一种提高海绵钛生产效率、降低能耗的装置和方法

本发明涉及稀有金属冶金技术领域，特别涉及镁热还原法生产钛、锆、铪、钒、铬等其他金属及其金属的合金工艺技术。

本发明适用于所有金属卤化物金属热还原法生产，比如：四氯化钛镁热还原法生产海绵钛、四氯化锆镁热还原法生产海绵锆等。为便于说明和理解，本发明以海绵钛生产为特例进行具体分析和说明。

镁热还原法是目前海绵钛生产的主要方法，其生产过程主要包括四氯化钛镁热还原过程和真空蒸馏分离过程。

众所周知，镁热法海绵钛生产周期长、能耗高、单炉产量等问题一直是业内人士所面临的急待解决的问题。究其原因：在还原过程中释放出的大量热量，现有技术仅仅是采用空气自然对流换热方式或强制通风对流换热方式对反应器反应带附近的器璧进行吹风散热，而对于液态金属镁中心区域由于热量的聚集造成部分金属镁汽化，这些汽化的金属镁和四氯化钛气体反应生成游离钛粉和钛的低价氯化物，同时高温还会造成钛晶烧结，形成钛坨硬芯；而在真空蒸馏过程中，残留在海绵钛混合体中的氯化镁和金属镁需要在高温高真空条件下经过汽化、扩散、逸出三个环节被去除，特别是残留在钛坨中心区域的氯化镁和金属镁的汽化、扩散、逸出需要穿过相当于钛坨半径距离的致密海绵钛聚集体才能够得以去除，这也是真空蒸馏时间漫长的主要原因，也使得海绵钛电耗成本居高不下，成为高能耗产品。对于钛坨硬芯中残留的氯化镁和金属镁即使在高温高真空下也难以去除掉，只好将此部分硬芯钛作为废品处理。尤其是随着反应器炉型的增大，上述问题越加突出。

一方面是镁热还原反应产生大量的热量难以排除，使得还原反应效率受到限制；另一方面在还原反应开始前需要将固体镁锭加热熔化并将温度升高到750－850℃，需要大量电力能源。

针对上述问题，也有许多相关专利技术进行了研究，但是至今也没有哪一种技术能够应用于生产实践。

参考文献如下：

1、ZL200710011744.3镁法海绵钛生产反应器内部热交换的装置

2、ZL200810068707.0海绵钛生产还原过程的散热及钛坨成孔装置

3、ZL200620133754.5一种没法海绵钛的四氯化钛氢化装置

4、ZL201410744377.8一种海绵钛生产用的钛坨分隔装置

5、ZL201510259466.8一种海绵钛还原蒸馏反应装置及生产工艺

6、CN201210568944.X一种生产海绵钛用的还原装置

5、科技文章《海绵钛还原过程热平衡分析与节能措施研究》

6、科技文章《镁热法生产海绵钛还原过程强制散热研究》。

本发明第一个目的是解决液态金属镁中心区域聚集的热量排除或吸收问题，提高还原反应效率。

本发明第二个目的是降低还原剂金属镁由固态镁锭变成液态金属镁所需要的热能，降低电耗成本。

本发明第三个目的是通过减少海绵钛混合体中残留的金属镁和氯化镁的扩散路径，缩短海绵钛蒸馏时间，并降低电耗成本、降低海绵钛产物气体含量。

为此，本发明公开一种提高海绵钛生产效率、降低能耗的装置。本发明是在现有还原蒸馏反应器系统的轴心部位设置一个含有可熔性柱状体的装置，该装置包括两部分：可熔性柱状体、反应器上盖引出套管；可熔性柱状体穿过并垂直于反应器上盖设置，其底部伸入金属镁初始液面以下、稳定在反应器筛板的上部、下部或者水平位置的区域，可熔性柱状体位于反应器上盖以上的部分，被封闭在与反应器上盖密闭固定连接的反应器上盖引出套管中。

所述可熔性柱状体的构成物质可选择自金属镁、金属钙、金属铝、金属锌、金属卤化物中的一种物质或上述一种以上物质的混合物，其中：金属卤化物为金属氯化物、金属氟化物、金属碘化物。

