摘要：在当今社会的发展过程当中，金属钛以其独特的性质受到了许多行业的青睐，而钛材质的整体质量也会对许多行业的发展造成严重的影响。而在钛材质的质量控制过程当中，对中间产品海绵钛的质量控制是一项非常重要的工作，只有提高海绵钛的质量，才能使各种钛材在社会各界得到更好的运用。

　　关键词：海绵钛；镁还原法；质量控制

　　作为生产各种钛材的中间产品，海绵钛的生产一般使用的是镁还原法进行，而镁还原这一工序对于海绵钛的品质则有着非常重要的影响。只有加强对影响海绵钛品质的各种因素的了解，并且对海绵钛生产的镁还原工艺加强质量控制工作，才能制备出纯度更高，质量更好的海绵钛。

　　1海绵钛的作用与质量要求

　　1.1海绵钛的具体作用

　　钛元素是一种性质活跃的银白色金属，在元素周期表当中位居第四周期排第22位，自身有着相对轻盈的重量与极高的物理强度，同时具有耐高低温与抗强酸碱的特性，因此在航空航天、汽车工业、医疗卫生、交通运输、珠宝装饰等多个方面都有着非常广泛的运用。在地壳当中，钛元素的含量仅次于铁、铝与镁三种金属元素，但因其在地壳当中的存在形式过于分散，且提取过程当中非常容易受到各类杂质的影响，因此其提取制备的难度也相当高。而作为人们对钛元素进行提取利用的一种中间产品，海绵钛是一种外形呈现海绵状的，以浅灰色钛颗粒聚集而成的钛金属块。虽然海绵钛不能直接投入使用，但作为制取钛元素的中间产品，海绵钛不仅可以用来制取钛锭、钛棒等多种铸形钛材并投入到各行各业的生产过程当中，更能够通过研磨制作成钛粉末，从而作为优秀的镀膜材料应用于机械表面处理的过程当中。

　　1.2海绵钛的质量要求

　　作为钛元素制备的中间产品，海绵钛的质量直接影响着钛锭、钛棒与钛粉末等多种钛材料的质量，这也使海绵钛的质量也受到了一定的要求。首先，根据海绵钛的化学成分与布氏硬度，海绵钛可以分为MHT-95、100、110、125、140、160、200六种牌号，而影响海绵钛的牌号的因素则以内部的杂质含量为主。其中，MHT-95牌号的海绵钛当中的钛元素含量要不小于99.8%，布氏硬度不大于95；而MHT-200牌号的海绵钛的钛含量则应在98.5%以上到99.1%以下，且布氏硬度不能大于200，超出此标准的即为不合格的海绵钛。除了成分与硬度之外，海绵钛的质量还可以从其粒度与外观质量上进行判断，合格的海绵钛应至少有95%的颗粒在相应的粒度标准范围内，而其外观则应当是浅灰色表面清洁无杂质的海绵状金属，如果存在有过烧问题的海绵钛、暗黄或亮黄色钛块等都属于缺陷海绵钛。

　　2使用镁还原法制取海绵钛的具体方式

　　2.1镁还原制取海绵钛的基本理论

　　在海绵钛的生产过程当中，使用镁还原法生产海绵钛的核心理论是一条化学公式，即TiCl4+2Mg==Ti+2MgCl2.但是，由于钛自身的化学性质较为活泼，而且具有相对典型的变价特性，因此会在生产过程当中生成一些低价的钛氯化物，再由镁将这些低价钛氯化物还原形成金属钛，因此导致整个镁还原制取海绵钛的过程并不能如基础公式一样简单明了，但其基本原理与反应条件却是能够明确的，即：在封闭的反应容器内部，通过惰性气体——氩气的填充与保护，使四氯化钛在高温下与熔融的镁元素产生反应，进而生成多孔的海绵钛。

