试谈我国海绵钛生产工艺的优化途径

(整期优先)网络出版时间:2024-08-02
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试谈我国海绵钛生产工艺的优化途径

史雄芳[1]

(新疆湘润新材料科技有限公司 新疆省哈密市 839000)

摘要:海绵钛是一种金属热还原生产出来的海绵状的“金属钛”,也被称之为是“钛加工的原材料”。海绵钛是以高富钛料为原料,通过氯化冷凝、蒸馏精馏、还原蒸馏等工序生产出来的,再通过熔炼、锻造,生成具有优异性能的钛合金材料。在近几年,我国的海绵钛产能引进了很多的国外技术,得到了很好的发展,但是在生产技术上还有一定的问题,例如原料的选择、生产反应器的加料方式等等;这些生产上的问题影响了我国海绵钛的生产发展。基于此,本文章以海绵钛的生产工艺为研究主题,从国内海绵钛的现状生产工艺中出发,展开了详细的介绍,并提出了几点海绵钛工艺生产的优化途径,以期为我国海绵钛的生产工艺的优化提供建议。

关键词:海绵钛;生产工艺;优化路径

1 引言

海绵钛是钛金属单质,外观为浅灰色或银灰色海绵状,是钛材料以及其他钛产品的基础原材料。海绵钛具有很高的应用价值,例如,在航空航天领域,由于钛的轻质以及高强度的特点,可以用于制造飞机、火箭等,可以很好的提高航空器械的安全性。有关数据调查显示,2023年1-6月海绵钛国内产量前三地区是辽宁、云南和新疆,分别占国内总产量的30%、17%、14%;而随着“十四五”规划以及军队现代化建设的进程加快,钛的应用幅度以及应用领域也发生了很大的改变,钛材料的需求不断的上涨,对于海绵钛的需求越来越高;因此,在海绵钛的生产中,需要从现有的生产方法和技艺中进行改进,实现海绵钛制备技术的发展与进步[1]

2 国内海绵钛的现状生产工艺

国内目前海绵钛的生产工艺一般是“镁热还原法”,镁热还原法生产海绵钛又分为全流程和半流程两种方式。全流程生产工艺涵盖了从原料到最终产品的完整生产链条。首先,需要制备富钛料,这通常是通过矿石的选矿、破碎、磨矿或电炉熔炼等步骤获得。随后,富钛料进行氯化反应,生成四氯化钛。四氯化钛的纯度对后续的海绵钛品质有重要影响,因此需要进行精制处理,以去除其中的杂质。精制后的四氯化钛与金属镁在高温下进行镁热还原反应,生成海绵钛和氯化镁。最后,通过蒸馏步骤,将海绵钛与氯化镁分离,得到纯净的海绵钛产品[2]。如下图1所示:

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图1 “镁热还原法”海绵钛生产流程图

与全流程相比,半流程工艺仅包含镁热还原蒸馏这一关键步骤。在半流程工艺中,四氯化钛的制备和精制环节已经由其他企业完成,只需要将精制好的四氯化钛与金属镁进行镁热还原反应,然后通过蒸馏得到海绵钛。这种工艺方式可以缩短生产周期,降低生产成本,但同时也对原料的质量和稳定性提出了更高的要求。

无论是全流程还是半流程,镁热还原法生产海绵钛都需要严格的工艺控制和设备保障,以确保生产过程的稳定性和产品的品质。

3 海绵钛生产工艺的优化途径

3.1 海绵钛生产原料的优化

海绵钛的原料是影响海绵钛生产的关键,在原材料的选择上,优先选择品质稳定、杂质含量低的富钛料和金属镁作为生产原料。通过与可靠的供应商建立长期合作关系,确保原料的稳定供应和品质控制。在原材料的处理中,可以借鉴国外先进的原料处理技术,如筛选、破碎、磨矿等,提高原料的利用率和产品质量。

对富钛料进行严格的筛分和清洗,去除其中的杂质和不合格物料,提高富钛料的纯度和稳定性。对金属镁进行精炼处理,去除其中的有害元素和杂质,确保其在镁热还原反应中的高效利用。另外,还要根据生产需要和产品要求,合理调整富钛料和金属镁的配比,确保在镁热还原反应中能够得到高品质的海绵钛。在生产过程中产生的废弃物和副产品进行回收和再利用,降低生产成本和环境污染。

3.2 海绵钛生产反应器加料方式优化

结合图1来看,“镁热还原法”制备海绵钛的原理过程如下:TiCl4液体的气化→气态TiCl4和液态Mg的外扩散→TiCl4和液态Mg的分子吸附在活性中心→在活性中心上进行化学反应→结晶成核→钛晶粒长大→MgCl2脱附→MgCl2外扩散。“镁热还原法”制备是在780-1000℃左右的反应容器中,在Ar的保护下,实现的一种制备办法,其反应式如下①式所示:

