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海綿鈦的生產(chǎn)工藝
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作者:xinpeng
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發(fā)布時間: 2016-06-15
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【Na還原法】
四氯化鈦主要用作生產(chǎn)海綿鈦、鈦白粉及三氯化鈦。其制取方法很多，主要有沸騰氯化、熔鹽氯化和豎爐氯化3 種方法。沸騰氯化是現(xiàn)行生產(chǎn)四氯化鈦的主要方法（中國、日本、美國采用），其次是熔鹽氯化（獨聯(lián)體國家采用），而豎爐氯化已被淘汰。沸騰氯化一般是以鈣鎂含量低的高品位富鈦料為原料，而熔鹽氯化則可使用含高鈣鎂的原料。
1、沸騰氯化
沸騰氯化是采用細顆粒富鈦料與固體碳質(zhì)（石油焦）還原劑，在高溫、氯氣流的作用下呈流態(tài)化狀態(tài)進行氯化反應(yīng)，從而制取四氯化鈦的方法。該法具有加速氣-固相間傳質(zhì)及傳熱過程，強化生產(chǎn)的特點。國內(nèi)外目前沸騰氯化使用的原料有高鈦渣、天然金紅石、人造金紅石等。我國撫順鈦廠和遵義鈦廠新建的沸騰氯化爐直徑分別為Φ1.4 m與Φ2.4 m，采用獨有的無篩板氯化技術(shù)，其中遵義鈦廠設(shè)計日產(chǎn)粗四氯化鈦70 t。
2、熔鹽氯化
熔鹽氯化是將磨細的鈦渣或金紅石和石油焦懸浮在熔鹽（主要由KCl、NaCl、MgCl2 和CaCl2 組成）介質(zhì)中，并通入氯氣，從而制取四氯化鈦的方法。一般也可使用電解鎂的廢電解質(zhì)，在973K~1073K 條件下充入氯氣，故氯化反應(yīng)的速度受到熔體的性質(zhì)、組成，還原劑的種類，原料的性質(zhì)，氯化溫度，氯氣濃度及通入速度，熔體高度，配碳量等因素的影響。
方法
熔鹽氯化法是前蘇聯(lián)20 世紀60 年代研制成功，用以生產(chǎn)四氯化鈦的方法，該法不僅適用于前蘇聯(lián)的原料特點（鈦渣含CaO+MgO 約6%），其爐子產(chǎn)能達20 t/m2 ~25 t/m2 四氯化鈦，熔鹽段截面積為6m2。大型熔鹽氯化爐日產(chǎn)四氯化鈦為120 t~150 t，原為矩形爐，現(xiàn)改為圓形爐，圓形熔鹽氯化爐的尺寸為Φ 5.0 m×8.5 m，內(nèi)徑Φ 內(nèi)為2.76 m，長方形為4.5 m×3.5 m×8.5 m。圓形爐內(nèi)無死角，爐體強度增大，3 年大修1 次，比矩形爐使用年限延長近1 倍。熔鹽氯化可使用多種富鈦物料，除了含鈣鎂的鈦渣外，現(xiàn)廣泛使用由紅鈦鐵礦（Fe2O3 3TiO2）熔煉的鈦渣（TiO2 87%~91%），亦可使用金紅石。 烏克蘭采用熔鹽氯化生產(chǎn)已有40 多年的歷史，不僅適用于該國鈦精礦MgO、CaO 含量高的特點，還具有以下優(yōu)點：1）氯化裝置單位生產(chǎn)率高，可達20 t/m2·d ~25t/m2·d TiCl4；2）氯化溫度低，為800℃，很多雜質(zhì)不會因氯化而進入TiCl4；3）從爐料到工業(yè)四氯化鈦，鈦的回收率高，可達95%；熔鹽本身有凈化TiCl4 的作用，獲得TiCl4雜質(zhì)含量低，釩、氯、硅、碳等雜質(zhì)總含量≤2%；制得TiCl4 產(chǎn)物達98%以上，可使AlCl3、FeCl3、CaO、MgO 和SiO2 等雜質(zhì)留在熔鹽介質(zhì)中，然后排出；4）對原料粒度組成要求不高，可利用細小粒度的鈦渣；5）反應(yīng)過程不產(chǎn)生COCl2，廢氣無爆炸危險。廢氣中Cl2 和HCl 含量非常小，對環(huán)境污染也不大。
