镁热法生产海绵钛还原过程强制散热研究.pdf

2 2 有色金属 冶炼部分 h t t p [ ／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 3 年6 期 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 7 - 7 5 4 5 ．2 0 1 3 ．0 6 ．0 0 6 镁热法生产海绵钛还原过程强制散热研究 窦守花，吴复忠，高成涛 贵州大学材料与冶金学院，贵阳5 5 0 0 2 5 摘要针对镁热法生产海绵钛还原过程散热慢和还原周期长的问题，采用强制散热的方法，考察了海绵 钛散热量对海绵钛质量、四氯化钛加料速度和还原生产周期的影响。结果表明，强制散热是海绵钛还原 中期降低反应釜壁温度、提高海绵钛质量和四氯化钛加料速度、缩短还原周期的有效方法。 关键词海绵钛；镁热法；还原；强制散热；四氯化钛 中图分类号T F 8 2 3 ；T F 8 0 3 ．1 3文献标志码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 3 0 6 0 0 2 2 0 4 S t u d yo nF o r c e dH e a tD i s s i p a t i o nf o rT i t a n i u mS p o n g eP r o d u c t i o n t h r o u g hM a g n e s i u mT h e r m a lR e d u c t i o nP r o c e s s D O US h o u h u a ，W U C o l l e g eo fM a t e r i a l sa n dM e t a l l u r g y ， F u z h o n g ，G A OC h e n g t a o G u i z h o uU n i v e r s i t y ，G u i y a n g5 5 0 0 2 5 ，C h i n a A b s t r a c t W i t ht h ea i mt oa d d r e s ss l o wh e a td i s s i p a t i o na n dl o n gp e r i o do fr e d u c t i o np r o c e s se x i s t i n gi nt i t a n i u ms p o n g ep r o d u c t i o nb ym a g n e s i u mt h e r m a lr e d u c t i o np r o c e s s ，t h ee f f e c t so fh e a td i s s i p a t i n gq u a n t i t y o nq u a l i t yo ft i t a n i u ms p o n g e ，f e e d i n gr a t eo ft i t a n i u mt e t r a c h l o r i d e ，a n dr e d u c t i o np e r i o dw e r ei n v e s t i g a t e dw i t hf o r c e dh e a td i s s i p a t i o nm e t h o d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tf o r c e dh e a td i s s i p a t i o ni se f f e c t i v et or e d u c e t e m p e r a t u r eo fr e a c t o rw a l l ，i m p r o v eq u a l i t y0 ft i t a n i u ms p o n g e ，i n c r e a s ef e e d i n gr a t eo ft i t a n i u mt e t r a c h l o r i d ea n ds h o r t e nr e d u c t i o np e r i o dd u r i n gm e d i u m t e r mr e d u c t i o np r o c e s so ft i t a n i u ms p o n g e ． K e yw o r d s t i t a n i u ms p o n g e ；m a g n e s i u mr e d u c t i o np r o c e s s ；r e d u c t i o n ；f o r c e dh e a td i s s i p a t i o n ；t i t a n i u m t e t r a c h l o r i d e 目前，国外主要采用熔盐氯化、I 型还蒸炉技 术、沸腾氯化和倒U 型还蒸炉技术生产海绵钛[ 1 ] ， 而国内则主要采用上排氯化镁式I 型和倒U 型小 型还蒸炉技术[ 2 _ 3 ] 。我国的倒U 型联合炉与半联合 I 型炉相比，单炉周期产能低，更有利于设备大型 化[ 4 ] 。目前遵义钛厂已成功研制倒U 型1 2t ／炉联 合法生产工艺。从国内外海绵钛发展情况看，倒U 型联合法是发展趋势[ 5 ] 。 T i C l 。