论镁法海绵钛生产中设备预处理的影响及改进

陈太武

（贵州遵钛（集团）有限责任公司，贵州遵义 563004）

镁法海绵钛生产［1］，是在高温状态下，用精镁将精TiCl4还原成金属钛的过程，再利用反应产物各组分饱和蒸汽压的差异，通过高温真空蒸馏提纯得到纯净的钛，因所得到的结晶钛结构酷似海绵而得名。

近年来，随着海绵钛在海洋、航空、军工等领域应用的不断发展，民品、军品领域新产品的不断开发，其对原材料即海绵钛产品质量提出了各种特殊需求，特别是对“超软钛”、“低氧钛”等优质海绵钛产品的需求呈现出越来越多态势。镁法海绵钛生产中使用的反应罐等设备是钢质的，而且是采用周期性的生产组织方式。新反应设备的使用（即第一次使用），容易导致产品中铁含量的增加，而使用一个生产周期后的旧设备，又存在增加氧、氮等杂质元素进入产品的风险，影响产品质量的稳定性，轻微时会出现降级，严重时则会出现废品。在生产使用前对反应罐等设备进行预处理，成为控制海绵钛产品质量的重要环节之一，改进设备预处理工艺，对提升海绵钛产品质量有着重要的保障作用。

1 反应设备预处理现状与影响

镁法海绵钛生产中，直接用于还原反应的设备主要有反应罐、筛板和大盖，都是采用钢质的材料。在生产过程中，反应罐和大盖的内表面、筛板的全表面均与海绵钛产品直接接触。不论是新的，还是重复使用的旧设备，其预处理质量的好坏，对海绵钛产品质量都有着较大的影响。反应设备的预处理主要包括新设备渗钛处理、新旧设备的表面处理和预抽空处理。

1.1 新反应设备的渗钛处理

在使用新的反应罐、筛板等设备时，要预防杂质铁元素的影响。钢质材料在高温条件下，液镁对铁质器壁会产生溶解［1］，故液镁中会含一定量的铁，在海绵钛生产中这部分杂质铁便转移至钛中且分布均匀，随着温度的升高，铁在镁中的溶解度也会升高，从而导致产品中的铁含量升高，严重影响产品质量。铁在镁中溶解度与温度的关系图如图1所示。

图1 铁在镁中溶解度与温度的关系曲线图

另外，在还原过程中，当达到钛铁合金共熔点温度时（1 085℃），在反应设备表面及附近容易形成钛铁合金层，从而使海绵钛产品中的铁含量急剧升高。在生产中，大多是采用渗钛处理工艺对新反应罐、新筛板进行预处理，从而有效地控制杂质铁元素的影响。表1是某厂用渗钛合格的新反应罐、筛板生产的产品铁含量的统计。

表1 某厂用渗钛合格的新反应罐、筛板生产的产品铁含量统计表

1.2 旧反应设备的表面处理和预抽空处理

镁法海绵钛生产是采用周期性的组织方式，一个生产周期结束后，反应设备不可避免地暴露在潮湿的空气中，而经过第一次使用后的反应罐、大盖的内表面以及筛板的全表面上必然残留较多的各种化合价的低价钛、镁及氯化镁混合物等，这些物质对空气及空气中的水分有很强的吸附性，容易形成“回潮”现象，而且在常温下难以脱除，从而增加氮、氧、氢等杂质元素进入海绵钛产品的风险，最终影响产品质量。在生产控制中，对旧设备的表面采取加强清理、尽可能控制暴露在空气中的时间，并采取预抽真空的工艺进行脱除被吸附的空气及水分。表2是某厂用表面处理和预抽处理合格的旧设备生产的产品质量统计。

