海绵钛生产过程还原周期影响因素研究

doi：10.3969/j.issn.1007-7545.2015.08.007

海绵钛生产过程还原周期影响因素研究

李亮1，李开华1，苗庆东1，盛卓1，程晓哲1，许虎诚2，夏建辉2

（1.攀钢集团研究院有限公司，钒钛资源综合利用国家重点实验室，四川攀枝花617000；

2.攀钢集团钛业有限责任公司，四川攀枝花617000）

摘要：分析了镁热还原TiCl4制备海绵钛还原生产过程中各阶段在还原周期中的分布，并考察了冷凝镁与镁锭用量、TiCl4加料、高恒温时间、设备故障对还原周期延长的影响。结果表明，冷凝镁与镁锭用量越大，还原周期的延长趋势越明显；高恒温耗时与TiCl4的加料稳定控制、降低加料器与排料阀等设备故障可有效缩短还原周期。关键词：海绵钛；还原周期；影响因素；镁热还原

中图分类号：TF823 文献标志码：A 文章编号：1007-7545（2015）08-0000-00

Analysis on Influence Factors for Period of Reduction Process in Titanium Sponge

Production

LI Liang1, LI Kai-hua1, MIAO Qing-dong1, SHENG Zhuo1, CHENG Xiao-zhe1, XU Hu-cheng2, XIA Jian-hui2 (1. State Key Laboratory of Vanadium and Titanium Comprehensive Utilization, Pangang Group Research Institute Co. Ltd, Panzhihua 617000, Sichuan, China; 2.Pangang Group Titanium Co. Ltd, Panzhihua 617000, Sichuan, China）Abstract：The proportion distribution of different stages during titanium sponge reduction production by magnesiothermic reduction was analyzed. The effects of dosage of condensate magnesium and magnesium ingot, TiCl4 charging, high temperature constant time, and equipment failure on period of reduction process were investigated. The results show that period of reduction process is extended with increasing dosage of condensate magnesium and magnesium ingot. Period of reduction process can be shortened remarkably by lowering equipments failure rate and stabilizing high temperature constant time and TiCl4 charging.

Key words：titanium sponge; period of reduction process; influence factor; magnesiothermic reduction

钛因其比强度高、密度小、耐高温低温性能优良、耐腐蚀等优点被广泛应用于航空航天、船舶、冶金、化工、汽车以及能源等领域，而海绵钛是制备钛材、钛粉及其他钛构件的重要原材料[1-3]。目前国内外均采用镁热还原四氯化钛的方法（克劳尔法）制备海绵钛，该法主要包括镁还原四氯化钛、还原产物真空蒸馏、海绵钛产品的后处理三大工序[4]。还原与蒸馏工序为海绵钛生产的核心工序，也是决定海绵钛产品质量的关键环节[5]。国内某海绵钛厂采用7.5 t大型“I”型半联合还原蒸馏系统，该系统具有产能大、产品质量好等优点[4,6]，但在还原过程中常出现还原周期波动现象，严重影响海绵钛产品质量与生产过程管控。为进一步缩短还原周期、降低还原过程能耗，开展还原过程中各生产操作环节对还原周期控制的影响分析具有重要的实际意义。

1 还原反应原理与工艺

镁热还原四氯化钛的过程涉及气、液、固多相反应，其主反应为镁与四氯化钛之间的反应，产物为液态的副产物氯化镁与固态的海绵状金属钛。

1/2TiCl4(g)+Mg(l)=MgCl2(l)+1/2Ti(s) (1)

1/2TiCl4(g)+Mg(g)=MgCl2(l)+1/2Ti(s) (2)

1/2TiCl4(l)+Mg(g)=MgCl2(l)+1/2Ti(s) (3)

1/2TiCl4(l)+Mg(l)=MgCl2(l)+1/2Ti(s) (4)

图1为主反应（1）的ΔH与ΔG随温度的变化关系曲线。

收稿日期：2015-02-09

基金项目：国家国际科技合作项目（0102010DFB73170）

作者简介：李亮（1986-），男，四川广安人，副研究员.

2004006008001000

-460

-440

-420

-400

-380

-360

ΔH 、ΔG /(k J ·m o l -1

)

温度/℃

ΔH ΔG

图1 反应(1)的ΔH 和ΔG 与温度关系曲线

Fig.1 Curve of ΔH and ΔG at different temperature

由图1可知，当还原温度为600~1 000 ℃时，ΔH 与ΔG 均为负值，且随温度升高，ΔH 与ΔG 呈上升趋势。热力学计算表明镁热还原四氯化钛为强放热反应，在实际生产过程中应合理控制还原过程的加料速度与还原周期，以避免海绵钛在生产过程中发生烧结现象。

图2为还原过程的主要控制工艺图。

图2 还原过程控制工艺图

Fig.2 Control diagram of reduction process

2 还原周期影响因素分析

2.1 还原周期分布

还原周期的长短直接影响海绵钛生产过程的能耗、产量与产品质量，在实际生产过程中受入炉物料状态、生产操作、设备等因素影响，每炉次间还原周期存在一定程度偏差。当使用固体镁锭作为还原剂时，将消耗更多时间，延长还原周期。目前国内某海绵钛厂要求还原周期控制在140 h 以内，但实际还原周期小于140 h 的比例约为80%，还原时间140~180 h 的比例为20%。

国内某海绵钛厂还原过程各工段耗时比例为（%）：冷凝物脱气4.1、熔冷凝物7.2、加镁和熔镁14.8、加四氯化钛62.9、高恒温2.8。由此可知，整个还原过程中四氯化钛加料耗时所占比例最大，其次为加镁与熔镁耗时，若在熔化冷凝镁时间、添加镁锭时间、熔化镁锭时间上进行优化，可有效减少还原周期的时间。

2.2 冷凝镁与镁锭的影响

还原剂冷凝镁与镁锭的使用情况将直接影响冷凝镁脱气与熔化镁锭在还原过程中的时间消耗，表1为部分还原周期偏长炉次还原剂使用情况统计结果。