海绵钛还原过程热平衡分析

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1、第25卷第4期Vol.25No.42008年8月August2008海绵钛还原过程热平衡分析张履国（遵义钛业股份有限公司，贵州遵义563004）摘要：详细分析了海绵钛还原过程各阶段热平衡的特点，指出了还原过程强化工艺可供选择的途径，对于缩短生产周期和保证产品质量有重要的借鉴作用，对于大型还原蒸馏联合法生产海绵钛的工艺进步是一次有益的尝试。关键词：海绵钛；还原过程；热平衡行创新研究，开发先进适用的关键技术，提升核心1前言竞争力，仍是海绵钛生产企业的取胜之道。钛及钛合金具有优良的耐高温、耐低温性能和还原过程是海绵钛生产过程中的关键环节之耐腐蚀性能，比强度高，在航空航

2、天、海洋工程、一，对产品质量和设备产能发挥有重要作用。镁与化工、电力、超导材料、医疗和体育休闲等领域有四氯化钛的反应是一个强烈的放热反应，反应产生着广泛的用途。钛用量的多少在一定程度上反映一的热量除用于保持足够的反应温度外，还有大量的个国家的经济发展水平和综合国力，欧美等发达国余热需要从反应器内排走，才能维持正常的热平衡，家占有世界用钛量的60%以上。近年来，随着国民防止超温而影响产品质量。要缩短还原生产期、提经济的快速发展和国防建设的需要，国内的用钛量高产能，必须强化还原过程的工艺条件。还原过程正在以前所未有的速度在增长。预计到2010年，我强化工艺条件的主要

3、方式是提高四氯化钛的料速和5国海绵钛的年产能将达到1×10t，占世界总产能强化还原设备的散热能力，要实现这个目标，就要的50%左右。实际上，2007年我国的海绵钛产量已对还原全过程热平衡状况及其特点进行充分研究。4位居世界第一，达到4.5×10t以上。尽管我国已据资料介绍，日本的10t炉还原蒸馏生产周期为200成为名副其实的产钛大国，但是，与世界先进水平h，其中还原过程为100h，四氯化钛的料速达到600相比，在生产技术和装备水平上还有差距，必须奋kg/h以上。国内的海绵钛企业由于采用的炉型参差力追赶，加快技术创新的步伐，以优质、低耗和低不齐，没有统一的料速标准

4、，但是，总体上看，与污染的生产方式去搏击市场，提升国内钛工业的整国外先进水平相比，还原过程的料速是偏小的，主体水平，实现跨越式发展，才能使我国早日成为产要原因在于对还原过程热平衡研究不够。钛强国。2还原过程的特点与热平衡关系多年以来，镁还原法（简称镁法）一直是工业生产海绵钛的主要方法，由于镁法海绵钛质量稳定、目前，世界上工业化生产海绵钛的方法为镁还污染小，在与钠法钛的竞争中胜出，几年前，钠法原法（也称Kroll法），所用的主要原料为金属镁及钛就退出了市场，镁法成了唯一生产方法。镁还原四氯化钛。还原过程是海绵钛生产中的一个极其重法的工艺特点是：还原蒸馏是间隙式生产

5、，而非连要的阶段，还原反应的化学反应为：续式，生产周期长，成本高，限制了钛的大规模应TiCl4+2Mg=Ti+2MgCl2（1）用。虽然有报道称英国剑桥大学发明了连续生产钛式（1）为放热反应，以生成1mol钛为反应物的FFC法，但是，据业内人士分析，要达到实用化料进行热平衡粗算，反应热为△HT，则绝热条件下[1,2]的水平还有待时日。因此，立足现有的生产方式进的净发热量为QT为：收稿日期：2008-03-25作者简介：张履国（1968-），男，工程师，主要从事海绵钛的生产工作，电话：0852-8415561。第4期张履国：海绵钛还原过程热平衡分析39QT＝△HT

6、＋QT吸（2）还原反应维持在所需要的温度，必须将余热从反应计算表明，镁还原反应的热效应很大，在绝热过器中排出，否则就会引起超温。程中除去物料吸热外，释放出的余热量相当多，如在-1T=1100K（827℃）时，△HT＝－502.0kJ·mol，TiCl4-1QT＝－307.6kJ·mol。在工业用的反应器中，不仅可以靠自热维持反应，而且还必须控制适当的反应速Q3Q2度，并及时排出余热，否则会使反应器壁超温，导致[3]产品含铁超标，给产品质量带来非常不利的影响。生产过程中，随着镁利用率的增加，海绵钛的反应液面形成及氧化镁的产生，还原过程的状况呈现阶段性Q1的特点，其

7、特点往往取定于热平衡的状况（见表1）。Mg与还原有关的主要物料的导热系数比较见表2。表1还原过程前期、中期及后期的特点TiTiCl4的反应区中心镁利用率阶段持续时间料速温度/℃/％图1前期热平衡示意图前期短小800～9005～10中期长大900～105040～50后期较长小1000～120065～67TiCl4表2与还原有关的主要物料的导热系数比较表（温度：900℃）物料金属镁海绵钛工业钛氯化镁Q3Q2导热系数-1-199.28.024.53.3/W·m·KQ11反应液面Mg3还原过程各阶段热平衡比较分析Ti砣3.1还原过程的热平衡方程式还原的前期和中期反应是在

8、镁的液面上进行，以气体的