海綿鈦生產中蒸餾法除氯雜質的影響因素

曹萬寶

摘要：本文從影響蒸餾法除去海綿鈦中氯雜質的關鍵影響因素出發，探究了各項影響因素的作用原理，在試驗的基礎上總結如何控制影響因素將海綿鈦中氯雜質含量降至最低。

關鍵詞：海綿鈦、蒸餾溫度、蒸餾時間、蒸餾真空

引言：

鈦合金為航空航天、化工裝備制作、深海遠洋等方面重要材料。海綿鈦做為鈦合金的基礎原材料，海綿鈦的純度越高對下游鈦材生產越有益，除去氯雜質是海綿鈦生產中的一項關鍵環節。蒸餾法除氯為行業普遍應用方法，其中蒸餾溫度、真空度、時間是影響蒸餾法除海綿鈦中氯雜質的主要影響因素。

1、海綿鈦生產過程簡述

海綿鈦生產所需原料鎂和四氯化鈦，生產過程主要化學反應方程式如下：2Mg+TiCl4=2MgCl2+Ti

鎂錠加入反應器內，升溫熔化后加入四氯化鈦，通過還原反應生成氯化鎂和鈦單質。高溫下生成的氯化鎂以液態存在，鈦以固態存在。達到一定加料量后需要排放生成的氯化鎂，鈦逐漸富集在一起，形成鈦坨。游離態的氯化鎂被逐漸排出，剩余的氯化鎂被鈦坨吸附。還原結束將鈦坨中吸附的鎂和氯化鎂進行高溫負壓蒸餾與鈦坨分離。在真空狀態下將反應器高溫加熱，利用鎂和氯化鎂的飽和蒸氣壓高于鈦，使鎂和氯化鎂揮發至另一冷端承接反應器內。蒸餾結束后鎂和氯化鎂全部從鈦坨中揮發干凈，得到純凈的鈦。

2、蒸餾過程提純鈦坨，排出氯雜質的影響因素

在蒸餾提純環節，鎂的飽和蒸氣壓大于氯化鎂，容易揮發干凈。氯化鎂則是影響蒸餾結果的關鍵雜質。蒸餾除氯雜質主要與時間、溫度、真空度密切相關。

2.1溫度對蒸餾法除氯雜質的影響

為了明確蒸餾溫度對除氯雜質的影響狀況，做了如下3組對比試驗：

以上試驗數據可見：當爐體各段溫度均按照溫度M設定時產品中氯雜質不能全部揮發，海綿鈦中氯含量較高。當蒸餾各階段均較原來M值提高90℃后，蒸餾溫度偏高，產品中氯雜質亦不能有效揮發，產品中氯雜質甚至更高。當蒸餾溫度有梯度性，隨著蒸餾過程逐漸提升后，產品中氯雜質含量明顯降低。

在還原結束后，鈦坨內外存在大量未排凈的氯化鎂。隨著蒸餾過程的進行，鈦坨表面的氯化鎂揮發干凈，鈦坨內部的氯化鎂隨之向外蒸發。海綿鈦的導熱性較差，在蒸餾過程中，需要外部持續高溫加熱，鈦坨內部溫度才足夠高，使內部的氯化鎂揮發至鈦坨表面，進而蒸餾除去。在蒸餾過程中鈦坨表面要經受900℃以上的高溫，在高溫過程中鈦坨表面出現燒結收縮，導致毛細孔關閉，無法為氯化鎂從鈦坨內部向外排出提供有效通道，溫度越高，毛細孔收縮越嚴重。氯化鎂的高溫揮發與高溫時鈦坨收縮導致毛細孔的關閉從而影響氯化鎂的揮發形成矛盾。尋找兩者之間的平衡點至關重要。

通過以上理論和試驗分析，得到蒸餾過程中分階段逐漸升溫，鈦坨中的氯化鎂由內至外逐漸揮發，同時鈦坨又不會大量燒結，鈦坨中有足夠的毛細孔通道供氯化鎂揮發使用，產品氯雜質含量明顯偏低。

2.2時間對蒸餾法除氯雜質的影響

為了明確蒸餾時間對除氯雜質的影響狀況，做了如下3組對比試驗：

從以上數據可見：隨著時間的延長，鈦坨中氯化鎂逐漸揮發，產品中氯雜質含量逐漸降低，但是蒸餾時間足夠長后再延長時間對產品中氯含量降低作用甚微。

蒸餾前期氯的揮發速度很快，隨著蒸餾時間的延長氯雜質的揮發速度越來越小。有試驗數據顯示，蒸餾過程中用90%的蒸餾時間除去海綿鈦中剩余10%的氯，越到蒸餾后期，氯雜質揮發越少。當氯雜質降低到一定含量后再延長時間已無意義。過長的蒸餾時間還會使反應器內壁中鐵元素過多的滲入海綿鈦中，造成鐵含量升高，鈦坨收縮的程度還會較大，造成產品致密，影響綜合質量。

2.3真空度對蒸餾法除氯雜質的影響

為了明確真空度對蒸餾過程除氯雜質的影響狀況，做了如下3組對比試驗：

從以上試驗可見，高溫階段隨著系統真空度增加，產品中氯含量逐漸降低，但真空度達到一定程度后產品中氯含量區別不大。

海綿鈦蒸餾提純采用真空蒸餾，在同樣溫度下真空度越高，相應組分的沸點越低，飽和蒸氣壓越高，越容易揮發，鎂和氯化鎂的蒸發速度越快。但海綿鈦的沸點降低程度遠不及鎂和氯化鎂，所以在真空蒸餾狀況下鎂和氯化鎂更容易揮發，但鈦仍保持固態。

蒸餾后期多數氯化鎂已揮發干凈，只有鈦坨內部少量氯化鎂未揮發，需要更高的真空度來進一步降低沸點，促進其揮發。實際生產中當真空度達到0.1pa后再降低真空度對鈦坨中氯雜質的揮發貢獻有限，同時考慮生產成本等實際情況，控制蒸餾中后期真空度達到0.1Pa左右即可達到滿意效果。

3、總結

從以上試驗得出：

（1）蒸餾過程逐漸提溫，能夠減少鈦坨收縮，增加氯雜質揮發。

（2）針對不同爐型，通過試驗可以得到合理蒸餾時間，不需要過長的蒸餾時間。

（3）在其他條件滿足的情況下，蒸餾后期真空度達到0.1-1Pa即可滿足蒸餾要求。

參考文獻：

[1]莫未.鄧國珠.羅方成.鈦冶金[M].北京：冶金工業出版社，1998.