的镁热还原是一个强烈的放热反应。通 过实际测量，在还原生产期间，反应釜中心温度最高 超出14 0 0 ℃，如果未能及时将还原反应产生的余 热排走，就会影响海绵钛的内外在质量、降低加料和 反应速率、延长海绵钛生产周期及增加生产成本。 在还原生产期间，通常反应釜主要通过进出风口、大 盖、冷却水、炉壳和炉底等散热[ 6 ] 。目前比较成熟的 方法是采用炉内强制通风散热，并且这种方法在还 原中期效果较为明显，而在还原前期则一般不需要， 在后期又很难发挥作用[ 7 ] 。本文通过对炉壳增加鼓 风手段来进行强化散热，从而缩短还原过程的生产 周期。 收稿日期2 0 1 2 1 2 1 4 基金项目贵州省社会发展攻关项目 黔科合S Y [ 2 0 1 0 1 3 0 1 1 号 ；贵州省科技攻关项目 黔科合G Z 字[ 2 0 1 1 1 3 0 1 3 ；贵州省教育厅重点项目 黔教科[ 2 0 1 1 3 0 3 3 号 作者简介窦守花 1 9 8 7 一 ，女，山东青州人，硬士研究生；通信作者吴复忠 1 9 7 0 - ，男，安徽枞阳人，教授，博士． 万方数据 2 0 1 3 年6 期有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 3 1 镁热法生产海绵钛还原过程的特 占[ 8 ] ●～’、 镁热法生产海绵钛还原反应过程有如下特点 1 T i C l 。的还原过程是在含有T i 、T i C l 2 、T i C I 。、 T i C l 。、M g 、M g C l 。的固、液、气态多相共存体系中进 行的，同时也是一个放热反应，为了维持正常的温 度，防止钛铁合金的生成，必须进行散热，而这就限 制了还原反应速率的提高，也制约了设备的大型化。 2 钛的还原过程是分步进行的，在某些条件下 会生成T i C I 。、T i C l 。等钛的低价氯化物。而在还原 过程中，因为要定期排放氯化镁，从而导致还原过程 不稳定。 3 为了获得高质量的海绵钛，避免高温下被大 气中的氮气、氧气、水蒸汽等污染，还原反应必须在 隔绝空气的条件下进行。 2 试验结果及分析 2 ．1 测试基准期及基准数据 选择还原一蒸馏炉的操作基本稳定时进行测 试，即海绵钛产量相对稳定、无操作事故的时期为测 定基准期。测试自然散热和强制散热的还原过程 时，通风管全部为敞开状态，环境温度平均2 0 ℃。 测试时间段为还原中期。还原过程测试对象自然 散热条件下的2 3 号1 2t 倒U 型联合还蒸炉；强制 散热条件下 采用鼓风机装置来强制降低反应釜壁 温度 的2 5 号1 2t 倒U 型联合还蒸炉，强制散热系 统示意图见图1 。 图l 海绵钛还原过程强制散热系统示意图 F i g ．1 S k e t c hm a po ff o r c e dh e a td i s s i p a t i o n s y s t e mo ft i t a n i ms p o n g er e d u c t i o np r o c e s s 在镁热还原法生产海绵钛的实际生产中，反应 自身产生的热量完全能够维持化学反应的进行，但 是必须对化学反应的速度进行控制，同时将还原加 热炉内多余的热量排出，否则会使反应釜的温度过 高，导致产品中的铁含量偏高。目前国内的一些海 绵钛生产企业在使用联合法生产海绵钛时，利用空 气受热膨胀上浮的原理，在加热炉的炉膛上、下开 孔，作为进、出风口，通过空气的流动带走多余的热 量，保证反应的正常进行。这种散热方式简单易行， 以加热炉的炉壳为研究中心，在反应炉周围建1 台 风机 可根据生产实际情况增加风机的台数 ，根据 还原反应的不同阶段控制风机的流量，对还原加热 炉进行强制冷却，同时还能够在一定程度上减少或 者避免还原期间反应器和加热炉丝的氧化。 2 ．2 强制散热对出风口温度的影响 出风口温度反应了还原反应温度的变化。温度 越高，反应平衡常数越小，还原反应自发进行的趋向 性越小。温度最高值出现在还原中期。而加料速度 则可以控制还原反应速度，T i C l ；加料速度的增大， 反应温度会随之升高，出风口温度也随之升高。 海绵钛还原中期自然散热和强制散热的情况 下，出风口温度变化曲线分别如图2 和图3 所示。 图2 ～3 表明，自然散热条件下还原中期出风口温度 为4 2 0 ～4 3 5 ℃，而强制散热时还原中期出风口温度 为4 2 34 6 0 ℃，比自然散热时平均增加了1 0 ℃。 在反应釜内，随着镁的加入，四氯化钛和镁的反应导 致釜内温度逐渐升高，并在还原中期达到最高。 p 、 越 赠 口 区 丑 图2自然散热出风口温度变化曲线 F i g ．2 V a r i a t i o nc u r v eo fa i ro u t l e tt e m p e r a t u r e b yn a t u r a lh e a td i s s i p a t i o n 2 ．3 强制散热对加料速度的影响 如果镁热法生产海绵钛的散热不均匀，会导致 在还原中期反应点的温度发生较大的波动和不均匀 加料现象的产生，从而影响海绵钛的结构。当增大 加料速度时，M g C I 量增多，会覆盖在海绵钛体的侧 面上，进而减少了镁对钛的横向湿润面积，使得海绵 万方数据 2 4 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 3 年6 期 还原时间／h 图3 强制散热出风口温度变化曲线 F i g ．