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收藏词条   编辑词条 海绵钛厂设计

创建时间:2008-08-02

海绵钛厂设计(engineering design of titanium sponge plant)

以钛精矿为原料,经氯化等工艺过程产出中间产品——精四氯化钛,再用金属镁还原等方法生产海绵钛的稀有金属冶炼厂设计。其设计范围包括:富铁料车间设计、富钛料氯化车间设计、四氯化铁精制车间设计和海绵钛厂还原蒸馏车间设计。西方国家的钛行业,用天然金红石(95%~98%TiO2)、人造金红石等高品位钛精矿生产四氯化钛。中国和前苏联的天然金红石资源有限,通常在海绵钛厂内设钛渣车间,用钛铁矿生产TiO2含量为80%~94%的钛渣作为,氯化车间的原料。

简吏 1948年,美国杜邦公司(E.I.Dupont corp)首先产出2t工业用海绵钛,至20世纪50年代,美、英、日及苏联分别设计建成海绵钛厂。生产初期,多采用克劳尔(Kroll)法炼钛,间断生产。20世纪60年代末到70年代,相继研制出半联合及联合的克劳尔法改良工艺,前者始于苏联,后者出自日本。80年代,倒U形联合工艺已广泛应用于日本各海绵钛厂中。

1958年中国首次设计建成抚顺铝厂海绵钛试验车间。此外,还先后建成上海第二冶炼厂钛车间和锦州铁合金厂钛车间。

20世纪60年代,中国的科研成果—浮阀塔,用于海绵钛厂,取代了设备庞大效率低的填料塔;中国研制出圆型熔融盐氯化器,有效地处理高钙镁含量的钛渣。70年代,中国首创用流态化氯化炉氯化钛渣的生产技术,已先后设计多种供氯化钛渣的炉型。1964年开始设计中国第一个海绵钛厂—遵义钛厂,1970年建成投产。

产品方案与设计规模 中国设计的海绵钛厂或车间,其最终产品只有一种—海绵钛。日本和前苏联的海绵钛厂还设计有铸锭车间,用自耗电极和非自耗电极炉熔炼钛锭,将占海绵钛产量6%~8%的等外钛添加到钛锭内,以提高经济效益,钛厂的产品都在两种以上,美国的海绵钛厂多与加工厂设计为一体,主要产品为多规格、多品种的钛材。

20世纪60年代,中国设计建成的海绵钛厂,起步规模最大者为1000t/a。而西方国家海绵钛厂的起步规模在300~5000t/a之间,前苏联为3000~10000t/a。基于金属钛建厂投资多、市场易波动和生产成本高的特点,60年代后,国外有些海绵钛厂基本上依靠技术革新,逐步扩建为年生产能力达万吨以上的大厂。中国已于1990年完成规模较大的海绵钛厂扩建,扩建后的年生产能力为2000t。新海绵钛厂设计规模的确定,要适应基础工业的技术水平和市场需求。

生产方法与工艺流程选择 迄20世纪80年代末止,工业生产海绵钛有两种方法,即克劳尔法和亨特(Hunter)法。依次用金属镁和钠还原四氯化钛。精四氯化钛的生产方法二者相同。

亨特法的主要工序是:粗金属钠用过滤筛或过滤器等方法净化为精钠。在反应器中,用精钠还原精四氯化钛,还原产物经取出、破碎、酸洗和干燥等工序制成商品海绵钛。有一段和二段钠还原法之分:一段法是在一个反应器内完成全部还原作业;二段法是在两个反应器内完成全部还原反应,先在第一反应器内还原成低价钛化合物,再在第二反应器内补充钠,完成还原全过程后烧结,产出成品海绵钛。

克劳尔法的还原反应是在钢制的反应器中完成。还原产物中含镁和氯化镁约50%,可用真空蒸馏、氦气净化及湿法处理三种方法净化还原产物,制成海绵钛砣或粒。三种还原产物的净化工艺都有与之相适应的破碎系统,与各法配合制成粒度符合要求的商品海绵钛。90年代初,已有用真空蒸馏取代他法之势。在还原过程中,副产品无水氯化镁送至镁电解车间,回收镁和氯气。

克劳尔法生产的海绵钛量,约占世界海绵钛总产量的80%以上。克劳尔法的优点是用蒸馏法净化的产品质量好、氯含量低,利于加工熔炼。亨特法产品的氯含量和气体杂质多,加工熔炼困难,但基建投资少,成品海绵钛的粒度小.易配制合金,便于粉末冶金。

