降低海绵钛生产原料精镁中铁杂质元素的含量

陈能强，马 昕，黎 亮，陶乃特，王刻平

(云南新立有色金属有限公司，云南 昆明 650100)

0 引言

海绵钛作为一种新金属，由于它具有密度小、强度高、耐高温性好、抗腐蚀性优等一系列优异性能，现已被广泛用于火箭、卫星、飞机、舰艇、导弹、核电站等许多领域［1］。

镁还原生产海绵钛的基本原理，是在氩气的保护下，向反应器内连续不断的加入四氯化钛，使之与镁发生还原反应，生成产品海绵钛和副产品氯化镁。主要化学方程式为:

Mg(l)+TiCl4(g)=Ti(s)+MgCl2(l)+Q

为了得到纯净的海绵钛，采用真空蒸馏，将海绵钛中的镁和残留的氯化镁分离除去［2］。真空蒸馏、冷却结束后，将装有海绵钛坨的反应器进行拆卸，然后通过轨道车输送至破碎包装工序进行钛坨的顶出、剪切及钛块的破碎、分级、包装，最后得到最终产品海绵钛。

1 精镁生产原理

精镁生产工艺流程见图1。将来自还原工序产出的氯化镁加入到含有电解质的电解槽内，电解槽通入110 kA的直流电，电解槽温度控制在655±2℃下进行电解。电解槽的阳极生成氯气，氯气由氯气集气罩通过氯气总管输送至氯压机室进行氯气除尘、除水、压缩处理，然后送氯化工序进行粗四氯化钛的生产。电解过程中电解槽阴极生成镁液，通过阴极导镁槽进入集镁室，定期使用真空抬包将其从电解槽中抽取出来，用天车吊送至精炼工序，加入到连续精炼炉炉内进行深度除杂，从而得到较纯的海绵钛生产原料精镁，然后使用真空抬包将其抽取出来，通过抬包车输送至还原工序进行海绵钛的还原生产。

图1 精镁生产工艺流程图Fig.1 Process flow diagram of refined magnesium

2 精镁中铁杂质元素对海绵钛质量的影响

精镁作为海绵钛生产的主要原料。根据某公司引进单炉生产能力7.5 t的I型半联合还蒸海绵钛生产技术。由于在还原生产中若出现镁的区域性相对不足会增加低价氯化钛的生成、低价氯化钛在产品拆卸过程中容易着火、对真空系统污染较大以及对海绵钛产品质量也有关键性的影响等原因，因此在还原生产过程中要加入过量的精镁来减少低价氯化钛的生成，精镁中的铁杂质元素在还原生产过程中会渗入至海绵钛产品里，由此可知，若在还原生产中，精镁铁杂质元素含量过高，将会对海绵钛产品的质量造成致命的影响。为了定量说明精镁铁杂质元素对海绵钛产品质量的影响，将前期生产的精镁及海绵钛质量进行分析，具体情况见表1。

表1 部分炉次精镁及海绵质量情况Tab.1 Quality of refined magnesium and titanium sponge of part of furnaces

数据表明，镁生产车间生产的精镁铁杂质元素含量偏高，平均值为0.0262%，铁杂质元素含量偏高的精镁作为海绵钛生产的主要原料，产出的海绵钛产品质量不够理想，海绵钛产品中铁元素超标，其等级都在2级以下，等级率较低，这与前面定性分析的结论相吻合。

3 铁杂质元素带入的来源及降低其含量的方法

为了产出用于还原工序生产的铁杂质元素含量合格的原料精镁和优质的海绵钛产品，提高海绵钛产品(一级品以上)的等级率之目的，对铁杂质元素带入的来源进行了分析，提出了降低铁杂质元素含量的方法。

3.1 铁杂质元素带入的来源

精镁熔化过程中使用的工具会使精镁和熔剂接触，而熔剂的成分为:氯化钠、氯化镁、氯化钾和氯化钙。这些氯化物会沾在工具上，具有吸水性，而且长期与空气接触会生成氯化氢和氢氧化物，从而导致了工具的腐蚀、生锈，造成精镁铁杂质元素含量的偏高;同时，在粗镁精炼过程中，精炼炉抽镁温度的高低将直接影响铁杂质元素含量带入的多少，也就是说，在生产过程中，铁杂质元素含量随着精炼炉抽镁温度的升高而升高［3］。

3.2 降低精镁中铁杂质元素含量的方法

针对目前某公司精镁的生产实际情况，在专家及相关工程技术人员的共同努力下，提出了有效降低精镁中铁杂质元素含量的方法。

(1)更换工具及热电偶保护管的材质。用于精镁熔化过程使用包括抽精镁的精炼炉、抽镁管等工具及测量精炼炉温度的热电偶保护管，由于前期采用的材质为普通碳钢，腐蚀比较严重。至此，为了减少精炼过程中所用工具和热电偶保护管带来的腐蚀及精镁产品的污染，将所用工具和热电偶保护管的材质由原来的普通碳钢更换为不锈钢，更改材质后，产出的精镁铁杂质元素含量及海绵钛产品质量情况见表2。

(2)调整精炼炉抽镁温度。精炼炉启动运行初期，在准备向还原工序输送精镁时，将精炼炉抽镁温度控制在730～750℃，运行一段时间后，发现精炼炉温度的高低直接影响精镁中铁杂质元素含量的多少，从而影响了海绵钛产品的质量。经过研究，对精炼炉抽镁温度作出了调整，抽镁温度由原来的730～750℃调整为690℃左右，且温度不得超过710℃。调整精炼炉抽镁温度后，产出的精镁铁杂质元素含量及海绵钛产品质量情况见表2。

(3)添加除铁元素物料。根据相关资料，氟化钙在熔剂中的含量为1% ～2%时，可以与粗镁中铁杂质元素发生一系列的化学作用，生成大分子化合物，经过一段时间的沉降后，落入炉底，从而达到了与精镁分离的目的。在熔剂中添加含量1%～2%的氟化钙后产出的精镁铁杂质元素含量及海绵钛产品质量情况见表2。

表2 部分炉次精镁及海绵钛质量情况Tab.2 Quality of refined magnesium and titanium sponge of part of furnaces

数据表明，以上措施实施后，产出的精镁中的铁杂质元素含量得到了降低，平均值由原来的0.0262%降低至0.0058%，产出了铁杂质元素含量合格的精镁并产出了大量优质的海绵钛，海绵钛产品等级都在1级以上，等级率得到了大大的提高。

4 结语

精镁作为海绵钛生产的主要原料，其铁杂质元素含量的高低将直接影响着海绵钛产品的质量。通过生产实践证明，某公司在镁精炼过程中采取了更换精炼炉抽镁管、测量精炼炉温度的热电偶保护管等材质、调整精炼炉抽镁温度和添加除铁元素物料等措施后，铁杂质元素含量由原来的0.0262%降低至0.0058%，产出了铁杂质元素含量合格的精镁及满足客户需求的大量超软海绵钛。

［1］李大成，周大利，刘恒等.镁热法海绵钛生产［M］.北京:冶金工业出版社，2009.

［2］莫畏.钛［M］.北京:冶金工业出版社，2008.

［3］张永健.镁电解生产工艺学［M］.长沙:中南大学出版社，2008.