简析海绵钛生产工艺的设计与投料试生产

汤裕源

(昆明有色冶金设计研究院股份公司，云南 昆明 650051)

0 引 言

由于钛金属独特的物理化学性质，使其提取冶金技术难度大，目前全球拥有生产海绵钛技术的就只有中国、日本、美国、俄罗斯、哈萨克斯坦、乌克兰等少数几个国家，其中俄罗斯阿维斯玛镁钛联合企业(Avisma)海绵钛产能26 kt/a，是当今国际上最大的海绵钛生产企业，其次是日本住友钛业，产能24 kt/a。我国最早的海绵钛生产企业是成立于1958年的抚顺铝厂钛分厂，年产海绵钛48 t。

我国是世界上钛资源最丰富的国家之一。据悉，我国钛资源总量达9.65×108t，居世界之首。利用好钛资源是我国社会经济可持续发展的重要推动力。

云南新立有色金属有限公司适时抓住钛产业发展的有利时机，引进乌克兰技术，高起点、高标准、高要求建设10 kt/a海绵钛项目，为我国钛产业发展提供了一条可借鉴的发展道路。

2008年5月，云南冶金集团新立有色金属有限公司与昆明有色冶金设计研究院股份公司在昆明签订了云南新立有色金属有限公司10 kt/a海绵钛项目的EPC总包合同，项目设计年产10 kt商品海绵钛，副产等外钛751 t，项目于2009年6月26日开工建设，2013年3月21日实现了主体工艺全流程拉通。

云南新立有色金属有限公司海绵钛项目(以下简称“项目”)主体工艺引进乌克兰技术(包括四氯化钛生产、海绵钛生产、镁还原剂精炼)，镁电解工艺采用国内青海北辰公司研发的多级镁电解槽技术。项目根据原料特点结合国内外海绵钛生产技术和发展趋势对各种工艺技术进行有效整合，按照厂内实现镁、氯两个循环全流程工艺设计，采用铝粉除钒、多级镁电解槽等先进技术，是国内技术最先进的海绵钛生产工艺之一。

1 工艺特点

1.1 四氯化钛生产工艺

海绵钛生产企业一般都从富钛料的氯化开始。四氯化钛生产包括粗四氯化钛生产和粗四氯化钛精制2个工段。当今国际国内生产四氯化钛主要有沸腾氯化法和熔盐氯化法2种工艺。沸腾氯化法技术先进，但对原料物理化学性质要求高。熔盐氯化法对原料适应性强，生产的四氯化钛质量好，项目根据原料特点，选择熔盐氯化法工艺。

各生产企业的精制工艺大同小异，区别主要在于除钒工艺的不同。美国以矿物油除钒为主，日本以矿物油除钒、H2S除钒为主，乌克兰、俄罗斯、哈萨克斯坦以铝粉除钒为主，我国以铜丝除钒和矿物油除钒为主。铝粉除钒产出的精四氯化钛产品质量高，是当今国际最先进的除钒工艺之一。项目从乌克兰引进技术，主要就是为了引进其先进的铝粉除钒工艺。

氯化工段设2台熔盐氯化炉(1开1备)，每台氯化炉分别设2台收尘器(1开1备)，对应每台氯化炉分别配1套淋洗装置、1套冷凝装置和2台尾部风机(1开1备)，构成2条独立的氯化生产线。

精制工段由低价钛制备系统、蒸馏-精馏系统和泥浆蒸发系统组成。其中2套低价钛制备装置交替使用。蒸馏-精馏系统由3级组成，一级为蒸馏除钒及高沸点物，由2台蒸馏釜(1开1备)和2台蒸馏塔(1开1备)组成;二级除低沸点物由1台蒸馏釜和1台蒸馏塔组成;三级深度净化由1台蒸馏釜和1台蒸馏塔组成。泥浆蒸发系统设4台泥浆蒸发炉，交替作业。精制产出的精四氯化钛经化验合格后送还原工段。主要工艺特点有:

(1)氯化生产对原料含水要求高。设计采用微波干燥，对氯化钠、煅后石油焦进行深度脱水干燥，入炉原料含水小于0.5%。

(2)氯化温度低，熔盐氯化温度控制在700～800℃。氯化炉出口温度450～550℃，从源头上降低了淋洗、冷凝所需冷却介质消耗量。

(3)含四氯化钛的混合气体的淋洗和冷凝分开，保证了粗四氯化钛的质量。

(4)粗四氯化钛经浓密机沉降进行固液分离，提高了送精制的粗四氯化钛质量，对保证精制生产连续性和提高精四氯化钛的质量起到了重要的作用。

(5)粗四氯化钛精制采用先进的铝粉除钒工艺，有效避免了铜丝除钒带来的劳动条件差和矿物油除钒带来的产品含碳偏高而影响海绵钛质量等问题，是该项目引进技术的亮点之一。

(6)AlCl3在标准大气压下于180℃升华，为了避免铝在工艺中的循环积累，蒸馏釜底流采用泥浆蒸发炉进行处理，回收四氯化钛。

(7)为保证精四氯化钛的质量，实现工艺流程稳定运行，通过自动控制技术和分析化验相结合的方法对生产全过程进行有效监控。

1.2 海绵钛生产工艺

精四氯化钛还原生成金属钛，均采用传统的金属镁还原四氯化钛工艺。还原反应完成后，采用真空蒸馏的方法，将反应产生的氯化镁和未反应的金属镁与反应生成的海绵钛分离。国内外还原-蒸馏工艺分为“I型”和“倒U型”2种形式。项目引进乌克兰技术，采用“I型”结构，主要工艺特点有:

(1)还原产出的氯化镁依靠重力定期从反应器底部排出，与上排氯化镁相比，氯化镁排放更为彻底，而且减少了氩气的消耗量。还原过程通过自动化控制技术，精确控制反应器内温度、压力和反应区位置，对提高海绵钛质量起到了关键作用。

(2)在项目总承包过程中，通过优化设计，采用基于可控硅控制的供电方案取代乌方原设计接触式供电方案，使还原炉炉温控制更为精确，节能效果明显。生产统计数据显示，每一炉次节电可达约1000 kW·h。

(3)精四氯化钛采用进口加料装置，加料过程实现自动控制，反应器压力的稳定，具有保证安全生产和海绵钛质量的双重作用。

(4)真空蒸馏以蒸馏温度、压力等工艺参数为控制核心，通过现场仪表和自动控制技术相结合，达到了理想的效果，产品质量稳定。

1.3 镁电解及精炼工艺

镁电解是全流程海绵钛生产工艺的重要组成部分，在从高钛渣氯化生产四氯化钛到海绵钛产品的全流程工艺中，镁电解工序的能耗就占到海绵钛生产工艺能耗的40%以上，因此镁电解能耗的高低，对于海绵钛企业节能降耗、提高企业效益具有十分重要的意义。

目前应用于工业化生产的镁电解槽形式主要有无隔板镁电解槽、有隔板镁电解槽、道乌型镁电解槽、多级镁电解槽。由于海绵钛企业产出的氯化镁质量高(氧化镁等杂质成分少)，根据国内外实践经验，多级镁电解槽是海绵钛企业最理想的配套电解设备。该项目镁电解、精炼主要工艺特点有:

(1)镁电解采用多级镁电解槽，相对原设计，电解槽数量由原先22台减少为12台。另设2台氯化镁中转槽，对稳定生产起到保障作用。

(2)镁电解产出的氯气浓度大于90%，相对于原设计提高约10%，有效减少了氯化尾气的气量，节约了氯化尾气的处理成本。

(3)与原设计相比，新工艺取消了上插阳极无隔板电解槽电解工艺配套的阳极制备工段，节约建设场地、节约了建设投资和运行成本。

(4)采用新技术，还在于有效改善了镁电解及精炼车间操作环境。

1.4 尾气处理工艺

项目主体工艺的氯化、精制、还原等工段，生产中有工艺尾气、卫生废气需要处理达标后方可排空。根据尾气成分、性质、工艺特点，项目设3套尾气处理装置。其中氯化工艺尾气处理单独设2条生产线(1开1备)，每条生产线采用2级水洗3级碱洗，确保尾气处理系统连续运行;精制工艺尾气、精制卫生废气、氯化卫生废气设1套尾气处理系统，采用2级水洗2级碱洗;还原工段单设1套尾气处理装置，采用1级水洗2级碱洗。主要工艺特点有:

(1)根据尾气成分、性质不同，尾气处理系统分开设置，体现了工艺的针对性。3套尾气处理装置在总图布置上尽量靠近气源点，减少输送管道的距离，有效降低了管道堵塞的可能性。

(2)尾气处理采用水洗、碱洗相结合的工艺，可以对尾气中HCl和Cl2分开独立回收，不仅可以确保尾气达标排放，还为企业增加了产品，带来经济效益。

1.5 工艺自动化控制

当代生产技术的发展，最大贡献在于控制技术的广泛应用。该项目工艺设计的最大特点就是充分利用了当今控制技术发展的最新成果，全面提升了工艺过程的自动监测和自动控制，提高了劳动生产率，从源头上保证了产品质量的优质、稳定。

对氯化工段自动配料，氯化炉返浆喷淋量与氯化炉炉温控制连锁到尾部风机调频控制;精制工段低价钛反应器加料连锁，蒸馏釜电加热装置与蒸馏塔温度、压力连锁，工艺槽罐液位控制;还原反应各区温度控制，蒸馏工序温度、压力控制;破碎工段连锁控制;电解槽液位、压力、温度控制等等。均应用了自动监测、控制技术，提高了生产装置的安全性，保证了工艺生产线上各设备温度、压力、液位等主要工艺参数处于受控状态，对提高产品质量提供了技术保障。

2 投料试生产

2011年8月31日，第一台还原反应器加料试车。根据技术引进合同，乌方工艺和自动控制等专家、中方专家、工程技术人员全程参与了第一炉海绵钛生产的全过程，依次经历还原、组装、蒸馏、冷却、拆卸、顶出，产出第一砣海绵钛，历时16天，产品质量达到预期的目标，为全面投料试车奠定了基础。