所述可熔性柱状体由一个可熔性长柱状体构成，或者由一个以上的可熔性短柱状体纵向叠加组合而成，其中的每个可熔性短柱状体的构成物质可以是同一种物质、或者是不同种物质。

所述可熔性柱状体为实心的或空心的圆柱体、棱柱体、圆台体、棱台体、球台形体或椭球台形体中的任何一种形状的柱体。

所述可熔性柱状体通过其内孔垂直穿套并固定在中心定位柱上。

所述反应器上盖引出套管具有可开启的用于提供可熔性柱状体补充料的密闭入口。

本发明装置的工作原理和步骤如下：

⑴、在还原炉反应器装配时，将可熔性柱状体组装就位，然后进行产前准备；

⑵、加入一部分初始液态金属镁，并将温度升高到750－800℃，然后开始加入四氯化钛；

⑶、随着还原反应的进行，液态金属镁中心区域的温度升高，处于液态金属镁中心部位的可熔性柱状体吸收反应热量逐渐熔化，金属镁液面上部的可熔性柱状体在失去支撑力的同时逐渐下移，以此补充可熔性柱状体熔化掉的部分，当可熔性柱状体消耗量达到规定量（高度）时，可熔性柱状体补充料通过反应器上盖引出套管的可开启的密闭入口进行补加；

⑷、在还原阶段，随着新生钛晶的沉积，由于镁热还原反应产物——海绵钛混合体的轴心区域被可熔性柱状体占位，还原反应结束后，在该位置自然形成孔洞，进入蒸馏阶段后，在海绵钛混合体轴心处所形成中心孔洞有利于提高海绵钛蒸馏速度，并大大缩短了海绵钛蒸馏周期。

本发明具有以下有益效果：

⑴、处于液态金属镁中心部位的可熔性柱状体通过受热温度升高、熔化，由此吸收了镁热还原反应在液态金属镁中心区域聚集的热量，从而可以进一步提高四氯化钛的加料速度，提高了还原反应效率；

⑵、当还原剂金属镁锭作为可熔性柱状体时，镁热还原反应所放出的热量被用作金属镁锭熔化所需要的热能，从而降低商品镁锭熔化所需的电耗成本；

⑶、由于本发明能够在海绵钛混合体的轴心区域形成孔洞，使得海绵钛混合体内部残留的金属镁和氯化镁向外部扩散的平均路径和现有技术相比减少一半以上，海绵钛蒸馏速度得到很大提高，蒸馏周期也大大缩短，不但提高了蒸馏阶段的生产效率、降低蒸馏环节的电耗成本，同时也降低海绵钛产物气体杂质含量；

⑷、由于本发明能够吸收镁热还原反应在液态金属镁中心区域集聚的热量，以及在海绵钛混合体轴心位置实现成孔，因此为海绵钛还原蒸馏炉的大型化提供了前提条件。

图1为具有本发明装置的还原蒸馏反应器系统示意图。

图2为本发明装置的可熔性柱状体横截面示意图。

图3为实施例3具有本发明装置的还原蒸馏反应器系统示意图。

图4为本发明具有可熔性短柱状体供料箱体的还原蒸馏反应器系统示意图。

图5为实施例7具有本发明装置的还原蒸馏反应器系统示意图。

附图中：1-反应器上盖引出套管、2-反应器上盖、3-1-液态金属镁初始液面、3-2-液态金属镁工作液面、4-海绵钛混合体（钛坨）、5-还原蒸馏炉反应器、6-反应器筛板、7-可熔性柱状体、7-1-金属镁可熔性短空心圆柱体、7-2-氯化镁可熔性短空心圆柱体、7-n-可熔性短柱状体、8-（空心柱体）内孔、9-中心定位柱、10-固定装置、11-可熔性柱状体补充料（可熔性短柱状体）供料箱体、12-液压驱动装置、13-上盖引出套管冷却水套。

为了更清晰、更准确地理解本发明，下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

如图1和图2所示，本发明公开的“一种提高海绵钛生产效率、降低能耗的装置”。本发明在现有还原蒸馏炉反应器5的轴心部位设置一个含有可熔性柱状体的装置，该装置包括两部分：可熔性柱状体7、反应器上盖引出套管1。该可熔性柱状体7穿过并垂直于反应器上盖2设置，其底部伸入金属镁初始液面3-1以下，稳定在反应器筛板6的上部、下部或者水平位置的区域；可熔性柱状体7位于反应器上盖2以上的部分，被封闭在与反应器上盖密闭固定连接的反应器上盖引出套管1中。

所述可熔性柱状体7的构成物质可选择自金属镁、金属钙、金属铝、金属锌、金属卤化物中的一种物质或上述一种以上物质的混合物。

所述金属卤化物为金属氯化物、金属氟化物、金属碘化物。

本发明优选可熔性柱状体7的构成物质为金属镁、氯化镁或其混合物。

可熔性柱状体7由一个可熔性长柱状体构成，或者由一个以上的可熔性短柱状体7-n纵向叠加组合而成，其中的每个可熔性短柱状体7-n的构成物质可以是上述同一种物质、或者是不同种物质。