3 V a r i a t i o nc u r v eo fa i ro u t l e tt e m p e r a t u r e b yf o r c e dh e a td i s s i p a t i o n 钛体主要向纵向发展；相反，减小加料速度时，海绵 钛体则向横向发展[ 9 ] 。因此，可以通过控制散热强 度、调整四氯化钛的加入速度，使海绵钛体向我们要 求的方向发展，从而避免形成海绵钛“桥”。 当温度恒定时，镁还原反应速度随四氯化钛加 料速度的增大而加快，还原周期随之缩短；当四氯化 钛的加料速度增加到某一数值后，还原反应速度在 某一数值上下浮动，一般在还原中期反应速度较稳 定。海绵钛还原中期自然散热和强制散热时加料速 度变化曲线分别如图4 ～5 所示。 ， 上 ● 笠 越 幽 宴 星 图4自然散热加料速度变化曲线 F i g ．4 V a r i a t i o nc u r v eo ff e e dr a t eb y n a t u r a lh e a td i s s i p a t i o n 有图4 ～5 可知，在自然散热条件下，还原中期 的加料速度为4 1 0 ～4 8 0k g ／h ，而强制散热时则为 4 8 0 ～6 0 0k g ／h ，比自然散热平均增加了1 0 0k g ／h 。 若要缩短海绵钛生产周期，增大设备的生产效率，必 须在强制还原过程传热的基础上提高四氯化钛的加 料速度n 引。 2 ．4 强制散热对散热强度的影响 强制散热一般从反应初期的末段开始鼓风，通 过控制散热功率来控制还原过程在反应釜中产生的 还原时I 司／h 图5强制散热加料速度变化曲线 F i g ．5 V a r i a t i o nc u r v eo ff e e dr a t eb y f o r c e dh e a td i s s i p a t i o n 热量。在海绵钛还原中期自然散热和强制散热情况 下，散热强度变化曲线分别如图6 和图7 所示。 ≥l 8 0 0 越 骥I 4 0 0 綦 疑 10 0 0 6 0 0 还原时间／h 图6自然散热强度变化曲线 F i g ．6 V a r i a t i o nc u r v eo fh e a td i s s i p a t i o n i n t e n s i t yb yn a t u r a lh e a td i s s i p a t i o n 至 、 越 鹱 霰 釜 图7 强制散热强度变化曲线 F i g ．7 V a r i a t i o nc u r v eo fh e a td i s s i p a t i o n i n t e n s i t yb yf o r c e dh e a td i s s i p a t i o n 由图6 - - 一7 可知，自然散热还原中期散热强度 为11 0 0 ～19 0 0k W ，而强制散热则为13 0 0 ～18 5 0 k W ，比自然散热条件下平均增加了1 0 0k W 。 鲫 锄 珈 谢 跏 伽 伽 一。{堂一、雠罩f宴量 啪 伽 伽 蛳 伽 栅 m p、越赠【]匮丑 万方数据 2 0 1 3 年6 期有色金属 r a 炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 5 3结论 1 通过强化散热使得出风口温度增加，降低反 应釜壁温度，可以提高海绵钛质量和四氯化钛加料 速度。可以考虑增加鼓风机的数量，使得反应釜散 热均匀，并提高出风口温度。 2 在还原过程中，应控制加料速度在一个合理 的范围内，以免影响海绵钛质量。 3 强制散热在海绵钛还原中期的效果非常好。 通过强化还原过程的散热能力可以缩短还原过程的 生产周期，有效发挥现有设备的潜能，降低企业的生 产成本。 参考文献 [ 1 ] 李开华．镁热法生产海绵钛技术发展现状[ J ] ．材料导 报，2 0 1 1 ，2 5 1 8 2 2 5 2 2 8 ． [ 2 ] 张健，吴贤．国内外海绵钛生产工艺现状[ J ] ．钛工业进 展，2 0 0 6 ，2 3 2 7 - 1 4 ． [ 3 ] 邓国珠．我国海绵钛生产技术现状和改进措施[ J ] ．钢 铁钒钛，2 0 0 9 ，3 0 2 1 - 5 ． [ 4 ] 欧阳全胜，赵中伟，祝永红．海绵钛生产工艺及其新进 展[ J ] ．稀有金属与硬质合金，2 0 0 4 ，3 2 2 4 7 5 2 ． [ 5 ] 李大成，周大利，刘恒．镁热法海绵钛生产[ M ] ．北京 冶金工业出版社，2 0 0 9 1 3 8 ． [ 6 ] 汤平．镁法海绵钛还原生产采用二次加镁的理论与实 践[ J ] ．轻金属，2 0 0 3 1 1 5 0 5 2 ． [ 7 ] 张履国．海绵钛还原过程热平衡分析[ J ] ．钛工业进展， 2 0 0 8 ，2 5 4 3 8 4 0 ． [ 8 3 李晓波．镁热还原法生产海绵钛提高反应速率之研究 [ J ] ．中国金属通报，2 0 0 8 1 4 3 2 3 3 ． [ 9 ] 李鸿斌．还原加料对海绵钛结构的影响及改善措施 [ J ] ．钛工业进展，2 0 0 2 ，1 9 5 3 9 4 1 ． [ 1 0 ] 狄伟伟，刘正红，孙虎民．镁还原四氯化钛生产海绵钛 过程传热分析[ J ] ．钛工业进展，2 0 1 1 ，2 8 1 2 5 2 9 ． 万方数据