海绵钛冶炼技术的研究方向

    当前，我国钛工业伴随着世界钛工业的增长，呈现快速发展的势头。随着需求的扩大，钛加工产能不断提高，2004年国内钛锭生产能力已达到约25000吨，但是，在这种高增长的势头下，海绵钛却成为制约钛加工的瓶颈。2004年我国生产的海绵钛仅为5000吨，远远不能满足需求，探讨我国海绵钛冶炼技术的发展，建设万吨级海绵钛生产基地是非常必要的。
    国内海绵钛生产技术及改进研究方向探讨
    我国海绵钛生产，依靠国内力量逐渐实现技术进步，从固定床氯化到沸腾氯化，从填料塔精馏到浮阀塔精馏，从还原蒸馏分离到还原蒸馏联合，镁电解从有隔板到大型无隔板，以及实现了镁氯的闭路循环等。生产规模从百吨级到千吨级，直至达到5000吨经济规模。
    但与国外先进水平比较，还存在较大差距。主要表现在技术经济指标、"三废"治理、设备配套水平和自动控制等方面。
    要把工厂规模扩大到万吨级，实现"清洁、文明、无公害化"的现代化生产，需要针对目前存在的问题，对现有工艺技术和设备进行改进研究，主要研究方向和课题可归纳如下。
    1.高品位富钛料的制造技术西方国家使用高品位天然金红石和人造金红石为原料生产海绵钛。我国缺乏高品位的天然金红石资源和没有高品位人造金红石的生产，生产海绵钛是以含TiO₂相当量92％左右的高钛渣为原料。高钛渣是采用小型敞口电炉生产的，工厂规模小，技术和设备也很落后，因为要使用沥青为粘结剂，环境污染严重。严格来讲，这些高钛渣小厂是属于国家政策该陶汰的高能耗高污染的小电炉。
    生产含TiO₂92％的高钛渣的技术改进相当困难，国外也没有相关的技术。国外的大型密闭电炉只能生产含TiO285％左右的钛渣。独联体国家的半密闭式电炉也只能生产90％左右的钛渣，而且必须以优质钛铁矿为原料，如果以我国的钛铁矿为原料只能生产85～87％的钛渣。
    与96％的天然金红石（杂质4％）和92～94％的人造金红石（杂质6～8％）比较，92％的高钛渣（杂质11％）已是一种"粗粮"。所以，工厂不希望使用品位比92％高钛渣更低的原料。
    大型海绵钛冶炼厂希望使用高品位富钛料，解决高品位原料问题可供选择的途径有：
    1）建设大型化高品位富钛料工厂：
    由于我国钛资源主要是低品位钛铁矿的特点，决定了需要采用除杂质能力强的富钛料工艺，才能获得高品位的富钛料。其中，盐酸浸出法制造人造金红石工艺路线，除杂质能力强，可将含高钙镁的低品位钛精矿加工成含TiO₂92～94％的高品位人造金红石，相关的技术研究已接近成熟，盐酸可实现循环使用，补充的盐酸可由氯化副产的盐酸提供。
    2）进口高品位人造金红石：澳大利亚有十分丰富的优质钛铁矿，采用还原锈蚀法制造的人造金红石TiO₂含量达92～94％，已建成的工厂年产能力达80多万吨。
    因此，可以考虑从澳大利亚进口这种人造金红石，它的粒度非常符合沸腾氯化的要求，同时还含有一定的低价钛。
    2.沸腾氯化炉的大型化技术的进一步研究 [next]
    我国海绵钛生产大型化过程中，遇到的最大困难是四氯化钛的制造技术，包括氯化和精制两个工序；与国外先进水平差距最大的，也是四氯化钛的制造技术；所以，今后应把沸腾氯化炉的大型化、氯化技术水平的提高（包括提高钛的氯化率、氯的利用率、氯化炉产能、降低尾气氯含量、提高四氯化钛回收率等）是今后研究工作的重点之一。
    3.四氯化钛除钒新工艺目前工业生产中，有铜丝、矿物油和铝粉三种除钒方法。其中，铜丝除钒效果好，可获得高质量的四氯化钛，但是间歇操作，铜丝失效后的洗涤再生操作劳动强度大，操作环境差，铜耗高，除钒成本高，仅适合小规模生产中应用。
    矿物除钒成本低，但需要采用特殊的加热方法，产生体积庞大的残渣液，残渣易在加热壁上结疤，除钒后的四氯化钛中含有少量有机物不易分离除去，较适用于氯化法生产钛白。
    铝粉除钒的残渣量少，不易结疤，容易从残渣回收钒，除钒成本低，是一种适合用于海绵钛生产的除钒方法。
    铝粉除钒已在独联体国家海绵钛生产中成功使用多年，北京有研院等单位已成功地完成了小型试验研究，说明铝粉除钒是可行的工艺技术。但独联体国家使用的这种超细活性铝粉价格昂贵，并具有可爆性，需要研究改进。
    4.大型镁还原蒸馏联合法提高产品海绵化率
    大型还原蒸馏联合法生产海绵钛，由于反应器容量的扩大，还原反应产生的热量不能有效地输出，造成局部高温，导致部分产品致密化；同时也防碍加料速度的提高，使生产周期增加，设备产能降低。
    因此，有必要进一步研究改进大型联合法的工艺和设备，以增加设备产能和提高产品的海绵化率。
    5.大型无隔板槽镁电解降低电耗
    过去海绵钛生产中，镁电解技术一直比较落后，自使用110KA无隔板槽镁电解工艺后，技术水平和技术经济指标明显好转。
    但在引进消化过程中，对这项技术中的一些技术决窍还掌握不够，因而电流效率偏低，电耗偏高，需要进一步研究改进。
    6.生产过程的自动控制和管理海绵钛生产过程的自动控制技术已有一定的基础，今后应进一步研究实现从富钛料制备、氯化、精制、还原蒸馏、破碎、分选、包装、镁电解全过程的计算机控制和管理。
    研究内容包括被测参数的感应元件、测量仪表、执行机构及计算机控制等，最终实现各工序的控制与主控室的计算机联网，使海绵钛生产管理全面实现自动控制。
    7.制钛新方法的研究成为国际钛业关注热点"制钛新工艺"一直是世界关注的热点研究课题。近年来，这个世界性难题的研究取得了一些进展，英国剑桥大学和澳大利亚CSIRO先后研究了几种不同的TiO₂电解法制钛新工艺，据称制钛成本可降低50％左右。美、英联合正在进行扩大试验，计划将FFC工艺推向产业化。
    如果能用TiO₂电解法来制造新型钛合金，例如制造含少量铁的钛合金，则可以天然金红石或人造金红石为原料，其它合金元素以氧化物形式加入，这样制造的钛合金成本就会大幅度降低。
    通过上述课题研究的完成，我国海绵钛生产技术水平将会大幅度提升，并可为实现万吨级规模海绵钛生产创造条件。
    再通过几年的研究和技术攻关，我国海绵钛生产技术将跨入世界先进水平行列，进而实现万吨级生产规模。