海綿鈦倒U型反應器中排氯化鎂管固定結構優化

柴玉川，原浩楠，柴寧寧，張迎迎，王 哲

(河南龍佰智能裝備制造有限公司, 河南 焦作 454000)

近年來，隨著鈦合金在航天航空、海洋工程、生物醫療等領域應用的不斷發展，對其原材料海綿鈦的要求也不斷提高[1]。鎂還原-蒸餾法(克勞爾法)是海綿鈦生產廠家批量生產海綿鈦的主要方法[2，3]。目前，海綿鈦生產設備主要有“I”型還原蒸餾爐和倒“U”型還原蒸餾爐，哈薩克斯坦的UKTMP公司、俄羅斯的VSMPO-AVISMA公司和國內的攀鋼集團礦業有限公司海綿鈦分公司、朝陽金達鈦業股份有限公司等采用“I”型還原蒸餾爐，日本的大阪鈦科技股份公司、國內的遵義鈦業股份有限公司等采用倒“U”型還原蒸餾爐[4]。反應器是鎂還原-蒸餾工藝的主要承載設備，主要采用低碳鋼或者奧氏體不銹鋼制造，其中，低碳鋼具有加工工藝簡單，制造成本低，生產的海綿鈦中Cr、Ni等雜質元素含量較低等優點，但其強度較低，抗氧化性差，使用壽命一般僅8～9次[5]；奧氏體不銹鋼的強度高，抗氧化性和抗腐蝕性好，使用壽命長，一般能夠使用30次左右，但不銹鋼反應器的材料成本和制造成本均較高[6]。此外，奧氏體不銹鋼的合金元素容易進入物料中，且無法通過蒸餾去除，會導致海綿鈦被污染[7]。因此，各海綿鈦生產廠家都在嘗試采用復合板制造反應器，其內部為碳鋼，外部為不銹鋼，可兼顧2種材料的性能優點。

在倒U型反應器中，排氯化鎂管起著至關重要的作用。通過從反應器頂部通入氬氣，將還原反應生成的液態MgCl2、少量的Mg和TiCl2/TiCl3等，以及其他雜質成分從排氯化鎂管中排出反應器?，F階段，國內大多數反應器采用內排氯化鎂的方式，且排氯化鎂管與反應器內壁之間均通過圓鋼焊接固定。在800～1100 ℃的工作環境中，排氯化鎂管極易發生變形，導致圓鋼脫焊，或排氯化鎂管沿橫向斷裂，嚴重影響生產進程，同時會降低海綿鈦的質量[8-11]。針對生產實踐中出現的排氯化鎂管脫焊、斷裂等失效現象，對其結構和材料進行分析，通過優化排氯化鎂管的固定結構，以期解決排氯化鎂管易失效的問題，延長設備使用壽命，保證生產計劃按期完成，降低生產成本。

1 失效原因分析

圖1為某公司倒U型反應器內已發生失效的排氯化鎂管照片。還原蒸餾階段，反應器內各區域溫度不同，在MgCl2從底部轉移到頂部的過程中，排氯化鎂管與筒體之間存在溫度差，因受熱產生的變形量不同，故排氯化鎂管與反應器筒體之間極易脫焊(圖1a)，導致鈦坨取出困難；排氯化鎂管縱管在橫管下方附近位置脫焊失去固定后，橫管在服役期間向筒體內沿伸，進一步將縱管頂向筒體中心位置，嚴重時會導致橫管與縱管連接處發生斷裂失效(圖1b)；當排氯化鎂管脫焊返修達一定次數后，排氯化鎂管易發生橫向斷裂(圖1c、1d)，導致液態MgCl2不能完全抽離反應器，嚴重影響海綿鈦的正常生產，造成整爐次的海綿鈦質量降級。

周立國[12]對某公司生產的海綿鈦鈦坨進行研究，發現處于反應器內壁附近的爬壁鈦中存在較多的雜質元素，疏松多孔的海綿鈦中有大量白色顆粒。能譜分析結果顯示，白色顆粒中存在大量的Mg、Cl、Fe、Cr等雜質元素。在高溫服役環境中，鈦坨與鋼材發生元素互擴散現象，筒體和排氯化鎂管中的Fe、Cr等元素進入鈦坨，導致鈦坨質量降低，而鈦坨中的Ti元素擴散進入筒體和排氯化鎂管中，會影響排氯化鎂管的力學性能。