所述可熔性柱状体7为实心的或空心的圆柱体、棱柱体、圆台体、棱台体、球台形体或椭球台形体中的任何一种形状的柱体。

本发明优选可熔性柱状体7为圆柱体或圆台体，更优选为空心圆柱体或空心圆台体。

可熔性柱状体7的外径根据反应器5直径大小而定，以保持镁热还原消耗金属镁量与可熔性柱状体7熔化量相互平衡为原则。

所述可熔性柱状体7通过其内孔8垂直穿套并固定在中心定位柱9上。

中心定位柱9的底端固定在反应器5的底部固定装置10。中心定位柱9的底端和下部分别固定在反应器底部中心固定装置10上和筛板中心位置上，高度不超过反应器上盖。中心定位柱的材质可选自316L、904L、金属钼或其它高温合金等。

中心定位柱9在水平方向的移动被定位限制，纵向移动不受限制。

反应器上盖引出套管1具有可开启的用于提供可熔性柱状体7补充料的密闭入口。

本发明优选反应器上盖引出套管1的外侧加装冷却水套13，以此通过可熔性柱状体7将热量导出，同时控制上盖引出套管1的温度，防止可熔性柱状体7氧化。

本发明装置的工作原理和步骤如下：

⑴、在还原炉反应器5装配时，将可熔性柱状体7组装就位，然后进行海绵钛还原开始前准备工作；

⑵、加入一部分初始液态金属镁，并将温度升高到750－800℃，然后开始加入四氯化钛；

⑶、随着还原反应的进行，液态金属镁中心区域的温度升高，处于液态金属镁中心部位的可熔性柱状体7吸收反应热量逐渐熔化，金属镁液面上部的可熔性柱状体在失去支撑力的同时逐渐下移，以此补充可熔性柱状体7熔化掉的部分，当可熔性柱状体7消耗量达到规定量（高度）时，可熔性柱状体7的补充料通过反应器上盖引出套管的可开启的密闭入口进行补加；

⑷、还原结束后，可熔性柱状体7全部熔化，在镁热还原产物——海绵钛混合体4的轴心处（可熔性柱状体7的原位）形成中心孔洞；进入蒸馏阶段后，由于该孔洞的存在，使得海绵钛混合体4内部残留的金属镁和氯化镁向外部扩散的路径和现有技术相比减少一半以上，海绵钛蒸馏速度得到提高，蒸馏周期大大缩短。

下面结合具体的实施例对本发明进行进一步的说明。

实施例1：

如同上述关于图1和图2的介绍，在本实施例中，优选可熔性柱状体7的底端稳定在筛板平面上，并以筛板为支撑；所述可熔性柱状体7由多个可熔性短柱状体7-n纵向叠加组合而成，其中的每个可熔性短柱状体7-n的构成物质均为金属镁材料。

本实施例可熔性柱状体7为空心圆柱体，空心柱体通过其内孔8穿套在固定放置在反应器5轴心的中心定位柱9上；中心定位柱9的直径为100mm，中心定位柱9的高度为反应器上盖稍下位置，中心定位柱的材质为904L；空心柱体7（可熔性柱状体7）的内径为120mm，空心圆柱体7（可熔性柱状体7）的外径为300mm，可熔性短空心圆柱体的高度为1000mm，反应器5的直径为1800mm。

本发明装置的工作原理和步骤如下：

⑴、在还原炉反应器5装配时，将金属镁可熔性柱状体7（商品）组装就位，然后进行海绵钛还原开始前准备工作；

⑵、加入一部分初始液态金属镁，并将温度升高到750－800℃，然后开始加入四氯化钛；

⑶、随着还原反应的进行，液态金属镁中心区域的温度升高，处于液态金属镁中心部位的金属镁可熔性柱状体7吸收反应热量逐渐熔化，金属镁液面上部的可熔性柱状体在失去支撑力的同时逐渐下移，以此补充可熔性柱状体7熔化掉的部分，当金属镁可熔性柱状体7消耗量达到规定量（高度）时，金属镁可熔性柱状体7的补充料通过反应器上盖引出套管的可开启的密闭入口进行补加；

⑷、在还原阶段，随着新生钛晶的沉积，由于镁热还原反应产物——海绵钛混合体的轴心位置被可熔性柱状体7占位，还原反应结束后，在该位置自然形成孔洞，进入蒸馏阶段后，该孔洞将有利于蒸馏效率的提高。

