DOC《图1 不同温度条件下的饱和蒸汽压》

图1 不同温度条件下的饱和蒸汽压 Fig.

1 Saturated vapor pressure under different temperatures

2 海绵钛真空蒸馏设备 还原过程结束后所得产物中海绵钛、液镁、氯化镁的质量比约为60U30U10.蒸馏工序是利用真空蒸馏法将残留在海绵钛坨中的氯化镁熔盐、未反应的过剩液镁与海绵钛坨分离,从而实现海绵钛坨的提纯.蒸馏过程所需热量由真空蒸馏电阻炉提供,蒸馏过程动力主要靠真空系统产生的压差提供,挥发物经过蒸馏通道并在冷凝罐中冷凝为固态而得到收集. 图2为海绵钛真空蒸馏过程设备示意图.真空蒸馏系统主要由下部的加热蒸馏区、蒸馏通道、挥发物冷凝区构成,主要设备为真空蒸馏电阻炉、蒸馏罐、冷凝罐、冷凝水喷淋系统以及真空系统. 图2 海绵钛真空蒸馏设备示意图 Fig.2 Schematic diagram of equipment for sponge titanium vacuum distillation

3 蒸馏通道堵塞影响因素 3.1 通道堵塞现象分析 在海绵钛蒸馏生产过程中,首先将气密性合格的组装蒸馏罐放置在具有反真空系统的电炉中进行加热,并且同时对上部冷凝罐进行抽真空操作.当上部达到设定真空度后再对下部蒸馏罐进行抽空,同时将冷凝罐上部喷淋水打开.当蒸馏通道打开后调节喷淋水流量,将喷淋水温度控制在35~55 ℃.蒸馏前期蒸馏罐内有大量的镁、氯化镁及少量低价钛的氯化物,由于各物质的含量及熔点不同,并且大量镁及氯化镁需扩散到海绵钛表面才能被蒸出,因此蒸馏前期蒸发的主要是处在海绵钛表面及蒸馏罐底部的镁与氯化镁,而高恒温阶段蒸发的主要是海绵钛毛孔中镁、氯化镁和蒸馏罐内低价钛的氯化物. 实际生产过程中部分蒸馏炉次出现了蒸馏通道堵塞现象,其表观现象对比如图3所示.对比图3可知,当蒸馏过程正常时,蒸馏操作结束后,中间通道仍有较大孔洞余留.而当蒸馏过程通道堵塞时,中间通道已经消失,主要粘附的堵塞物为冷凝团聚凝结的镁与氯化镁,进而使得未蒸馏挥发的镁与氯化镁等残留在海绵钛坨中,由于蒸馏过程并未完全结束,发生堵塞的蒸馏罐势必要进行回炉处理. 图3 蒸馏通道畅通(a)与堵塞(b)表观图 Fig.3 Macrograph of normal distillation channel (a) and blocked distillation channel (b) 表1为国内某海绵钛厂同一蒸馏炉对应生产的不同炉次海绵钛中蒸馏通道堵塞对海绵钛质量的影响统计结果.由表1可知,蒸馏通道堵塞会导致海绵钛质量大幅度降低,尤其会大幅度降低海绵钛0级品率.此外,通过对生产企业近半年的生产情况分析发现:海绵钛蒸馏过程通道堵塞炉次质量与通道正常炉次质量相比较,优级品率(0级以上产品)由正常炉次的71.3%降低至通道堵塞炉次的8.6%.因此,开展蒸馏通道堵塞原因分析及对应措施优化,降低蒸馏过程堵塞率,可极大提升海绵钛质量. 表1 蒸馏通道堵塞对海绵钛质量的影响 Table

1 Influence of distillation channel blockage on quality of sponge titanium 类别 0级品以上比例/% 1级品比例/% 2-5级品比例/% 通道堵塞 8.6 48.6 42.8 通道未堵 71.3 26.5 2.2 3.2 气密性的影响 真空系统气密性影响系统的高、低真空能力,继而影响蒸馏通道堵塞率.为测试蒸馏抽空系统的气密性,需打开初级真空泵,对系统抽空,使余压最大值为9.3 Pa,然后打开油增压泵,使系统余压最大值为1.33 Pa,接着检查关闭了真空管道阀门的系统的压力变化(泄露),倒抽泵5 min.压力的变化不能超过一定数值要求.而在实际生产操作过程中,由于设备的长周期运行及部分部件腐蚀密封不严等,导致各台蒸馏炉对应系统气密性也存在一定波动和差别;

