題和不足依然存在。由于國內外標準、規范、法律、法規等的不同，工程設計中存在的問題主要表現在以下3個方面:

(1)設備配置不盡合理。比如，根據技術轉讓合同，熔鹽氯化爐壽命為3 a，獨聯體國家實際使用情況也可以達到3 a，因此項目氯化工段按2條氯化生產線來設計，設2臺熔鹽氯化爐是不合理的，在與烏方派駐現場的生產專家溝通中也證實了這一的看法。再如，精制工段低價鈦制備也設計2套系統，且所有配套設備均為2套，完全可以優化為主要設備反應器設2臺，配套設備公用。

(2)部分管道配置不盡合理。如呼吸管道，在整個試生產中已經暴露出來，管道堵塞頻發，影響了系統的穩定性和連續性。

(3)部分設備設計不合理。如還原工段現有排放裝置每套使用壽命僅3次左右，大大增加了海綿鈦的生產成本。還有如翻轉機、頂出機等。

針對上述工程設計上的不足，提出以下3點優化思路:

(1)引進技術首先必須全面分析技術的重點和亮點、適用條件、應用背景和管理要求，然后分析國內原料、技術、人才、管理等的適應性。在消化吸收的基礎上，結合國內實際情況，進行優化和完善，才能去其糟粕取其精華。

(2)針對投料試車以來的經驗，建議對熔鹽氯化爐、四氯化鈦液下泵、氯化鎂排放裝置、頂出機、破碎機等關鍵設備和環節展開深入研究，為早日順利實現引進技術目標創造條件。

(3)結合精制工段泥漿蒸發爐系統環境差的實際，建議結合昆明有色冶金設計研究院股份公司已授權專利開展進一步的研究論證，預計項目的實施，將大大改善精制工段勞動生產條件。

4 結 語

項目主體工藝引進烏克蘭技術，鎂電解采用多級鎂電解槽，技術適用、先進、安全、可靠，為企業今后的發展奠定了堅實的基礎。對于海綿鈦生產來說，由于技術難度大，工藝復雜，真正做到達產達標還有很長的路要走。對于引進技術來說，不僅需要在消化吸收的基礎上，理順生產工藝，更需要不斷創新優化，真正體現技術優勢，實現良好的經濟效益。

［1］鄧國珠.鈦冶金［M］.北京:冶金工業出版社，2010.

［2］韓明堂.熔鹽氯化在鈦工業中的研究和應用［J］.釩鈦，1993(3):38-40.

［3］徐日瑤.鎂冶金學［M］.北京:冶金工業出版社，1993.

［4］選礦廠設計手冊［M］.北京:冶金工業出版社，1988.

［5］段希祥.碎礦與磨礦［M］.北京:冶金工業出版社，2006.