[发明专利]一种具有惰性包覆层的管式换热器及在海绵钛生产中的应用

说明书

技术领域

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。

背景技术

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、单炉产量低废品率高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，在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，而对于集聚在液态金属镁中心区域的热量排除还没有很好的解决办法，目前只能通过限制了四氯化钛的加料量控制反应器温度，致使镁热还原反应周期长达数天之久，生产效率低下；同时由于液态金属镁液面中心区域热量的聚集，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；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。

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。下面就其中存在的问题分析如下：

专利ZL200710011744.3“镁法海绵钛生产反应器内部热交换的装置”，该专利使用风冷介质(压缩空气或氩气)的热交换器排出反应器内部的热量。首先是气体冷却介质导热系数太小、密度低、体积比热小，受套管换热器导热面积的限制难以达到预期效果；其次，该换热器只进入到反应器内部液体镁以上气体空间，不能散除聚集在液态金属镁中心区域的热量，散热效果有限，仍不能根本解决问题，这一点在专利ZL200810068707.0的第5页第2行中也有介绍。

专利ZL200810068707.0“海绵钛生产还原过程的散热及钛坨成孔装置”，该专利采用筒体式换热装置，并将筒体插入镁液面以下，通过如下四种方式进行热交换：Ⅰ中心换热管自然对流进行冷却；Ⅱ在筒式换热器内插入压缩空气管进行冷却；Ⅲ和Ⅳ为在筒式换热器内部的导热管内通入循环水、冷冻盐水或冷冻气体等进行换热(导热管与筒式换热器之间通过空气进行热传导)。该专利的这几种换热方式实质上也属于气体换热或气体传导换热，从热量散除角度分析和计算，该专利难以有效地把还原反应产生的并聚集在中心区域的部分热量及时排出。此外，该专利的另一个目的是通过套筒的占位使钛坨轴心成孔，但是却没有考虑当还原结束后套筒和钛坨牢牢地粘结在一起，换热器不能拔出，因此钛坨中心也不能成孔；同时，当钛坨蒸馏结束后，由于钛坨和筒体的粘结，用于固定筒体式换热装置的反应器上盖也难以打开。而专利ZL200810068708.5“一种生产海绵钛蒸馏反应器内的加热装置”是以上述专利ZL200810068707.0为基础的，也存在套筒与钛坨粘结问题，因此难以实现其钛坨中心加热目的。

此外，在专利ZL200710011744.3和专利ZL200810068707.0中，在镁热还原反应过程中，中心换热管管壁与液态金属镁液面接触的部位形成反应活性中心，金属钛在此结晶成核、钛晶长大形成晶枝，并与反应器壁上形成的晶枝趋于接近并形成搭桥现象，致使镁热还原反应受阻、生产停滞。

在专利ZL201410744377.8“一种海绵钛生产用的钛坨分隔装置”中，为了解决钛坨硬芯、中心部位氯化镁蒸馏时间长的问题，提供一种钛坨分隔装置。由于该分隔装置的面板与沉积的钛晶紧密结合，不能起到扩大钛坨蒸馏面积的目的，反而会增加海绵钛与金属面板铁的接触面积，造成海绵钛铁量增加。

因此，从现有海绵钛生产技术上看，目前还没有有效的技术方法真正能够解决上述问题。

发明内容