TiCl4+2Mg=Ti+2MgCl2

这是一个复杂的多相反应的过程,在整个反应过程中,不仅伴随着物料的接触,也包含着化学反应的进行与海绵钛的成型,要优化生产方式,就要提高反应的速率;在“镁热还原法”制备海绵钛的流程中,提高TiCl4的加料速度是缩短还原周期的有效措施[3]。可以将传统的单点快速加料方式转变为多点加料系统。也就是说在反应器内部(例如一个空心桶状结构)的侧壁上钻设多个小孔,通过这些小孔进行TiCl4的均匀加料。这种多点加料方式能够确保TiCl4与反应器内的镁粉更加均匀地接触,从而加速反应的进行。示意图如下图2所示:

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图2多反应器示意图

通过实施这一优化措施,不仅可以提高反应速度,缩短还原周期,还能够提高海绵钛的产率和品质。同时,多点加料的设计还能降低由于局部浓度过高反应剧烈而导致的失控风险,进一步提高生产的安全性和稳定性。

3.3 生产海绵钛中镁循环使用优化

“镁热还原法”中,通过金属镁与四氯化钛反应,生成海绵钛和氯化镁。由于镁和氯的循环利用,不仅可以降低生产成本,还能减少环境污染,提高资源利用效率。海绵钛镁、氯循环使用优化措施可以从以下几点出发:

3.3.1 提高氯化镁电解技术水平。

在镁循环使用中,氯化镁的电解是关键步骤。通过提高氯化镁电解的技术水平,可以降低生产镁所需氯化镁的用量,进而降低镁耗和电耗。按化学计量,生产1吨镁需3.917吨氯化镁,但实际生产中约需4.0吨。通过技术优化,可以逐步接近甚至达到理论值,降低生产成本。

3.3.2 优化镁的循环使用途径。

可以使用一种“液态氯化镁余热回收系统”,海绵钛生产过程中,通过镁热还原法使用Mg和TiCl4作为原料,在800~1000℃的高温下反应,生成海绵钛的同时产生液态MgCl2。MgCl2的熔点为714℃,从反应炉中排出时的温度为820~890℃。传统方法中,液态MgCl2直接排入敞口收集槽并在空气中自然冷却,导致大量潜热和显热未得到回收利用。液态氯化镁余热回收系统能够实现对这部分余热的回收利用,提高能源利用效率,降低生产成本。

而液态氯化镁余热回收系统包含工作腔、进料口、出料口、粒化器和驱动器等关键部件。在工作的过程中,液态氯化镁通过进料口进入主换热装置的工作腔。在驱动器的作用下,粒化器将液态氯化镁离心粒化成球形颗粒;氯化镁球形颗粒与过热器、蒸发器和预热器依次换热,温度逐渐降低。预热器中的冷水与氯化镁球形颗粒换热后形成一级热水,进入气液分离器。二级热水进入蒸发器与氯化镁球形颗粒换热,形成气液混合物返回气液分离器。饱和蒸气从气液分离器进入过热器与氯化镁球形颗粒换热,形成过热蒸气排出。通过优化换热器的设计和布局,提高换热效率,降低能源消耗。

3.3.3 减少循环过程中的损失。

在镁循环使用过程中,存在着一定的损失。这些损失主要来源于氯化镁的排放、传输过程中的损失、还原一蒸馏拆罐时的机械损失以及氯化镁电解、精炼及液镁传输过程中的损失。通过严格工艺操作制度、提高设备性能等方式,可以减少这些损失,提高镁氯循环使用的效率。

可见,海绵钛生产工艺的优化途径中,镁循环使用的优化是关键一环。通过提高氯化镁电解技术水平、优化镁的循环使用途径、减少循环过程中的损失;可以实现镁循环使用的优化,降低生产成本、减少环境污染并提高资源利用效率。

4 总结

综上所述,“海绵钛”作为制备钛及钛合金的基础材料,其生产制备技术的深入研究对于我国的战略发展具有举足轻重的帮助作用。随着国家战略的持续推进,特别是在深海探测、航空航天、生物医疗和军事装备等领域对钛及其合金的需求不断增长,海绵钛的市场需求也将随之增加。因此,未来海绵钛有望成为市场上的主流产品,其生产制备技术的创新与发展将直接关系到我国在这些关键领域的竞争力和发展水平。为了满足国家战略需求和市场发展趋势,我国应加大对海绵钛生产制备技术的研发投入,推动技术创新和产业升级。

参考文献:

[1]赵冠杰,毕福丽,杨德,等.海绵钛生产中副产品氯化镁回收现状及发展趋势概述[J].中文科技期刊数据库(文摘版)工程技术, 2023.

[2]杨丹.海绵钛生产中还蒸工序杂质铁元素的控制[J].中国科技期刊数据库 工业A, 2023.

[3]司华彬,张海涛,许刚.海绵钛生产镁还原工艺过程质量控制[J].中国金属通报, 2022(15):174-176.

作者简介:史雄芳  女  汉族 本科 质量管理 研究方向: 钛及钛合金质量管理/海绵钛生产及工艺优化


[1] 史雄芳 最高学历:本科 职务职称:质量管理 研究方向: 钛及钛合金质量管理/海绵钛生产及工艺优化

Shi Xiongfang Highest Education: Bachelor Position Title: Quality Management Research direction: Titanium and titanium alloy quality management / titanium sponge production and process optimization