2012年2月10日，精制工段按计划投料，由于流程长、呼吸管道设计不尽合理、设备制作问题以及设备之间磨合的需要，从投料到精制工段全线拉通，经历了半年多的时间。分析原因，主要在于设备和投料初期间断操作使大量空气混入系统带来的管道堵塞问题。其次，问题集中在液位计等控制仪表的测量误差上，由于四氯化钛特殊的性质，遇到潮湿空气立即水解并产生大量的烟雾，尽管设计选用了先进的雷达液位计作为精制工段槽罐液位的检测仪表，但是由于四氯化钛烟雾的影响，液位检测误差较大，增加了试车难度。

2012年7月26日，镁精炼系统正式启动，外购镁锭经坩埚炉熔化后，用镁抬包送到连续精炼炉，经过精炼，产出的精镁通过镁抬包送到还原工段。

2012年12月20日，氯化工段氯化炉正式启动，经过烘炉、加盐、渗盐，同年12月27日开始加入高钛渣、煅后石油焦和氯化钠混合炉料，同时通入氯气，氯化反应正式开始。

氯化炉启动后，反应生成的含四氯化钛混合气体经收尘器沉降除尘进入淋洗塔，与淋洗塔喷出的液态四氯化钛进行传质传热，混合气体中高沸点物与四氯化钛等沸点较低的气体分离，沉积于淋洗循环槽，沉积物经返浆泵再送到熔盐氯化炉。淋洗后的混合气体经冷凝塔，与低温液态四氯化钛进行传质传热，四氯化钛冷凝成液态，再经浓密机沉降实现固液分离，即产出粗四氯化钛送精制生产工段。混合气体冷凝回收四氯化钛后的工艺尾气经尾部风机送氯化尾气处理系统。

2013年2月14日，主体工艺最后一个工段-镁电解工段开始烤炉，3月11日开始投料、通电，3月12日产出第一批电解镁液，3月21日镁电解产出的氯气经氯压机加压后送入氯化工段熔盐氯化炉。

至此，项目氯化、精制、还原、蒸馏、破碎、镁电解、镁精炼、氯压机压缩等主体工艺全线投料试车完毕，实现了镁、氯两大循环，为海绵钛项目后续生产、达产达标创造了条件。

3 存在的问题及建议

尽管项目引进技术具有一系列优点，但问题和不足依然存在。由于国内外标准、规范、法律、法规等的不同，工程设计中存在的问题主要表现在以下3个方面:

(1)设备配置不尽合理。比如，根据技术转让合同，熔盐氯化炉寿命为3 a，独联体国家实际使用情况也可以达到3 a，因此项目氯化工段按2条氯化生产线来设计，设2台熔盐氯化炉是不合理的，在与乌方派驻现场的生产专家沟通中也证实了这一的看法。再如，精制工段低价钛制备也设计2套系统，且所有配套设备均为2套，完全可以优化为主要设备反应器设2台，配套设备公用。

(2)部分管道配置不尽合理。如呼吸管道，在整个试生产中已经暴露出来，管道堵塞频发，影响了系统的稳定性和连续性。

(3)部分设备设计不合理。如还原工段现有排放装置每套使用寿命仅3次左右，大大增加了海绵钛的生产成本。还有如翻转机、顶出机等。

针对上述工程设计上的不足，提出以下3点优化思路:

(1)引进技术首先必须全面分析技术的重点和亮点、适用条件、应用背景和管理要求，然后分析国内原料、技术、人才、管理等的适应性。在消化吸收的基础上，结合国内实际情况，进行优化和完善，才能去其糟粕取其精华。

(2)针对投料试车以来的经验，建议对熔盐氯化炉、四氯化钛液下泵、氯化镁排放装置、顶出机、破碎机等关键设备和环节展开深入研究，为早日顺利实现引进技术目标创造条件。

(3)结合精制工段泥浆蒸发炉系统环境差的实际，建议结合昆明有色冶金设计研究院股份公司已授权专利开展进一步的研究论证，预计项目的实施，将大大改善精制工段劳动生产条件。

4 结 语

项目主体工艺引进乌克兰技术，镁电解采用多级镁电解槽，技术适用、先进、安全、可靠，为企业今后的发展奠定了坚实的基础。对于海绵钛生产来说，由于技术难度大，工艺复杂，真正做到达产达标还有很长的路要走。对于引进技术来说，不仅需要在消化吸收的基础上，理顺生产工艺，更需要不断创新优化，真正体现技术优势，实现良好的经济效益。

［1］邓国珠.钛冶金［M］.北京:冶金工业出版社，2010.

［2］韩明堂.熔盐氯化在钛工业中的研究和应用［J］.钒钛，1993(3):38-40.

［3］徐日瑶.镁冶金学［M］.北京:冶金工业出版社，1993.

［4］选矿厂设计手册［M］.北京:冶金工业出版社，1988.

［5］段希祥.碎矿与磨矿［M］.北京:冶金工业出版社，2006.