黑色冶金金属热力学论文

镁法海绵钛爬壁钛生成量的初探沈俊宇（遵义钛业股份有限公司 贵州省 563004）摘要：在海绵钛的还原生产过程中，反应器的上部器壁会生成大量环状的爬壁钛，一炉产品爬壁钛的生成量少则500 kg左右，多则达800至1000 kg，爬壁钛不仅产品取出困难，增加操作人员劳动强度，而且其质量较差，经济损失大。本文分析了海绵钛爬壁钛的形成机理及生产过程中爬壁钛增多的原因，提出了还原中后期最大加料速度限制，以缓解反应剧烈程度和控制反应液面高度在1#范围内小幅波动，防止形成新的活性中心，是生产过程中减少爬壁钛生成量的主要途径。关键词：海绵钛 爬壁钛 生成量 加料速度 反应液面高度A Study the Production of the Titanium on Walls Produced in the Process of Sponge Producing by Magnesium ProcessJunyu，Shen(Zunyi Titanium 563004)Abstract：A quantity of annular titanium will be produced on upper walls of reactors during the reduction and distillation。The production per batch is from 500kg to 800 or 1,000kg. It is difficult for operators to take products out ,and also influences the quality .Therefore ,the titanium on walls not only strengthens the labor intensity ,but also causes a big loss The paper analyzes the formation mechanism of the titanium on wall and reasons why its production order to ease the strong reaction,make the liquid level in reaction waves no more than 1’’and prevents the formation of new active centers ,the paper introduces a main method to reduce the production of the titanium on walls,that is to retrict the speed in mid or late period of reduction and sponge the titanium on walls production feed speed liquid level in reaction 1 前言在海绵钛的还原生产过程中，反应器的上部器壁会生成大量环状的爬壁钛，如图1所示。爬壁钛会导致以下不良后果： 第一，由于目前使用双法兰反应器，反应器上部热损失较大（上部有三圈水套，反应器约300 mm高度在加热炉外），上部爬壁钛中的氯化镁很难被蒸发出去，使爬壁钛中含有较高的杂质元素氯，剥取产品时会看到反应器口部（爬壁钛的最上部）粘有大量的镁和氯化镁。第二，海绵钛还原、蒸馏反应器为铁制反应器，由于爬壁钛在反应器器壁上粘附较强，加之双法兰反应器上部热损失大，为保证反应器上部温度，蒸馏期间加热炉1#、2#加热电阻丝送电频率高且时间长，致使爬壁钛普遍有发亮现象，分析结果显示杂质元素铁含量较高。第三，爬壁钛在反应器上部空间极易被泄漏进的空气污染，使产品中杂质元素氮、氧含量较高。由表1可看出，产品分析爬壁钛质量级别基本上在3—5级（极少部分在2级以上），同时，也有少部分因杂质元素过高成为等外品。一炉产品爬壁钛的生成量少则500kg左右，多则达800至1000 kg，经济损失较大。另外，爬壁钛过多也给产品取出带来困难，增加操作人员劳动强度。为了减少爬壁钛生成量，降低损失，我们进行了控制液面高度及调整料速试验。表1 2007年下半年爬壁钛质量统计表分析批数（批） 2级品批数（批） 3～5级品批数（批） 等外品批数（批） 2级品影响因素 3～5级品、等外品影响因素75 12 51 12 HB、Fe、Cl、O、N HB、Fe、Cl2 爬壁钛形成机理镁还原TiCl4主要反应为：TiCl4+2Mg=Ti+2MgCl2，在还原反应刚开始时，加入的TiCl4大部分气化，发生气相TiCl4—气相Mg或气相TiCl4—液相Mg反应，同时也有一部分TiCl4液体未来得及气化，进入液镁中，发生液相TiCl4—液相Mg间的反应。