海綿鈦倒U型反應(yīng)器中排氯化鎂管固定結(jié)構(gòu)優(yōu)化

柴玉川，原浩楠，柴寧寧，張迎迎，王 哲

(河南龍佰智能裝備制造有限公司, 河南 焦作 454000)

近年來，隨著鈦合金在航天航空、海洋工程、生物醫(yī)療等領(lǐng)域應(yīng)用的不斷發(fā)展，對其原材料海綿鈦的要求也不斷提高[1]。鎂還原-蒸餾法(克勞爾法)是海綿鈦生產(chǎn)廠家批量生產(chǎn)海綿鈦的主要方法[2，3]。目前，海綿鈦生產(chǎn)設(shè)備主要有“I”型還原蒸餾爐和倒“U”型還原蒸餾爐，哈薩克斯坦的UKTMP公司、俄羅斯的VSMPO-AVISMA公司和國內(nèi)的攀鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司海綿鈦分公司、朝陽金達(dá)鈦業(yè)股份有限公司等采用“I”型還原蒸餾爐，日本的大阪鈦科技股份公司、國內(nèi)的遵義鈦業(yè)股份有限公司等采用倒“U”型還原蒸餾爐[4]。反應(yīng)器是鎂還原-蒸餾工藝的主要承載設(shè)備，主要采用低碳鋼或者奧氏體不銹鋼制造，其中，低碳鋼具有加工工藝簡單，制造成本低，生產(chǎn)的海綿鈦中Cr、Ni等雜質(zhì)元素含量較低等優(yōu)點(diǎn)，但其強(qiáng)度較低，抗氧化性差，使用壽命一般僅8～9次[5]；奧氏體不銹鋼的強(qiáng)度高，抗氧化性和抗腐蝕性好，使用壽命長，一般能夠使用30次左右，但不銹鋼反應(yīng)器的材料成本和制造成本均較高[6]。此外，奧氏體不銹鋼的合金元素容易進(jìn)入物料中，且無法通過蒸餾去除，會(huì)導(dǎo)致海綿鈦被污染[7]。因此，各海綿鈦生產(chǎn)廠家都在嘗試采用復(fù)合板制造反應(yīng)器，其內(nèi)部為碳鋼，外部為不銹鋼，可兼顧2種材料的性能優(yōu)點(diǎn)。

在倒U型反應(yīng)器中，排氯化鎂管起著至關(guān)重要的作用。通過從反應(yīng)器頂部通入氬氣，將還原反應(yīng)生成的液態(tài)MgCl2、少量的Mg和TiCl2/TiCl3等，以及其他雜質(zhì)成分從排氯化鎂管中排出反應(yīng)器。現(xiàn)階段，國內(nèi)大多數(shù)反應(yīng)器采用內(nèi)排氯化鎂的方式，且排氯化鎂管與反應(yīng)器內(nèi)壁之間均通過圓鋼焊接固定。在800～1100 ℃的工作環(huán)境中，排氯化鎂管極易發(fā)生變形，導(dǎo)致圓鋼脫焊，或排氯化鎂管沿橫向斷裂，嚴(yán)重影響生產(chǎn)進(jìn)程，同時(shí)會(huì)降低海綿鈦的質(zhì)量[8-11]。針對生產(chǎn)實(shí)踐中出現(xiàn)的排氯化鎂管脫焊、斷裂等失效現(xiàn)象，對其結(jié)構(gòu)和材料進(jìn)行分析，通過優(yōu)化排氯化鎂管的固定結(jié)構(gòu)，以期解決排氯化鎂管易失效的問題，延長設(shè)備使用壽命，保證生產(chǎn)計(jì)劃按期完成，降低生產(chǎn)成本。

