双炉还原制取海绵锆工艺应用研究

李洪林（辽宁石化职业技术学院， 辽宁 锦州 121001）

双炉还原制取海绵锆工艺应用研究

李洪林（辽宁石化职业技术学院， 辽宁 锦州 121001）

与单炉还原法比较，双炉还原法通过对工艺、设备及控制手段的改进，将四氯化锆与镁分别装入各自的反应炉中，使四氯化锆挥发、镁的熔融及还原反应分别进行，满足还原条件后，打通两个反应炉之间联接电热通道，进行还原反应生成海绵锆。此法反应区域、反应速度、反应温度、反应平衡容易控制，不仅提高了海绵锆的产量和质量，而且金属回收率高，废气排放少。

双炉还原；海绵锆

金属锆又称海绵锆，由于锆或锆合金具有非常强的耐高温、抗腐蚀及硬度、强度超高等特性，作为结构材料在航天、军工、核工业及化学工业 等领域有着广泛应用。就国内外普遍采用的镁热还原技术而言，传统工艺为单炉还原，此法由于原料挥发速度变化较大，还原过程产生黑粉量大，尾气环保超标。还原－精整收率指标不到60%，工业锆品级率单炉平均在50%～60%左右，且指标波动大，过程不易控制，不仅影响产品质量，也直接导致能耗高，金属回收率低，而双炉还原工艺对此有显著改善。

1　双炉还原工艺原理

镁热还原法其总反应式为：反应伴随着物料的熔融、挥发、传热、传质、浸润等的进行。

为便于过程控制，双炉还原法是将四氯化锆与镁分别装入各自的反应炉中，使四氯化锆挥发、镁的熔融及还原反应分别进行。当镁在坩埚中熔融，同时四氯化锆也在挥发炉中被加热升华时，打开联通两个反应炉之间联接电热通道，气态四氯化锆经过通道进入还原反应炉内，在反应温度840～940℃，压力8～20kPa，反应时间45～60小时，加料速度40～90Kg/h条件下，与液态镁发生还原反应制得海绵锆。该方法通过对工艺、设备及控制手段的改造，使四氯化锆气体浓度和反应速度达到最佳匹配，确保海绵锆质量稳定，提高产品收率，减少污染，降低能耗。

设置在连接通道处针型阀底部的气体加料装置，延伸至坩埚内，通过其本身的结构限制气流的流动状态，使四氯化锆反应气体能够充分和还原炉内液态镁进行反应，防止气体扩散从而导致气相反应的进行，增加金属回收率，减少黑粉的生成，减少废气排放。

2　双炉还原工艺流程

图1为对单炉还原工艺改进后的双炉还原工艺流程（还原部分）。

图1　双炉还原工艺流程

3　实验步骤

①将合格精四氯化锆和镁锭按配比分别装入还原炉和挥发炉胆内。②还原反应炉升温至260～300℃，除气4～6小时，然后温度控制在750～800℃，压力控制在10～20kPa条件下熔融镁，保持6～10小时； ③挥发反应炉升温至260～270℃，除气4～6小时，当温升至400℃左右进行充氩气保护，并使挥发的四氯化锆气体呈浓白色状态；④打开通道阀门，将还原炉和挥发炉连通，通过控制加热温度（840～940℃）和过道阀门开启度（加料速度以挥发前四氯化锆计控制在40～90kg/h）来控制四氯化锆参与反应数量，使生成海绵锆的还原反应平稳进行，反应时间为45～60小时。

4　实验结果

（1）成品成分分析 取实验后期连续11炉次成品成分分析，统计数据见表1。

表1　成品成分分析结果

由成品分析结果可知，除1炉氮高外其余均符合工业级海绵锆标准。

（2）炉内温度、压力控制 与单炉比较，双炉还原不仅便于控制，而且通过对设备及控制系统升级改造，可完全实现平稳运行。图2为实测某炉次温度、压力与反应时间的关系图。

图2　炉内温度、压力与反应时间的关系

由实测炉内温度、压力与时间的关系图可知，除个别处温度、压力波动稍大外，总体控制平稳，符合工艺要求。

（3）其它经济技术指标 双炉试验共计生产36炉次，产品符合工业锆标准21炉次，累计生产18.17t海绵锆产品，其中工业锆12.49t，火器锆5.68t，平均品级率68.74%。后期连续11炉平均品级率达70.12%，最高炉产1160kg，最高炉工业锆品级率80.3%，最高炉还原－精整收率72.1%，黑粉生成减少50%。

5　结语

采用两个加热炉分别进行四氯化锆的挥发和镁热还原，使两部分操作实现独立控制，使反应区域、反应速度、反应温度、反应平衡实现可控，可以实现稳定提高海绵锆产量和质量，提高金属回收率，减少废气拍放，降低生产成本的目的。

［1］泽轩.金属镁还原四氯化锆制取海绵锆［J］.冶炼技术，2011.

［2］李献军.海绵锆的生产工艺技术及技术标准的发展［J］.钛工业进展，2009.

［3］李岱松.海绵锆生产工艺的节能环保分析［J］.资源节约与环保，2011.

Double furnace reduction for making sponge zirconium technology application research

Li honglin(LIAONING PETRO-CHEMICAL VOCATIONAL TECHNICAL COLLEGEjinzhou 121001)

compared with single furnace reduction method, double furnace reduction method based on the improvement of technology, equipment and control means, zirconium tetrachloride and magnesium in their respective reactor respectively, make zirconium tetrachloride volatilization, mg melting and reduction reaction, respectively, after reduction conditions, through the connection between the two reactor electric channel, to generate sponge zirconium reduction reaction. This law area, reaction speed, reaction temperature, reaction balance easier to control, not only can improve the yield and quality of zirconium sponge, and metal recovery rate is high, fewer emissions.

double furnace reduction, zirconium sponge

李洪林（1959- ），男，汉族，辽宁锦州人，毕业于沈阳化工学院，硕士研究生，副教授，辽宁石化职业技术学院应用化工技术教研室主任。