表2 某厂用表面处理和预抽处理合格的旧设备生产的产品质量统计表

1.3 反应设备的预抽空处理

新、旧反应设备都要采取预抽真空的工艺进行预处理。对于新设备而言，主要是检查反应设备本身的漏点及组装的气密性。而对于旧设备来说，不但要检查反应设备本身的漏点及组装的气密性，还要利用预抽真空的工艺脱除设备表面低价钛、镁及氯化镁混合物等吸附的空气及水分，预防空气中氮、氧、氢等杂质元素的影响。表3是某厂用预抽合格的新、旧设备生产的产品质量统计。

2 反应设备预处理改进

2.1 新反应罐渗钛工艺的改进

新反应罐渗钛［2］，是利用钛与铁在高温下形成钛铁合金的原理，即在钢质反应罐的表面涂刷一层钛粉，再经过高温烧结渗透形成一层薄薄的钛铁合金，在生产中起到隔离作用，从而防止杂质铁的影响。

表3 某厂用预抽合格的新、旧反应罐生产的产品质量统计表

改进新反应罐渗钛工艺，主要采取的措施：一是采用低浓度的盐酸浸泡的方式加强新反应罐表面铁锈的清理，然后在洁净的表面涂刷钛粉，防止渗钛层的脱落现象；二是改进抽空操作，并优化高温烧结时间段的控制，提高渗钛层的质量；三是在渗钛合格的新反应罐使用时，采取再加少量的液态精镁与TiCl4进行低温汽化反应，预先生成一定量的钛粉末覆盖在反应罐器壁，强化生产过程中的隔离作用，能更好地降低杂质铁含量；四是提高渗钛检验标准，对渗钛不合格的必须进行重新渗钛处理。实践表明，新反应罐渗钛处理，对杂质铁元素的控制起着重要的作用，而新筛板的渗钛处理则影响相对较小。表4是某厂新反应罐渗钛情况及所生产的产品铁含量统计。

表4 某厂新反应罐渗钛情况及所生产的产品铁含量统计表

2.2 旧反应设备表面处理工艺改进

旧反应罐、筛板、大盖的表面处理改进，重点在于减少设备与产品接触的表面暴露在空气中的时间，特别是要防止直接与水接触，从而减少表面上附着的低价钛、镁及氯化镁混合物等与空气及水分的接触，减少吸附。同时加强表面清理，尽可能清除已吸附较多空气及水分的低价钛、镁及氯化镁混合物等。改进后，有利于稳定预抽空时间控制，也有利于产品质量控制。表5是某厂新、旧设备的表面暴露时间和预抽真空时间的统计。

表5 某厂新、旧设备的表面暴露时间和预抽真空时间的统计表

2.3 旧反应罐预抽处理工艺改进

旧反应罐清理后剩余的少量残留物仍然会吸附空气中的水分，直接投入生产会导致海绵钛产品中的氧、氮杂质含量升高，所以在生产前必须进行预抽空处理。主要改进措施：一是对正常情况下的旧反应罐适当地延长预抽空时间，尽最大可能脱除被吸附的空气及水分；二是对暴露时间较长、尤其是因故障与水直接接触的旧反应罐，采取将其加热到200～300℃的温度下恒温2～3 h或者更长时间，并同时进行预抽空，更好地脱除水分，实践表明可以大大地减少预抽空时间；三是提高预抽空的验收标准，强化预抽空效果。

生产中，经常是根据具体情况而进行多项措施的组合使用，能够收到不错的综合效果。

3 结 语

1.改进新反应罐的渗钛工艺，提高渗钛质量，可以有效地预防杂质铁元素的影响。在渗钛合格的新反应罐使用时，增加低温汽化反应措施，对控制杂质铁元素的波动有一定的促进作用。

2.对旧反应设备而言，尽可能缩短暴露在空气中的时间，并加强表面清理，对稳定海绵钛产品质量控制有重要作用。

3.采取不同的预抽空工艺，对产品质量控制有不同的控制效果，但应结合生产成本控制进行取舍。

4.根据生产实际，联合采用改进渗钛工艺、减少暴露时间及加强预抽空等措施，收到的综合效果更好，更有利于提高产品质量。