1 失效原因分析

圖1為某公司倒U型反應(yīng)器內(nèi)已發(fā)生失效的排氯化鎂管照片。還原蒸餾階段，反應(yīng)器內(nèi)各區(qū)域溫度不同，在MgCl2從底部轉(zhuǎn)移到頂部的過程中，排氯化鎂管與筒體之間存在溫度差，因受熱產(chǎn)生的變形量不同，故排氯化鎂管與反應(yīng)器筒體之間極易脫焊(圖1a)，導(dǎo)致鈦坨取出困難；排氯化鎂管縱管在橫管下方附近位置脫焊失去固定后，橫管在服役期間向筒體內(nèi)沿伸，進(jìn)一步將縱管頂向筒體中心位置，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致橫管與縱管連接處發(fā)生斷裂失效(圖1b)；當(dāng)排氯化鎂管脫焊返修達(dá)一定次數(shù)后，排氯化鎂管易發(fā)生橫向斷裂(圖1c、1d)，導(dǎo)致液態(tài)MgCl2不能完全抽離反應(yīng)器，嚴(yán)重影響海綿鈦的正常生產(chǎn)，造成整爐次的海綿鈦質(zhì)量降級。

周立國[12]對某公司生產(chǎn)的海綿鈦鈦坨進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)處于反應(yīng)器內(nèi)壁附近的爬壁鈦中存在較多的雜質(zhì)元素，疏松多孔的海綿鈦中有大量白色顆粒。能譜分析結(jié)果顯示，白色顆粒中存在大量的Mg、Cl、Fe、Cr等雜質(zhì)元素。在高溫服役環(huán)境中，鈦坨與鋼材發(fā)生元素互擴(kuò)散現(xiàn)象，筒體和排氯化鎂管中的Fe、Cr等元素進(jìn)入鈦坨，導(dǎo)致鈦坨質(zhì)量降低，而鈦坨中的Ti元素?cái)U(kuò)散進(jìn)入筒體和排氯化鎂管中，會(huì)影響排氯化鎂管的力學(xué)性能。

圖2為倒U型反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖。排氯化鎂管縱管通過圓鋼焊接固定在反應(yīng)器內(nèi)壁(圖2b)，并在反應(yīng)器頂部與橫管連接(圖2c)。排氯化鎂管受熱發(fā)生伸縮時(shí)，因?yàn)榕c反應(yīng)器筒體受熱變形量不一致，圓鋼處焊縫受拉應(yīng)力的作用導(dǎo)致脫焊。在使用一定的循環(huán)爐次后，排氯化鎂管由于在高溫下服役時(shí)間較長，奧氏體鋼母材和焊縫會(huì)析出σ相和碳化物，這些脆性中間相向晶界處遷移、聚集，如果在晶界處呈連續(xù)片狀分布或在晶內(nèi)呈現(xiàn)針狀形貌，將導(dǎo)致材料脆化[13-15]；在還原蒸餾期間，海綿鈦與排氯化鎂管發(fā)生元素互擴(kuò)散，導(dǎo)致排氯化鎂管逐漸出現(xiàn)脆化傾向[12]。排氯化鎂管由圓鋼焊接固定，為剛性連接，在服役過程中易產(chǎn)生橫向裂紋，導(dǎo)致脆性斷裂。排氯化鎂管橫管與縱管為“T”型連接，當(dāng)縱管與反應(yīng)器內(nèi)壁脫焊后，連接部位承受的載荷增大，易發(fā)生變形或斷裂。

圖2 倒U型反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

通過以上分析可以看出，排氯化鎂管與反應(yīng)器筒體采用圓鋼焊接形式的剛性連接是導(dǎo)致排氯化鎂管脫焊及斷裂的一個(gè)重要原因。圖3為優(yōu)化后排氯化鎂管固定結(jié)構(gòu)的示意圖。排氯化鎂管采用Ω卡扣固定，如圖4所示。Ω卡扣套在排氯化鎂管上，與排氯化鎂管存在一定間隙，兩端焊接在反應(yīng)器內(nèi)壁。在該設(shè)計(jì)中，排氯化鎂管可以在橫向發(fā)生少量的塑性變形，并且被允許在縱向伸縮，有效降低了排氯化鎂管因受熱變形而發(fā)生斷裂的傾向。在靠近排氯化鎂管橫管與縱管連接處仍采用圓鋼焊接方式固定，這樣能夠有效防止排氯化鎂管橫管在服役期間將縱管頂向反應(yīng)器中心位置，從而起到保護(hù)作用。