还原刚开始在反应器铁壁和熔镁表面夹角处上，一旦有钛晶粒出现后，裸露在熔镁面上方的钛晶体尖峰或棱角便成为活性中心。[1] 镁还原TiCl4主要在此活性中心上进行。液镁靠表面张力沿铁壁和钛晶体毛细孔上爬，被吸附在活性中心上，与气相TiCl4反应生成最初的海绵钛颗粒。随着反应的进行，生成的海绵钛颗粒依赖其与反应器壁的粘附力和熔体浮力的支持沿反应器壁在熔体表面逐渐长大，并浮在熔体表面。随着生成的海绵钛块增厚、增大，加之排放氯化镁，失去熔体浮力支持的海绵钛块体大部份就会沉落在熔体底部，这样在反应器器壁上，将有环状海绵钛粘附在其上，其实，这部分也是最初的爬壁钛。另外，在还原反应初期，液镁有很大的蒸发表面，而空间压力较低，故镁具有很大的蒸发速度。还原反应中期，反应温度较高和对反应器底部加热时，也会有部分镁蒸发。镁蒸气挥发后，冷凝在反应器器壁和大盖底部，与气相TiCl4反应也会生成部份爬壁钛。海绵钛块沉落熔体底部后，熔体表面会重新暴露出液镁的自由面，还原反应将恢复到较大的速度。随着反应的进行，在熔体表面会重新生成海绵钛桥，通过排放氯化镁，钛桥被破坏，海绵钛块靠自重下沉，又为下一层海绵钛生长创造条件，爬壁钛也在这一过程中逐渐形成，还原反应如此周而复始进行，直至镁的利用达到65%—75%之后。3 生产中爬壁钛增多原因分析中后期加料速度随着还原反应的进行，特别是进入中期后，加料速度逐渐增加，反应进行的非常剧烈，熔体表面反应区中心部最高温度可达1200℃以上，而镁的沸点仅1105℃，此时镁处于沸腾状态。加之目前还原操作料速按玻璃转子流量计实际刻度与自动加料系统对照进行加料，因玻璃转子流量计出厂时是用水标定，当被测介质改为TiCl4时，其修正系数，经计算应为。当玻璃转子刻度显示最大加料量为150 kg /，实际料速已达160～170 kg /。这样更加剧了反应的剧烈程度，沸腾的液镁将不断吸附在最初反应器壁上已形成的少量环状爬壁钛上，通过钛晶体毛细孔上爬，与气相TiCl4反应生成新爬壁钛，使原环状爬壁钛增多、增厚。另外，由于反应剧烈程度增加，也加剧了液镁的气化，液镁蒸气挥发后，冷凝附着在反应器器壁上部和大盖底部，与气相TiCl4反应生成爬壁钛，这些爬壁钛主要粘附在反应器器壁上部和大盖底部。因此，最大料速持续的时间越长，生成爬壁钛也就越多（表2）。表2 部分大料速爬壁钛生成量统计表最大料速（kg /） 持续的时间（h） 爬壁钛占毛产量比例（%）生产炉-1 155～165 35 生产炉-2 145～155 40 生产炉-3 155～165 36 生产炉-4 155～165 40 生产炉-5 155～165 35 反应液面高度反应液面高度太低、波动范围过大会增加爬壁钛生成量，其原因如下：第一，当反应液面高度过低时，TiCl4距液镁表面间距面相对较远，发生液相TiCl4—液相Mg间的反应相对减少，气相TiCl4与镁蒸气反应相对增加，从而增加爬壁钛生成量。第二，因未定时、定量准确排放MgCl2，反应液面高度大幅上下波动，易在钛晶体活性中心之外，形成新的活性中心，液镁靠表面吸引力沿铁壁和钛晶体孔隙上爬，被吸附在活性中心上，这样在反应器壁上会粘附形成新的爬壁钛。因此，不控制好液面高度，及时准确排放MgCl2，也将增加爬壁钛的生成量（表3）。表3 反应液面高度大幅波动量统计表反应液面高度波动范围 爬壁钛占毛产量比例（%）生产炉-6 1#～2# 生产炉-7 1#～2# 生产炉-8 1#～2# 生产炉-9 1#～2# 生产炉-10 1#～2# 生产炉-11 1#～2# 措施通过上述分析，可以知道爬壁钛是海绵钛生产过程中必然要形成的，但其生成量是可以控制的，因此，我们对加料速度以及反应液面高度进行了调整。结合生产实践，采取两项措施：第一，我们对部分处于通风不好而影响散热的炉子还原中期最大加料速度限制在135～140 kg /，以缓解反应剧烈程度，特殊炉次，因反应温度太低，可以适当提高至160～170 kg /，但持续时间不能太长，最多3～4 h;后期最大料速限制在105～110 kg /。第二，控制反应液面在1#范围内小幅波动，防止形成新的活性中心，以达到降低爬壁钛生成量的目的（表4）。表4 调整料速及排放MgCl2制度试验对比表料速及排放MgCl2制度 平均爬壁钛占毛产比例(kg) 平均钛坨重量(kg) 平均加料时间(h) 中期平均最大料速(kg /) 后期平均最大料速(kg /)调整前 5291 89 160 120调整后 5483 87 138 107从表4的统计数据可以看出，通过控制最大料速以及控制好液面高度及时准确的排放MgCl2，产品生成的爬壁钛占毛产比例大大下降，调整前平均爬壁钛为％，调整后平均爬壁钛％，平均下降％。在进行调整料速试验期间，对生产炉-59一炉产品还原中期加料再次进行提高料速到155～165 kg /试验，结果爬壁钛增至占毛产量的％，从这点也证明了加料速度对爬壁钛形成的影响。