圖2為倒U型反應器的結構示意圖。排氯化鎂管縱管通過圓鋼焊接固定在反應器內壁(圖2b)，并在反應器頂部與橫管連接(圖2c)。排氯化鎂管受熱發生伸縮時，因為與反應器筒體受熱變形量不一致，圓鋼處焊縫受拉應力的作用導致脫焊。在使用一定的循環爐次后，排氯化鎂管由于在高溫下服役時間較長，奧氏體鋼母材和焊縫會析出σ相和碳化物，這些脆性中間相向晶界處遷移、聚集，如果在晶界處呈連續片狀分布或在晶內呈現針狀形貌，將導致材料脆化[13-15]；在還原蒸餾期間，海綿鈦與排氯化鎂管發生元素互擴散，導致排氯化鎂管逐漸出現脆化傾向[12]。排氯化鎂管由圓鋼焊接固定，為剛性連接，在服役過程中易產生橫向裂紋，導致脆性斷裂。排氯化鎂管橫管與縱管為“T”型連接，當縱管與反應器內壁脫焊后，連接部位承受的載荷增大，易發生變形或斷裂。

圖2 倒U型反應器的結構示意圖

2 結構設計優化

通過以上分析可以看出，排氯化鎂管與反應器筒體采用圓鋼焊接形式的剛性連接是導致排氯化鎂管脫焊及斷裂的一個重要原因。圖3為優化后排氯化鎂管固定結構的示意圖。排氯化鎂管采用Ω卡扣固定，如圖4所示。Ω卡扣套在排氯化鎂管上，與排氯化鎂管存在一定間隙，兩端焊接在反應器內壁。在該設計中，排氯化鎂管可以在橫向發生少量的塑性變形，并且被允許在縱向伸縮，有效降低了排氯化鎂管因受熱變形而發生斷裂的傾向。在靠近排氯化鎂管橫管與縱管連接處仍采用圓鋼焊接方式固定，這樣能夠有效防止排氯化鎂管橫管在服役期間將縱管頂向反應器中心位置，從而起到保護作用。

圖3 優化后排氯化鎂管固定結構的示意圖

3 結果與討論

某公司采用優化后的排氯化鎂管固定結構進行海綿鈦生產，投爐使用6個循環爐次后的實際效果如圖5所示。從圖5可以看出，使用6個循環爐次后，排氯化鎂管未發生明顯的塑性變形，仍較為平直，表面未發現橫向裂紋，且接近橫管位置的圓鋼焊接結構同樣未發現脫焊現象，縱管未向反應器中心變形；Ω卡扣與反應器筒體焊接位置并未發生脫焊、斷裂等缺陷，仍具有固定作用。

采用優化后的固定結構，排氯化鎂管的斷裂失效發生在使用15個循環爐次后。而采用圓鋼固定的老式結構，排氯化鎂管一般在使用3個循環爐次后發生脫焊導致返修，同一根排氯化鎂管使用8個循環爐次后發生橫向斷裂。將斷裂的排氯化鎂管更換后才能繼續投爐使用，嚴重影響生產進度。對排氯化鎂管的固定結構進行優化，可有效避免排氯化鎂管斷裂而發生進氣或氯化鎂無法排出而導致還原停爐的問題，對于保障海綿鈦產品質量和生產進度具有重要意義。

按年產海綿鈦15 000 t/a計算，26臺還原-蒸餾爐，單爐產量6.5 t，每臺爐每年需要循環88次。優化前排氯化鎂管平均在使用3個循環爐次后發生脫焊，返修時間約為1 d，在使用8個循環爐次后發生斷裂，更換排氯化鎂管的時間約為3 d，經計算每臺爐平均一年維修和更換排氯化鎂管分別需要22 d和33 d；優化后排氯化鎂管按使用8個循環爐次后發生脫焊，使用15個循環爐次后發生斷裂，計算得出每臺爐平均一年維修和更換排氯化鎂管分別需要5.9 d和17.6 d。因此，26臺爐每年可節約維修時間418.6 d，節約更換排氯化鎂管時間400.4 d。按每天人工費400元，每年可節約人工費用約32.76萬元；不銹鋼排氯化鎂管按8000元/根計算，每年可節約排氯化鎂管約133根，106.4萬元。使用固定結構優化后的排氯化鎂管能夠降低企業生產成本，同時保證生產進度，有效提高了海綿鈦的生產效率。

4 結 論

(1) 在高溫服役環境下，排氯化鎂管與鈦坨發生元素互擴散現象，導致管材脆性增大，易斷裂失效。圓鋼焊接固定方式是導致排氯化鎂管失效的主要原因。

(2) 對排氯化鎂管固定結構進行優化后，降低了鈦坨取出難度，明顯減小了排氯化鎂管的斷裂頻次，延長了使用壽命。

(3) 固定結構優化后，減少了因排氯化鎂管失效導致停爐返修的次數，大大縮短了生產工期，降低了生產成本，提高了海綿鈦的生產效率。