曹万宝

摘要：本文从影响蒸馏法除去海绵钛中氯杂质的关键影响因素出发，探究了各项影响因素的作用原理，在试验的基础上总结如何控制影响因素将海绵钛中氯杂质含量降至最低。

关键词：海绵钛、蒸馏温度、蒸馏时间、蒸馏真空

引言：

钛合金为航空航天、化工装备制作、深海远洋等方面重要材料。海绵钛做为钛合金的基础原材料，海绵钛的纯度越高对下游钛材生产越有益，除去氯杂质是海绵钛生产中的一项关键环节。蒸馏法除氯为行业普遍应用方法，其中蒸馏温度、真空度、时间是影响蒸馏法除海绵钛中氯杂质的主要影响因素。

1、海绵钛生产过程简述

海绵钛生产所需原料镁和四氯化钛，生产过程主要化学反应方程式如下：2Mg+TiCl4=2MgCl2+Ti

镁锭加入反应器内，升温熔化后加入四氯化钛，通过还原反应生成氯化镁和钛单质。高温下生成的氯化镁以液态存在，钛以固态存在。达到一定加料量后需要排放生成的氯化镁，钛逐渐富集在一起，形成钛坨。游离态的氯化镁被逐渐排出，剩余的氯化镁被钛坨吸附。还原结束将钛坨中吸附的镁和氯化镁进行高温负压蒸馏与钛坨分离。在真空状态下将反应器高温加热，利用镁和氯化镁的饱和蒸气压高于钛，使镁和氯化镁挥发至另一冷端承接反应器内。蒸馏结束后镁和氯化镁全部从钛坨中挥发干净，得到纯净的钛。

2、蒸馏过程提纯钛坨，排出氯杂质的影响因素

在蒸馏提纯环节，镁的饱和蒸气压大于氯化镁，容易挥发干净。氯化镁则是影响蒸馏结果的关键杂质。蒸馏除氯杂质主要与时间、温度、真空度密切相关。

2.1温度对蒸馏法除氯杂质的影响

为了明确蒸馏温度对除氯杂质的影响状况，做了如下3组对比试验：

以上试验数据可见：当炉体各段温度均按照温度M设定时产品中氯杂质不能全部挥发，海绵钛中氯含量较高。当蒸馏各阶段均较原来M值提高90℃后，蒸馏温度偏高，产品中氯杂质亦不能有效挥发，产品中氯杂质甚至更高。当蒸馏温度有梯度性，随着蒸馏过程逐渐提升后，产品中氯杂质含量明显降低。

在还原结束后，钛坨内外存在大量未排净的氯化镁。随着蒸馏过程的进行，钛坨表面的氯化镁挥发干净，钛坨内部的氯化镁随之向外蒸发。海绵钛的导热性较差，在蒸馏过程中，需要外部持续高温加热，钛坨内部温度才足够高，使内部的氯化镁挥发至钛坨表面，进而蒸馏除去。在蒸馏过程中钛坨表面要经受900℃以上的高温，在高温过程中钛坨表面出现烧结收缩，导致毛细孔关闭，无法为氯化镁从钛坨内部向外排出提供有效通道，温度越高，毛细孔收缩越严重。氯化镁的高温挥发与高温时钛坨收缩导致毛细孔的关闭从而影響氯化镁的挥发形成矛盾。寻找两者之间的平衡点至关重要。

通过以上理论和试验分析，得到蒸馏过程中分阶段逐渐升温，钛坨中的氯化镁由内至外逐渐挥发，同时钛坨又不会大量烧结，钛坨中有足够的毛细孔通道供氯化镁挥发使用，产品氯杂质含量明显偏低。

2.2时间对蒸馏法除氯杂质的影响

为了明确蒸馏时间对除氯杂质的影响状况，做了如下3组对比试验：

从以上数据可见：随着时间的延长，钛坨中氯化镁逐渐挥发，产品中氯杂质含量逐渐降低，但是蒸馏时间足够长后再延长时间对产品中氯含量降低作用甚微。

蒸馏前期氯的挥发速度很快，随着蒸馏时间的延长氯杂质的挥发速度越来越小。有试验数据显示，蒸馏过程中用90%的蒸馏时间除去海绵钛中剩余10%的氯，越到蒸馏后期，氯杂质挥发越少。当氯杂质降低到一定含量后再延长时间已无意义。过长的蒸馏时间还会使反应器内壁中铁元素过多的渗入海绵钛中，造成铁含量升高，钛坨收缩的程度还会较大，造成产品致密，影响综合质量。

2.3真空度对蒸馏法除氯杂质的影响

为了明确真空度对蒸馏过程除氯杂质的影响状况，做了如下3组对比试验：

从以上试验可见，高温阶段随着系统真空度增加，产品中氯含量逐渐降低，但真空度达到一定程度后产品中氯含量区别不大。

海绵钛蒸馏提纯采用真空蒸馏，在同样温度下真空度越高，相应组分的沸点越低，饱和蒸气压越高，越容易挥发，镁和氯化镁的蒸发速度越快。但海绵钛的沸点降低程度远不及镁和氯化镁，所以在真空蒸馏状况下镁和氯化镁更容易挥发，但钛仍保持固态。

蒸馏后期多数氯化镁已挥发干净，只有钛坨内部少量氯化镁未挥发，需要更高的真空度来进一步降低沸点，促进其挥发。实际生产中当真空度达到0.1pa后再降低真空度对钛坨中氯杂质的挥发贡献有限，同时考虑生产成本等实际情况，控制蒸馏中后期真空度达到0.1Pa左右即可达到满意效果。

3、总结

从以上试验得出：

（1）蒸馏过程逐渐提温，能够减少钛坨收缩，增加氯杂质挥发。

（2）针对不同炉型，通过试验可以得到合理蒸馏时间，不需要过长的蒸馏时间。

（3）在其他条件满足的情况下，蒸馏后期真空度达到0.1-1Pa即可满足蒸馏要求。

参考文献：

[1]莫未.邓国珠.罗方成.钛冶金[M].北京：冶金工业出版社，1998.