此外，调整前，钛坨平均重5291 kg，调整后，钛坨平均重5483 kg，平均毛产重量未受影响；调整前平均加料时间89小时，调整后平均加料时间87小时，加料时间也略有减少。试验在降低爬壁钛生成量的同时，缩短了还原生产周期，降低了还原电耗，取得了较好的效果。5 结论对处于通风不好而影响散热的炉子还原中期最大加料速度限制在135～140kg /，后期最大料速限制在105～110 kg / 控制反应液面高度在1#范围内小幅波动。本试验在巩固海绵钛钛坨产量的情况下，降低了爬壁钛生成量，试验取得了效果，为进一步研究探索海绵钛爬壁钛生成量打下了基础。参考资料[1] 莫畏， 邓国珠 ，罗方承 . 钛冶金[M].版次（第二版）.北京:冶金工业出版社,1998:281-293

冶金工程领域是研究从矿石等资源中提取金属或金属化合物，并制成具有良好的使用性能和经济价值的材料的工程技术领域。冶金是国民经济建设的基础，是国家实力和工业发展水平的标志，它为机械、能源、化工、交通、建筑、航空航天工业、国防军工等各行各业提供所需的材料产品。现代工业、农业、国防及科技的发展对冶金工业不断提出新的要求并推动着冶金学科和工程技术的发展，反过来，冶金工程的发展又不断为人类文明进步提供新的物质基础。冶金工程技术的发展趋势是不断汲取相关学科和工程技术的新成就进行充实、更新和深化，在冶金热力学、金属、熔锍、熔渣、熔盐结构及物性等方面的研究会更加深入，建立智能化热力学、动力学数据库，加强冶金动力学和冶金反应工程学的研究，应用计算机逐步实现对冶金全流程进行系统最优设计和自动控制。冶金生产技术将实现生产柔性化、高速化和连续化，达到资源、能源的充分利用及生态环境的最佳保护。随着冶金新技术、新设备、新工艺的出现，冶金产品将在支撑经济、国防及高科技发展上发挥愈来愈重要的作用。冶金工程与许多学科密切相关，相互促进发展。冶金工程包括：钢铁冶金、有色金属冶金两大类。冶金物理化学是冶金工程的应用理论基础。该工程领域与材料工程、环境工程、矿业工程、控制工程、计算机技术等工程领域及物理、化学、工程热物理等基础学科密切联系，相互促进，共同发展。培养目标“十二五”期间，依据国家产业政策彻底淘汰钢铁、有色金属落后产能，进一步提高先进产能所占比重。加快推进兼并重组，做大做强优势骨干企业。大力实施技术改造，加快产业结构调整和优化升级，规模总量和品种质量基本满足全国国民经济发展需求，促进全国冶金工业可持续健康发展。预测2015年我国粗钢导向性消费量将达到亿吨。最高峰可能出现在2015年到2020年期间，峰值约亿吨，此后峰值弧顶区仍将持续一个时期。而随着工业化、城镇化不断深入发展，以及经济发展方式转变和产业升级，我国钢铁需求增速将呈逐年下降之势，进入平稳发展期。培养冶金工程领域科学研究与开发应用、工程设计与实施、技术攻关与技术改造、新技术推广与应用、工程规划与冶金企业管理等方面的高层次人才。冶金工程领域工程硕士生应有扎实的现代冶金技术的基础理论和系统的专业知识，对冶金工程技术的国内外现状和发展趋势有较全面的了解。能熟练运用先进的科学技术和实验方法，具有从事工程技术研究、改造、开发与应用。 冶金工程的领域范围，可分为两大类：黑色冶金和有色冶金。从研究方向和技术性质可细分为：(1)冶金过程和材料合成的物理化学理论及应用。(2)矿物的资源综合利用及冶炼过程中的环境保护。(3)钢铁冶炼工艺、技术、装备及生产系统的设计、施工等。(4)凝固加工技术。(5)冶金过程模拟仿真。(6)纯洁钢制造技术。(7)钢铁制造流程的解析和综合集成。(8)有色冶金过程电化学冶金原理、工艺、技术的应用、固态离子学及其相关理论在冶金和材料中的应用。(9)有色冶过程中湿法冶金和粉体工程。(10)有色金属功能材料的开发与应用等。 主要课程：冶金工程概论、传输原理、金属学原理、金属材料及热处理、冶金物理化学、钢铁冶金学、有色金属冶金学、材料现代分析方法耐火材料等。 实践教学：包括金工实习、认识实习、生产实习、专业实验、计算机操作实验、课程设计、毕业实习、毕业设计。 结合冶金企业的实际课题进行研究工作，可以是冶炼新技术、新工艺、新设备、的研究和开发，可以是原冶金工艺和设备系统的技术革新，可以是冶金过程检测技术和质量控制，可以是冶金工艺设备的状态监测和故障诊断系统的研究，可以是大型冶金企业管理模式革新等。根据研究结果撰写论文：对于新产品设计与开发技术的结果，论文应该具有设计方案的比较、评估，设计计算书，完整的图纸；对于重大技术改造和革新的成果，应该具有对原设备与技术的评价，改造和革新方案的评述和结果的技术和经济效果分析；对于产品质量控制和试验的成果，必须有试验方案、完整的实验数据、数据处理分析方法、结果分析；对于生产设备管理成果，必须给出新的管理理论体系，对企业产量和质量作效果分析，并给出创新管理信息系统等。