鎂法海綿鈦生產(chǎn)能耗分析及節(jié)能措施

岑春鐵 王再軍

貴州遵鈦集團(tuán)

鎂法海綿鈦生產(chǎn)能耗分析及節(jié)能措施

岑春鐵 王再軍

貴州遵鈦集團(tuán)

國(guó)內(nèi)外海綿鈦生產(chǎn)主要是鎂還原-真空蒸餾法(又稱(chēng)Kroll法或聯(lián)合法)，其中還原--蒸餾和鎂電解是兩個(gè)主要耗能工序。我國(guó)在鋼鐵和其他高能耗企業(yè)的余熱回收利用方面都已進(jìn)行了卓有成效的工作，但對(duì)海綿鈦還原過(guò)程的余熱資源并未進(jìn)行回收利用。

海綿鈦；能耗；分析；新技術(shù)

目前，鎂熱還原法(克勞爾法)技術(shù)成熟，產(chǎn)品質(zhì)量好，但該法生產(chǎn)流程長(zhǎng)，能耗高，海綿鈦成本高，成為限制海綿鈦使用范圍的瓶頸。研究海綿鈦生產(chǎn)過(guò)程熱量平衡對(duì)于還原反應(yīng)過(guò)程節(jié)能具有一定的指導(dǎo)作用，對(duì)于降低海綿鈦成本，擴(kuò)大海綿鈦使用范圍具有重要意義。

1 鎂熱法還原鈦的主要規(guī)律

關(guān)于鎂熱法還原鈦的主要規(guī)律，相互作用機(jī)理的復(fù)雜性，在TiCl4變成金屬鈦之前，或者結(jié)束該過(guò)程時(shí)，都有附著、蒸發(fā)、冷凝、擴(kuò)散、溶解和結(jié)晶的物理過(guò)程，其放熱性、動(dòng)力學(xué)的不均衡性和還原的周期性，對(duì)于研究它的機(jī)理帶來(lái)很大困難。

研究TiCl4與鎂相互作用的機(jī)理，應(yīng)該首先確定可能進(jìn)行反應(yīng)的范圍和它們的次序，如果相互作用是分段進(jìn)行，就要規(guī)定出還原階段的限定條件，來(lái)研究還原的機(jī)理。可以認(rèn)為生成全屬鈦呈海綿狀，是氣態(tài)TiCl4與液體鎂相互作用的結(jié)果，或者是冷凝相互作用的結(jié)果。有文獻(xiàn)否認(rèn)了在一般采用的鎂熱法還原過(guò)程中，反應(yīng)物在氣相中相互作用的可能性，認(rèn)為只有在熔融的鎂液面上加入TiCl4才能反應(yīng)，組份在氣相中作用的優(yōu)勢(shì)，只有當(dāng)鎂的利用率達(dá)60%～80%之后，也就是在過(guò)程的末期，此時(shí)它的反應(yīng)速度才開(kāi)始下降。相反，氣相中的相互作用僅發(fā)現(xiàn)在過(guò)程的開(kāi)始階段，此時(shí)，在加TiCl4之前反應(yīng)空間有鎂蒸氣。也有文獻(xiàn)認(rèn)為，在還原過(guò)程的一定條件下，反應(yīng)物在氣相中相互作用較為突出。

2 海綿鈦還原過(guò)程余熱利用

2.1 優(yōu)化還原加熱制度

優(yōu)化溫度控制工藝降低電耗還原電爐爐腔內(nèi)溫度采用四區(qū)控制(從爐頂至爐底分別為1、2、3、4區(qū))，反應(yīng)界面介于1區(qū)和2區(qū)之間，每區(qū)設(shè)有電熱裝置，由于各區(qū)工藝要求不同，各區(qū)的溫度設(shè)置范圍及加熱時(shí)段有所不同。跟蹤生產(chǎn)過(guò)程發(fā)現(xiàn)，還原過(guò)程中各區(qū)溫度控制不合理，主要體現(xiàn)為：(1)還原各區(qū)之間無(wú)明顯溫度梯度，氯化鎂與鎂分層效果差;(2)還原1區(qū)和2區(qū)控制的最低溫度較高，導(dǎo)致該區(qū)域加熱裝置工作時(shí)間延長(zhǎng)，電耗增大;(3)3區(qū)和4區(qū)溫度偏低，底部物料粘度大，影響排料。此針對(duì)還原加熱過(guò)程中存在的問(wèn)題對(duì)還原加熱工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整。

