論鎂法海綿鈦生產(chǎn)中設備預處理的影響及改進

陳太武

（貴州遵鈦（集團）有限責任公司，貴州遵義 563004）

鎂法海綿鈦生產(chǎn)［1］，是在高溫狀態(tài)下，用精鎂將精TiCl4還原成金屬鈦的過程，再利用反應產(chǎn)物各組分飽和蒸汽壓的差異，通過高溫真空蒸餾提純得到純凈的鈦，因所得到的結晶鈦結構酷似海綿而得名。

近年來，隨著海綿鈦在海洋、航空、軍工等領域應用的不斷發(fā)展，民品、軍品領域新產(chǎn)品的不斷開發(fā)，其對原材料即海綿鈦產(chǎn)品質量提出了各種特殊需求，特別是對“超軟鈦”、“低氧鈦”等優(yōu)質海綿鈦產(chǎn)品的需求呈現(xiàn)出越來越多態(tài)勢。鎂法海綿鈦生產(chǎn)中使用的反應罐等設備是鋼質的，而且是采用周期性的生產(chǎn)組織方式。新反應設備的使用（即第一次使用），容易導致產(chǎn)品中鐵含量的增加，而使用一個生產(chǎn)周期后的舊設備，又存在增加氧、氮等雜質元素進入產(chǎn)品的風險，影響產(chǎn)品質量的穩(wěn)定性，輕微時會出現(xiàn)降級，嚴重時則會出現(xiàn)廢品。在生產(chǎn)使用前對反應罐等設備進行預處理，成為控制海綿鈦產(chǎn)品質量的重要環(huán)節(jié)之一，改進設備預處理工藝，對提升海綿鈦產(chǎn)品質量有著重要的保障作用。

1 反應設備預處理現(xiàn)狀與影響

鎂法海綿鈦生產(chǎn)中，直接用于還原反應的設備主要有反應罐、篩板和大蓋，都是采用鋼質的材料。在生產(chǎn)過程中，反應罐和大蓋的內表面、篩板的全表面均與海綿鈦產(chǎn)品直接接觸。不論是新的，還是重復使用的舊設備，其預處理質量的好壞，對海綿鈦產(chǎn)品質量都有著較大的影響。反應設備的預處理主要包括新設備滲鈦處理、新舊設備的表面處理和預抽空處理。

1.1 新反應設備的滲鈦處理

在使用新的反應罐、篩板等設備時，要預防雜質鐵元素的影響。鋼質材料在高溫條件下，液鎂對鐵質器壁會產(chǎn)生溶解［1］，故液鎂中會含一定量的鐵，在海綿鈦生產(chǎn)中這部分雜質鐵便轉移至鈦中且分布均勻，隨著溫度的升高，鐵在鎂中的溶解度也會升高，從而導致產(chǎn)品中的鐵含量升高，嚴重影響產(chǎn)品質量。鐵在鎂中溶解度與溫度的關系圖如圖1所示。

圖1 鐵在鎂中溶解度與溫度的關系曲線圖

另外，在還原過程中，當達到鈦鐵合金共熔點溫度時（1 085℃），在反應設備表面及附近容易形成鈦鐵合金層，從而使海綿鈦產(chǎn)品中的鐵含量急劇升高。在生產(chǎn)中，大多是采用滲鈦處理工藝對新反應罐、新篩板進行預處理，從而有效地控制雜質鐵元素的影響。表1是某廠用滲鈦合格的新反應罐、篩板生產(chǎn)的產(chǎn)品鐵含量的統(tǒng)計。

表1 某廠用滲鈦合格的新反應罐、篩板生產(chǎn)的產(chǎn)品鐵含量統(tǒng)計表

1.2 舊反應設備的表面處理和預抽空處理

鎂法海綿鈦生產(chǎn)是采用周期性的組織方式，一個生產(chǎn)周期結束后，反應設備不可避免地暴露在潮濕的空氣中，而經(jīng)過第一次使用后的反應罐、大蓋的內表面以及篩板的全表面上必然殘留較多的各種化合價的低價鈦、鎂及氯化鎂混合物等，這些物質對空氣及空氣中的水分有很強的吸附性，容易形成“回潮”現(xiàn)象，而且在常溫下難以脫除，從而增加氮、氧、氫等雜質元素進入海綿鈦產(chǎn)品的風險，最終影響產(chǎn)品質量。在生產(chǎn)控制中，對舊設備的表面采取加強清理、盡可能控制暴露在空氣中的時間，并采取預抽真空的工藝進行脫除被吸附的空氣及水分。表2是某廠用表面處理和預抽處理合格的舊設備生產(chǎn)的產(chǎn)品質量統(tǒng)計。