两种方法的选择,取决于本国的镁、钠产量和价格。在两种方法中,生产每吨海绵钛所需的还原剂量,钠比镁高出将近一倍,钠的售价必须比镁低一半,钠还原法才有竞争力。

镁还原工艺流程是由钛精矿或富钛料氯化、精制、还原蒸馏和破碎包装等工序组成。中国缺乏天然金红石,生产海绵钛的原料只能立足于由钛铁矿富集的富钛料。富钛料是钛渣和人造金红石等商品的统称。生产钛渣和人造金红石的流程有电炉法、盐酸直接分解钛精矿法、选冶联合稀盐酸加压浸出法、预氧化流态化酸浸法和还原锈蚀法等。从上述工艺流程的繁简程度衡量,多用电炉法冶炼钛渣。

氯化工艺流程的选择决定于原料中TiO2含量。西方国家多以天然金红石(95%~98%TiO2)和高品位人造金红石为原料,其氯化工艺流程简单、物耗低、氯利用率高而设备系统简单。中国以钛渣为原料,杂质含量多、物耗高、氯利用率低、设备系统庞大。海绵钛工业生产初期,一些厂曾用竖式电炉工艺流程。由于此工艺生产率低、劳动条件差,还必须配备制团和焦化等工艺设施,已逐渐被淘汰。20世纪50年代末至70年代,相继研制成熔融盐氯化及流态化氯化(沸腾氯化)新工艺。两种工艺的应用,均取决于原料成分,熔融盐氯化适于处理高钙、镁含量的钛渣,一般多用流态化氯化生产粗四氯化钛。

粗四氯化钛精制工艺由除钒和分离四氯化硅两个系统组成。用于海绵钛生产的粗四氯化钛精制工艺,两个系统兼用。除四氯化硅的工艺不适用于钛白生产。中国分离四氯化硅采用浮阀塔装置。除钒采用矿物油、硫化氢、铝粉以及铜丝和铜粉等方法。工业生产精四氯化钛,多用非金属除钒工艺替代金属除钒工艺。

还原,蒸馏工艺是海绵钛生产的核心,有非联合,半联合和联合工艺之分。美国钛金属公司(TIMET)和俄勒岗冶金公司(0RMET)曾用的非联合法别具一格,TIMET采用酸浸法处理还原反应物,0RMET不仅用独特的卧式还原罐进行还原反应,还用氦气作为载体,驱出罐内残余的镁和氯化镁。日本、中国和前苏联的钛厂都采用真空蒸馏处理反应物。半联合和联合工艺是设计中选择的主要方案。海绵钛坨的破碎是提供商品海绵钛的重要环节。中国钛厂先后用了两种破碎系统:(1)以油压机和颚式破碎机组成的破碎系统。(2)以油压机和齿辊破碎机等组成的破碎系统。后者较前者先进,适于生产粒度符合国际标准的大批量商品海绵钛。海绵钛工艺流程见图。

关于镁、氯循环,镁还原法生产海绵钛是以氯为氯化剂,以镁为还原剂。产品海绵钛中不含镁和氯,主要生成副产物为无水氯化镁。无水氯化镁是炼镁的优质原料,回收利用是降低海锦钛生产成本的重要措施。用克劳尔法生产海绵钛的工厂,都设有无水氯化镁电解车间,回收金属镁和氯气(见镁电解及精炼车间设计)。镁电解车间常年生产,镁和氯气连续产出,要与使用车间密切配合,以防氯气放空或渗漏污染环境。氯化车间要有足够的备用系统,设计中要考虑出现事故时吸收氯气的设施。镁电解车间的设计要保证镁、氯的有效循环。

设备选择 以钛铁矿为原料生产海绵钛用的主要设备有:钛渣冶炼炉(三相电弧炉)、氯化炉、四氯化钛和四氯化硅分馏塔、除钒除硅设备、还原蒸馏设备和钛坨破碎设备。

在海绵钛厂的设计中,一般采用敞开式或密闭式三相电弧炉冶炼钛渣。前者热效率低、电耗高、劳动条件差和实收率低。氯化炉有多种型式:竖式电炉、有筛板流态化氯化炉、无筛板流态化氯化炉和熔融盐氯化器等。炉型的选择决定于原料品位、有害杂质(镁、钙)的含量、原材料、能耗和金属实收率。含氯化钙镁杂质少的钛原料,多选用流态化氯化炉。熔融盐氯化器是处理低品位和高钙镁含量富钛料的有效设备,但必须有废盐处理或回收的有效设施。