加熱制度優(yōu)化后，充分利用了還原反應(yīng)熱，減少了由冷卻煙氣帶走的熱量損失，同時(shí)減少了電阻絲的啟動(dòng)頻率，降低了設(shè)備故障率。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，還原加熱制度優(yōu)化后，噸海綿鈦電耗降低了310kWh。

2.2 減少設(shè)備故障率，縮短間歇時(shí)間

海綿鈦生產(chǎn)是間歇過(guò)程，間歇時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或者生產(chǎn)安排不合理，造成生產(chǎn)周期延長(zhǎng)，設(shè)備在間歇過(guò)程中冷卻，造成熱量散失，能耗增大。

(1)產(chǎn)能為7.5t/爐的還原罐排出的熱態(tài)氯化鎂溫度從900℃下降到500℃的熱量損失高達(dá)2.34×107kJ，折合電耗為6486kWh，噸海綿鈦電耗為864.51kWh，增加海綿鈦成本。

(2)由于設(shè)備故障需要停爐操作時(shí)，爐體冷卻后重新升溫會(huì)增加電耗，同時(shí)增大間歇時(shí)間。若生產(chǎn)安排合理，還原電爐溫度可保持在600℃左右，較之電爐溫度為300℃時(shí)可節(jié)約電能2.04×106kJ/h，占加熱期間總電耗的6.88%，因此在生產(chǎn)中要注意電爐的保溫，同時(shí)保證生產(chǎn)的連續(xù)性，縮短間歇時(shí)間。

2.3 還蒸工序

還蒸工序是海綿鈦生產(chǎn)的關(guān)鍵工序，其工藝是在880～950℃下的氬氣氣氛中，讓四氯化鈦與金屬鎂進(jìn)行反應(yīng)得到海綿狀的金屬鈦和氯化鎂，用真空蒸餾除去海綿鈦中的氯化鎂和過(guò)剩的鎂，從而獲得純鈦，剩余的液體鎂作為生產(chǎn)原料使用，還原產(chǎn)生的氯化鎂則經(jīng)電解回收鎂和氯氣。鎂熱還原-真空蒸餾法生產(chǎn)海綿鈦分為還原-蒸餾設(shè)備分離法和聯(lián)合法，聯(lián)合法還蒸設(shè)備分為I型爐(半聯(lián)合法)和倒U型爐。

(1)I型爐：優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易操作，產(chǎn)品疏松度好；缺點(diǎn)是在蒸餾結(jié)束后需同時(shí)吊起兩個(gè)反應(yīng)器，對(duì)天車(chē)噸位、廠房標(biāo)高要求高；反應(yīng)器在安裝、拆卸時(shí)需翻轉(zhuǎn)180°，因噸位大而翻轉(zhuǎn)困難。一般為3--4t/爐，最大為7.5t/爐。

(2)倒U型爐：缺點(diǎn)是連接兩反應(yīng)器的過(guò)渡管需加熱，并需解決熱脹冷縮問(wèn)題，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作要求仔細(xì)；優(yōu)點(diǎn)是兩反應(yīng)器可分別吊裝。倒U型法有利于設(shè)備大型化，可進(jìn)一步擴(kuò)大單爐產(chǎn)能。目前國(guó)內(nèi)最高已達(dá)8t/爐，準(zhǔn)備擴(kuò)大到10t/爐，12t/爐也已通過(guò)鑒定。

提高還原過(guò)程的散熱能力是強(qiáng)化工藝條件的主要途徑，應(yīng)努力探索新的方法，拓展還原過(guò)程散熱途徑，從而縮短還原過(guò)程的生產(chǎn)周期，有效的發(fā)揮現(xiàn)有設(shè)備的潛能，也是企業(yè)提高技術(shù)水平的必經(jīng)之路。

[1] 莫畏等編.鈦冶金[M].北京：冶金工業(yè)出版社,1998

[2] 葉大倫編.實(shí)用無(wú)機(jī)熱力學(xué)數(shù)據(jù)手冊(cè)[M].北京：冶金工業(yè)出版社,1979

the production of sponge titanium at home and abroad is mainly magnesium reduction vacuum distillation (also known as Kroll method or combination method), which is the two main energy consuming processes of reduction distillation and magnesium electrolysis. The waste heat recovery and utilization of iron and steel and other high energy consuming enterprises in China have been carried out fruitful work, but the waste heat resource of sponge titanium reduction process has not been recycled.

sponge titanium; energy consumption; analysis; new technology