本实施例具有以下有益效果：

⑴、处于液态金属镁中心部位的金属镁可熔性柱状体7通过受热温度升高、熔化，由此吸收了镁热还原反应在液态金属镁中心区域聚集的热量，从而可以进一步提高四氯化钛的加料速度，提高了还原反应效率；

⑵、本实施例选用还原剂金属镁作为可熔性柱状体7，镁热还原反应所放出的热量被用作金属镁柱状体7熔化所需要的热能，从而降低金属镁锭熔化所需的电耗成本；

⑶、还原阶段，在钛晶沉积过程中，由于金属镁可熔性柱状体7的占位作用，在镁热还原反应产物——海绵钛混合体4的轴心位置形成孔洞；该孔洞的存在，使得海绵钛混合体4内部残留的金属镁和氯化镁向外部扩散的平均路径和现有技术相比减少一半以上，海绵钛蒸馏速度得到很大提高，蒸馏周期也大大缩短，不但提高了蒸馏阶段的生产效率、降低蒸馏环节的电耗成本，同时也降低海绵钛产物气体杂质含量；

⑷、由于本发明能够吸收镁热还原反应在液态金属镁中心区域集聚的热量，同时在海绵钛混合体轴心位置实现成孔，因此为海绵钛还原蒸馏炉的大型化提供了前提条件。

实施例2：

如图1所示，本实施例与实施例1不同的是：构成可熔性柱状体7的物质为氯化镁。在还原过程中通过氯化镁可熔性柱状体7的熔化吸热作用，使得液态金属镁中心区域集聚的热量得以消除，避免了由于金属镁高温汽化而造成的大量低价钛和游离钛粉的形成，还避免了由于液态金属镁中心区域的高温而造成钛晶的烧结现象发生，同时也使镁热还原效率得到提高。本实施例其他部分参见实施例1。

实施例3：

如图3所示，本实施例与实施例1不同的是：可熔性柱状体7由两种构成物质不同的金属镁可熔性短空心圆柱体7-1和氯化镁可熔性短空心圆柱体7-2交错叠加组成，其中：金属镁可熔性短空心圆柱体7-1的高度为800mm，氯化镁可熔性短空心圆柱体7-2的高度为200mm。本实施例其他部分参见实施例1。

实施例4：

如图4所示，本实施例与实施例1不同的是：在图1的基础上增加一个可熔性柱状体补充料(可熔性短柱状体7-n)的供料箱体11，即：上盖引出套管1的补充料入口与可熔性短柱状体7-n的供料箱体11密闭连接，供料箱体11中可熔性短柱状体7-n的移动由液压驱动装置12完成。本实施例其他部分参见实施例1。

实施例5：

如图1所示，本实施例的运行方式是：通过抬包向反应器5中加入液态金属镁，并达到金属镁初始液面3-1位置；金属镁初始液面3-1距离筛板高度为300mm，当反应器5内部液态金属镁温度达到750－800℃时，四氯化钛原料开始加入，镁热还原反应开始。处于反应器5液态金属镁中的可熔性柱状体7受热熔化，金属镁液面上部的可熔性柱状体7失去支撑向下移动，以此补充镁热还原反应所消耗的还原剂金属镁。本实施例其他部分参见实施例1。

实施例6：

如图1所示，本实施例的运行方式是：通过抬包向反应器5中加入液态金属镁到液态金属镁工作液面3-2位置，当反应器5内部液态金属镁温度达到750－800℃时，四氯化钛原料开始加入，镁热还原反应开始。处于反应器内部液态金属镁中的可熔性柱状体7受热熔化，金属镁液面上部的可熔性柱状体7失去支撑向下移动。本实施例与实施例5不同的是，还原剂金属镁在生产准备前一次性加入，并达到满足全过程镁热还原所需，还原反应过程金属镁可熔性柱状体7熔化增加的液态金属镁需要定时定量排放。本实施例其他部分参见实施例1。

实施例7：

如图5所示，本实施例与实施例1不同的是：金属镁可熔性柱状体7的底端稳定于反应器底部表面，并以此为支撑点，通过可熔性柱状体7的上部高温区向其底部低温区传导热量，并通过金属镁可熔性柱状体7的底部给反应器底部的氯化镁加热，以此减少从反应器外部向反应器底部的热量补给。本实施例其他部分参见实施例1。

以上仅仅是通过以实施例的形式对本发明做进一步的说明，以便更好地理解本发明装置和方法，但不应就此理解本发明的保护范围仅限于此，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术构思前提下得到的改进、变换也应视为本发明的保护范围。