铜丝球除钒塔,是中国研制的设备,对提高海绵钛质量有较大作用,但生产率低、耗铜、污染环境。设计中已采用矿物油除钒设备。中国除硅用浮阀塔,与国外同类企业的塔型比较,优于一般使用的泡罩塔和填料塔等设备。

还原蒸馏器是生产海绵钛的主体设备,型式及规格有多种。按还原器排放氯化镁的部位区分,有上排式、侧排式和下排式;按蒸馏器的冷凝器装配位置分,有上冷式及下冷式。以还原及蒸馏设备的组合型式分有非联合式(分开式)、半联合式和联合式。设计趋向于选用半联合式和联合式的还原蒸馏设备。90年代初选用的设备规格,一般为2~lOt/(炉•次)。

钛坨的破碎系统由油压机、颚式破碎机、齿辊破碎机、匀料器和布料器等设备组成。

车间组成与工厂布置 镁还原法海绵钛厂,通常由富钛料车间、富钛料氯化车间、四氯化钛精制车间、还原蒸馏车间和镁电解与精炼五个主体生产车间组成。以高品位钛原料(天然或人造金红石等)生产四氯化钛时,海绵钛厂内可不设富钛料车间。辅助设施有液氯库、中心化验室和污水处理站等。原则上,五个主体生产车间布置成相互连通的一个整体。还原蒸馏车间与镁电解及精炼车间有特殊联系,前者将副产品—无水氯化镁呈熔融态供应后者,后者又将熔融态的还原剂(金属镁)向前者输送。两个车间要尽可能地靠近,中间用走廊或有效的防护建筑设施连通。遇有场地不足或场地受制约时,也可把富钛料车间和氯化、精制车间拉开,用长管路与还原蒸馏车间联系。当管路过长时,要有可靠的安全措施。

厂内外运输。海绵钛厂的原料—钛铁矿、石油焦、无烟煤和液氯等多来自外地,厂内要有足够的贮备。采用铁路运输时,厂内设铁路专用线,附设液氯槽车卸货站和各类仓库设施。

特殊要求 氯化、镁电解及还原蒸馏车间有氯气、四氯化钛、氯化氢和各类氯化渣等污染物。氯化厂房多为半封闭式,要加强采光和通风设施。有的厂房采用局部半封闭式和露天式,以改善操作环境,降低工程造价。在中国,精制厂房均采用封闭式,有些国外厂家采用简易厂房或半露天式,其劳动环境好,土建造价低。防止污染的根本措施是减少工艺过程中的渗漏。必须加强防腐措施:对于厂房内接触酸性气体、受蚀的水泥砂浆面层、地面的隔离层和用非耐腐材料制成的设备,其表面皆进行防腐处理。输送和承受精四氯化钛的管路与设备,用耐蚀材料制造。对钛厂的副产物——四氯化硅和各种氯化渣,设计采用的回收和综合利用方案有:用四氯化硅生产正硅酸乙四脂等多种硅系列产品,从氯化渣中回收氯,制成无害的氧化渣,用作建筑材料。厂内污水分流治理,设计清净下水循环利用系统,污浊下水集中于污水处理站,经中和处理达标后排放。污水处理站要与排放污水的车间有可靠的联系,严防渗漏和腐蚀其他设施。

主要技术指标 以钛铁矿为原料生产海绵钛,包括冶炼钛渣、氯化、精制、还原蒸馏、镁电解及海绵钛破碎包装等整个过程的主要单耗指标为:

 

钛铁矿(51%~55%TiO2)/t             4.7~5.0

钛渣(92%~94%TiO2)/t                 2.2~2.5

石油焦/t                                             1.1~1.2

氯气/t                                                 4.3~4.7

补充氯/t                                               1.4~2.2

精镁/t                                                    1.5~1.7

补充镁/t                                               0.01~0.15

铜丝/t                                                  0.005~0.013

石墨电极/t                                            0.25~0.27

电耗/kW•h                                            20000~45000

氩气/m3                                                       16~20

用水量/t                                                   48~50

蒸汽/t                                                           0.06~0.07

制冷量/J                                                   16~17

压缩空气/m3                                               2.5~3.0

发展趋势 (1)现行的克劳尔法和亨特法用金属置换金属,其成本高。从钛工业建立以来,科技界一直探寻用卤族钛化合物的电解法,来取代现行的这两种方法,一些厂已达到了工业试验规模,尚未工业化。(2)电解法仍是海绵钛生产方法变革的研究课题之一。(3)以金属还原剂与四氯化钛在气相中高温下还原,生成粒状钛,是实现海绵钛连续化生产的另一科研课题。

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