表2 某廠用表面處理和預抽處理合格的舊設備生產(chǎn)的產(chǎn)品質量統(tǒng)計表

1.3 反應設備的預抽空處理

新、舊反應設備都要采取預抽真空的工藝進行預處理。對于新設備而言，主要是檢查反應設備本身的漏點及組裝的氣密性。而對于舊設備來說，不但要檢查反應設備本身的漏點及組裝的氣密性，還要利用預抽真空的工藝脫除設備表面低價鈦、鎂及氯化鎂混合物等吸附的空氣及水分，預防空氣中氮、氧、氫等雜質元素的影響。表3是某廠用預抽合格的新、舊設備生產(chǎn)的產(chǎn)品質量統(tǒng)計。

2 反應設備預處理改進

2.1 新反應罐滲鈦工藝的改進

新反應罐滲鈦［2］，是利用鈦與鐵在高溫下形成鈦鐵合金的原理，即在鋼質反應罐的表面涂刷一層鈦粉，再經(jīng)過高溫燒結滲透形成一層薄薄的鈦鐵合金，在生產(chǎn)中起到隔離作用，從而防止雜質鐵的影響。

表3 某廠用預抽合格的新、舊反應罐生產(chǎn)的產(chǎn)品質量統(tǒng)計表

改進新反應罐滲鈦工藝，主要采取的措施：一是采用低濃度的鹽酸浸泡的方式加強新反應罐表面鐵銹的清理，然后在潔凈的表面涂刷鈦粉，防止?jié)B鈦層的脫落現(xiàn)象；二是改進抽空操作，并優(yōu)化高溫燒結時間段的控制，提高滲鈦層的質量；三是在滲鈦合格的新反應罐使用時，采取再加少量的液態(tài)精鎂與TiCl4進行低溫汽化反應，預先生成一定量的鈦粉末覆蓋在反應罐器壁，強化生產(chǎn)過程中的隔離作用，能更好地降低雜質鐵含量；四是提高滲鈦檢驗標準，對滲鈦不合格的必須進行重新滲鈦處理。實踐表明，新反應罐滲鈦處理，對雜質鐵元素的控制起著重要的作用，而新篩板的滲鈦處理則影響相對較小。表4是某廠新反應罐滲鈦情況及所生產(chǎn)的產(chǎn)品鐵含量統(tǒng)計。

表4 某廠新反應罐滲鈦情況及所生產(chǎn)的產(chǎn)品鐵含量統(tǒng)計表

2.2 舊反應設備表面處理工藝改進

舊反應罐、篩板、大蓋的表面處理改進，重點在于減少設備與產(chǎn)品接觸的表面暴露在空氣中的時間，特別是要防止直接與水接觸，從而減少表面上附著的低價鈦、鎂及氯化鎂混合物等與空氣及水分的接觸，減少吸附。同時加強表面清理，盡可能清除已吸附較多空氣及水分的低價鈦、鎂及氯化鎂混合物等。改進后，有利于穩(wěn)定預抽空時間控制，也有利于產(chǎn)品質量控制。表5是某廠新、舊設備的表面暴露時間和預抽真空時間的統(tǒng)計。

表5 某廠新、舊設備的表面暴露時間和預抽真空時間的統(tǒng)計表

2.3 舊反應罐預抽處理工藝改進

舊反應罐清理后剩余的少量殘留物仍然會吸附空氣中的水分，直接投入生產(chǎn)會導致海綿鈦產(chǎn)品中的氧、氮雜質含量升高，所以在生產(chǎn)前必須進行預抽空處理。主要改進措施：一是對正常情況下的舊反應罐適當?shù)匮娱L預抽空時間，盡最大可能脫除被吸附的空氣及水分；二是對暴露時間較長、尤其是因故障與水直接接觸的舊反應罐，采取將其加熱到200～300℃的溫度下恒溫2～3 h或者更長時間，并同時進行預抽空，更好地脫除水分，實踐表明可以大大地減少預抽空時間；三是提高預抽空的驗收標準，強化預抽空效果。

生產(chǎn)中，經(jīng)常是根據(jù)具體情況而進行多項措施的組合使用，能夠收到不錯的綜合效果。

3 結 語

1.改進新反應罐的滲鈦工藝，提高滲鈦質量，可以有效地預防雜質鐵元素的影響。在滲鈦合格的新反應罐使用時，增加低溫汽化反應措施，對控制雜質鐵元素的波動有一定的促進作用。

2.對舊反應設備而言，盡可能縮短暴露在空氣中的時間，并加強表面清理，對穩(wěn)定海綿鈦產(chǎn)品質量控制有重要作用。

3.采取不同的預抽空工藝，對產(chǎn)品質量控制有不同的控制效果，但應結合生產(chǎn)成本控制進行取舍。

4.根據(jù)生產(chǎn)實際，聯(lián)合采用改進滲鈦工藝、減少暴露時間及加強預抽空等措施，收到的綜合效果更好，更有利于提高產(chǎn)品質量。