3、豎爐氯化
豎爐氯化是將被氯化的鈦渣（或金紅石）與石油焦細磨，加粘結(jié)劑混勻制團并經(jīng)焦化，將制成的團塊料堆放在豎式氯化爐中，呈固體層狀態(tài)與氯氣作用從而制取四氯化鈦的方法，也稱固定層氯化或團料氯化，該法目前基本已被淘汰。
【Mg還原法】
鎂還原的實質(zhì)是，在880℃~950℃下的氬氣氣氛中，讓四氯化鈦與金屬鎂進行反應(yīng)得到海綿狀的金屬鈦和氯化鎂，用真空蒸餾除去海綿鈦中的氯化鎂和過剩的鎂，從而獲得純鈦，蒸餾冷凝物可經(jīng)熔化回收金屬鎂，氯化鎂經(jīng)熔鹽電解回收鎂和氯氣。從精制四氯化鈦中制取金屬鈦，分為還原和蒸餾兩個步驟。在較長一段時間，還原、蒸餾都是分步進行的，而目前已趨向聯(lián)合化、大型化。
鎂還原
鎂還原的主要反應(yīng)為： TiCl4+2Mg=Ti+2MgCl2
在還原過程中，TiCl4 中的微量雜質(zhì)，如AlCl3、FeCl3、SiCl4、VOCl3 等均被鎂還原生成相應(yīng)的金屬，這些金屬全部混在海綿鈦中。而混雜在鎂中的雜質(zhì)鉀、鈣、鈉等，也是還原劑，它們分別將TiCl4 還原并生成相應(yīng)的雜質(zhì)氯化物。鎂還原過程包括：TiCl4液體的氣化→氣體TiCl4和液體Mg 的外擴散→TiCl4 和Mg 分子吸附在活性中心→在活性中心上進行化學(xué)反應(yīng)→結(jié)晶成核→鈦晶粒長大→MgCl2 脫附→MgCl2 外擴散。這一過程中的關(guān)鍵步驟是結(jié)晶成核，隨著化學(xué)反應(yīng)的進行伴有非均相成核。
真空蒸餾
經(jīng)排放MgCl2 操作后的鎂還原產(chǎn)物， 含鈦55%~60%、鎂25%~30%、MgCl210%~15%，及少量TiCl3 和TiCl2，常用蒸餾法將海綿鈦中的鎂和MgCl2分離。 還原產(chǎn)物海綿鈦在真空蒸餾過程中經(jīng)受長期高溫?zé)Y(jié)，逐漸致密化、毛細孔逐漸縮小，樹枝狀結(jié)構(gòu)消失，最后呈一坨狀整塊，俗稱鈦坨。
鎂還原、蒸餾工藝及設(shè)備
大型的鈦冶金企業(yè)都是鎂鈦聯(lián)合企業(yè)，多數(shù)廠家采用還原-蒸餾一體化工藝。這種工藝被稱為聯(lián)合法或半聯(lián)合法，它實現(xiàn)了原料Mg-Cl2—MgCl2 的閉路循環(huán)。
還原-蒸餾一體化設(shè)備，分為倒“U”型和“I”型兩種。倒“U”型設(shè)備是將還原罐（蒸餾罐）和冷凝罐之間用帶閥門的管道連結(jié)而成，設(shè)專門的加熱裝置，整個系統(tǒng)設(shè)備在還原前一次組裝好。“I”型一體化工藝的系統(tǒng)設(shè)備如在還原前一次性組裝好，即稱為聯(lián)合法設(shè)備；而先組裝好還原設(shè)備，待還原完畢，趁熱再將冷凝罐組裝好進行蒸餾作業(yè)的系統(tǒng)設(shè)備則稱為串聯(lián)合設(shè)備，中間用帶鎂塞的“過渡段”連結(jié)。