圖3 優(yōu)化后排氯化鎂管固定結(jié)構(gòu)的示意圖

3 結(jié)果與討論

某公司采用優(yōu)化后的排氯化鎂管固定結(jié)構(gòu)進(jìn)行海綿鈦生產(chǎn)，投爐使用6個(gè)循環(huán)爐次后的實(shí)際效果如圖5所示。從圖5可以看出，使用6個(gè)循環(huán)爐次后，排氯化鎂管未發(fā)生明顯的塑性變形，仍較為平直，表面未發(fā)現(xiàn)橫向裂紋，且接近橫管位置的圓鋼焊接結(jié)構(gòu)同樣未發(fā)現(xiàn)脫焊現(xiàn)象，縱管未向反應(yīng)器中心變形；Ω卡扣與反應(yīng)器筒體焊接位置并未發(fā)生脫焊、斷裂等缺陷，仍具有固定作用。

采用優(yōu)化后的固定結(jié)構(gòu)，排氯化鎂管的斷裂失效發(fā)生在使用15個(gè)循環(huán)爐次后。而采用圓鋼固定的老式結(jié)構(gòu)，排氯化鎂管一般在使用3個(gè)循環(huán)爐次后發(fā)生脫焊導(dǎo)致返修，同一根排氯化鎂管使用8個(gè)循環(huán)爐次后發(fā)生橫向斷裂。將斷裂的排氯化鎂管更換后才能繼續(xù)投爐使用，嚴(yán)重影響生產(chǎn)進(jìn)度。對排氯化鎂管的固定結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，可有效避免排氯化鎂管斷裂而發(fā)生進(jìn)氣或氯化鎂無法排出而導(dǎo)致還原停爐的問題，對于保障海綿鈦產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)進(jìn)度具有重要意義。

按年產(chǎn)海綿鈦15 000 t/a計(jì)算，26臺還原-蒸餾爐，單爐產(chǎn)量6.5 t，每臺爐每年需要循環(huán)88次。優(yōu)化前排氯化鎂管平均在使用3個(gè)循環(huán)爐次后發(fā)生脫焊，返修時(shí)間約為1 d，在使用8個(gè)循環(huán)爐次后發(fā)生斷裂，更換排氯化鎂管的時(shí)間約為3 d，經(jīng)計(jì)算每臺爐平均一年維修和更換排氯化鎂管分別需要22 d和33 d；優(yōu)化后排氯化鎂管按使用8個(gè)循環(huán)爐次后發(fā)生脫焊，使用15個(gè)循環(huán)爐次后發(fā)生斷裂，計(jì)算得出每臺爐平均一年維修和更換排氯化鎂管分別需要5.9 d和17.6 d。因此，26臺爐每年可節(jié)約維修時(shí)間418.6 d，節(jié)約更換排氯化鎂管時(shí)間400.4 d。按每天人工費(fèi)400元，每年可節(jié)約人工費(fèi)用約32.76萬元；不銹鋼排氯化鎂管按8000元/根計(jì)算，每年可節(jié)約排氯化鎂管約133根，106.4萬元。使用固定結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的排氯化鎂管能夠降低企業(yè)生產(chǎn)成本，同時(shí)保證生產(chǎn)進(jìn)度，有效提高了海綿鈦的生產(chǎn)效率。

4 結(jié) 論

(1) 在高溫服役環(huán)境下，排氯化鎂管與鈦坨發(fā)生元素互擴(kuò)散現(xiàn)象，導(dǎo)致管材脆性增大，易斷裂失效。圓鋼焊接固定方式是導(dǎo)致排氯化鎂管失效的主要原因。

(2) 對排氯化鎂管固定結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化后，降低了鈦坨取出難度，明顯減小了排氯化鎂管的斷裂頻次，延長了使用壽命。

(3) 固定結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，減少了因排氯化鎂管失效導(dǎo)致停爐返修的次數(shù)，大大縮短了生產(chǎn)工期，降低了生產(chǎn)成本，提高了海綿鈦的生產(chǎn)效率。