系统气密性测试泄漏量波动值为0.29~45.5 Pa/min.而气密性较差炉次对应真空能力也将随之下降.图4为两台蒸馏通道易堵塞的蒸馏炉生产不同炉次对应的气密性测试结果与通道堵塞率间的对应关系.由图4可知:气体泄漏量较大炉次对应的蒸馏通道堵塞率相对较高,当对真空系统进行气密性测试时,泄漏量平均为17.7 Pa/min时,对应的蒸馏通道堵塞率为51%,而泄漏量平均为11.4 Pa/min时,对应的蒸馏通道堵塞率为41%.因此,为降低蒸馏通道堵塞率,应尽可能保障好真空系统的气密性. 图4 气体泄漏量与通道堵塞率关系 Fig.4 Relationship between gas leakage and channel blockage rate 3.3 真空度的影响 蒸馏系统的压力越小,真空度越高,蒸馏效率越高.蒸馏过程的真空度主要取决于真空系统与通道顺畅与否.此外,蒸馏过程的结束是依据蒸馏终点而确定的,蒸馏终点通过蒸馏罐内真空度的稳定情况和失真空值,以及现场经验来予以确定.通常要求真空蒸馏过程结束的罐内余压应小于4 Pa.实际生产过程中分别对蒸馏罐和冷凝罐内的压力进行了监控,以确定高低真空度. 图5为生产过程中蒸馏通道堵塞与未堵塞炉次转入高真空阶段对应的真空度统计情况.由图5可知:蒸馏过程中对应真空度越高,其蒸馏通道越不易堵塞;

蒸馏通道堵塞炉次对应的转入高真空阶段平均真空度为208 Pa,且波动范围较大,而蒸馏通道未堵塞炉次对应转入高真空阶段平均真空度为143.2 Pa,波动也较小. 图5 转入高真空阶段对应真空度的单值控制图 Fig.5 Single value control diagram of high vacuum stage 3.4 喷淋水温度的影响 蒸馏过程喷淋水温度控制不合理会导致冷凝物蒸汽无法及时被冷却为固体粘附在冷凝罐壁上.温度过高导致蒸汽冷凝不完全,冷凝罐内固体粘附层上移堵塞真空系统通道;

而温度过低导致冷凝罐内固体粘附层下移堵塞蒸馏通道.图6为高低真空阶段喷淋水温度的等值线图.由图6可以看出:海绵钛真空蒸馏过程对应低真空阶段喷淋水温度在37.5 ℃,高真空喷淋水温度57.5 ℃,发生通道堵塞的概率小. 图6 高低真空阶段喷凝水温度的等值线图 Fig.6 Contour map of spray water temperature during high vacuum stage 结合这一统计结果,开展了不同喷淋水温度控制对应的防止蒸馏通道堵塞试验,其结果如表2所示.表2结果表明:真空蒸馏过程控制低真空阶段喷淋水温度为37.5 ℃、高真空阶段喷淋水温度57.5 ℃时,对应的蒸馏通道堵塞频率可得到有效降低并实现稳定控制. 表2 不同喷淋水温度控制对应的通道堵塞频率 Table

2 Channel blockage frequency at different condition of spray water temperature 低真空喷淋水温度/℃ 高真空喷淋水温度/℃ 试验炉数 通道堵塞炉数 堵塞频率/% 37.5 57.5

80 1 0.01 47.5 47.5

48 1 0.02 47.5 57.5

58 2 0.03 37.5 37.5

68 4 0.06 57.5 57.5

54 4 0.07 3.5 其他条件的影响 表3为国内某海绵钛企业蒸馏过程蒸馏通道堵塞炉次原因分类统计结果.从表3结果可见:蒸馏通道堵塞的主要原因有真空系统能力不足、喷淋水温度、设备故障和蒸馏负荷大等.其中偶发性设备故障和断电事故等对蒸馏通道堵塞率影响较大,累计占比约32%.其中断电事故和蒸馏罐有漏点占比最大,应着力避免. 表3 蒸馏通道堵塞原因分类 Table

3 Classi........