　　2.2镁还原制取海绵钛所需的原料

　　在镁还原制取海绵钛的过程当中，所使用的原料主要为三种，分别为高纯度四氯化钛液体、金属镁与高纯度的氩气。其中，高纯度四氯化钛液体当中的四氯化钛成分含量需要不小于99.96%，且内部不能有明显的沉淀或水解悬浮物；金属镁中镁元素的含量应不小于99.95%，而氩气当中氩元素的纯度则应当大于等于99.99%.只有确保各种原料的纯度符合生产标准，才能够制取获得质量达标的高纯度海绵钛。

　　2.3镁还原制取海绵钛的主要设备

　　在使用镁还原法大规模制取海绵钛的过程当中，需要使用到的设备主要为以下几种类型：用于吊运其他各种设备与材料的桥式天车、为还原反应提供密闭环境的反应器、为还原反应提供相应温度的还原电炉、存储四氯化钛原料的储藏罐、缓冲四氯化钛的高位槽、清空反应器内部空气的真空泵、为还原反应发出的热量而导致的反应器壁升温提供冷却的风机、为反应器与还原电炉进行进一步冷却的还原冷却器与盛装还原反应结束后生成的氯化镁抬包。只有这些设备同时具备，而且确认设备不存在功能方面的故障，才能够进行海绵钛的制备工作。

　　2.4镁还原制取海绵钛的工艺流程

　　镁还原制取海绵钛的工艺流程可以分为三部分，分别是准备流程、反应流程与结束流程。其中，准备流程需要工作人员准备好反应过程所使用的设备与材料，首先对反应器进行清洗、检查与渗钛，避免氧元素、铁元素与其他杂质的混入；之后使用天车将反应器吊装至还原组装台上进行组装，同时安装氯化镁排放装置、密封罩、热偶管与高温阀等组件、如果使用的是固体镁进行反应，则需要先加装镁锭后再进行之后的工序；最后一步则是将反应器抽至真空状态并检查是否漏气，确认不存在漏气现象后填充氩气至微正压为止。在准备流程结束之后，如果反应过程使用的镁不是固体镁，或是反应器内镁质量不足需要补充，则应当提前用坩埚充氩，并将镁锭加热熔化为液体镁，再使用750℃预热的真空抬包吸取液体镁并充氩，随后向反应器加入液体镁。在镁加入完成之后，就需要加入四氯化钛液体开始反应，而加料的速度则需要根据反应器内的反应压力进行调节，同时控制反应器的温度在850℃~950℃之间，尽可能避免在反应过程当中产生超温、超压或负压的现象。此外，随着四氯化钛的加入与氯化镁生成量的增加，需要定时排放反应器内的氯化镁，并将高温下的氯化镁输送至镁电解车间来制取镁元素。在反应流程结束之后，工作人员就应当停止加入四氯化钛，并且使反应器在900℃左右保温1h，使容器内部剩余的低价钛氯化物还原完成。在这之后，工作人员需要最后一次排放容器内的氯化镁，将内部的氯化镁排尽，最后就可以取出反应器内的海绵钛了。

　　3海绵钛镁还原生产过程中影响质量的因素与控制方法3.1生产工艺当中的影响因素与控制

　　3.1.1加料速度的影响与控制

　　在海绵钛的生产过程当中，根据还原反应阶段的不同可以分为还原初期、中期与后期，而在这三个阶段如果不对四氯化钛的加入速度进行控制，就容易导致海绵钛质量受到影响。在反应初期，四氯化钛加入速度过快会导致反应器压力上升，进而产生一定的安全隐患；在反应中期，由于反应速度的提升，应当适当的加快氯化镁的加入速度，但加入过快却会导致海绵钛的烧结与致密化，而加料速度过慢则会导致海绵钛颗粒粗大，难以破碎；在反应后期，由于海绵钛坨占据了反应器内大量的空间，因此需要减缓加料的速度，并适时停止反应的进程，否则就会导致低价钛氯化物的生成而导致原料的浪费。

　　3.1.2反应温度的影响与控制

　　在镁还原法制取海绵钛的生产过程当中，反应器的温度需要保持一定的控制，且不能低于金属镁的熔点714℃，否则就会导致反应生成的氯化镁固体附着在海绵钛的表面，进而减缓还原反应的速度，甚至阻止还原反应的进行；而还原器的最高温度应当低于975℃，因为超过这个温度之后，反应器自身的铁将会与内部的钛产生明显的熔合现象，进而对海绵钛造成污染，若温度达到1085℃，则会在内部生成钛铁合金。除此之外，温度的提升会使反应器内的镁元素上浮，而氯化镁则会下沉，从而使还原反应的速度整体上升。因此，通过适当的使用风机与还原冷却器等设备实现对反应温度的控制，就可以在保障海绵钛不受污染的同时，实现对反应速率的整体控制。

　　3.1.3反应压力的影响与控制

　　在反应器内部发生反应的过程当中，反应压力是一个反映反应器内部反应速率的重要指标，其中95%以上的压力来自于内部填充的氩气。随着四氯化钛液体的加入，反应器内部的压力也会出现变化，还原反应速率越快，则反应器内压力越小。因此，在还原反应初期，如果发现压力上升，则代表四氯化钛加料过多，需要降低加料速度；在还原反应中期，压力的上升代表着反应面内的产物已经开始阻挡液态镁的上升，因此需要排出氯化镁。但是，如果是在刚排出氯化镁之后出现的压力上升，则代表着氩气余压过高影响了反应速率，需要排出一定量的氩气；而在还原反应的后期，反应器压力的上升则代表着液态镁扩散上升速度降低，需要降低四氯化钛的加入速度，如果在这之后还是存在压力上升的情况，则代表反应器内部还原反应的速率难以提升，此时就可以选择停止加料，结束还原过程。

　　3.1.4反应液位的影响与控制

　　反应液位指的是反应器内部四氯化钛与液态镁发生还原反应的液面位置，由于海绵钛的生产过程需要间歇性排放氯化镁，同时不断加入四氯化钛，因此反应液位会随着反应的持续不断的产生变化。如果反应液位升高，则代表四氯化钛与液态镁的反应区域减小，不仅影响了海绵钛的产出速度，而且还会对氯化镁的排放造成一定安全影响；而反应液位过低，将会导致四氯化钛与液态镁还原反应生成的热量难以及时排出，进而使钢制反应器在海绵钛中熔解，进而导致海绵钛的含铁量升高，影响海绵钛的品质。因此，只有对四氯化钛的加入与氯化镁的排放形成相应的规程，才能更好的对反应液位进行控制。

　　3.2海绵钛中杂质元素出现的原因与控制方法

　　3.2.1铁元素出现的原因与控制

　　在海绵钛的生产过程当中，铁元素杂质的主要来源就是因温度控制不当导致钢制反应器壁熔化与反应过程当中生成的海绵钛产生了混合现象，而一些未及时排出的水化的氯化镁对钢制反应容器的腐蚀生成的氯化铁也会混入海绵钛坨当中。除此之外，其他的铁元素则主要来源于金属镁、四氯化钛液体等原料内部的杂质。而控制海绵钛中铁元素杂质含量的方法则是加强对原料纯度的监控、对反应器温度的监控以及对反应器内部氯化镁的及时排放。

　　3.2.2氧元素出现的原因与控制

　　氧元素在海绵钛中也是一种常见的杂质，主要以各类氧化物的形式存在。一般来说，海绵钛当中的氧元素主要来源于三个方面，分别是原料如镁锭表面的氧化膜、四氯化钛原料中的含氧化合物等氧化物、反应器内部未及时清洁或未渗钛生成的氧化物以及因阀门气密性或氩气纯度问题带入的氧元素。因此，控制海绵钛中的氧元素，则需要保持原材料与氩气的纯度，对反应器的清洁与渗钛工序做好检查以及加强对反应器阀门气密性的检查工作等。

　　3.2.3氮元素出现的原因与控制

　　一般来说，在海绵钛生产过程当中，使用到的原料是很少会有含氮元素的化合物的，因此氮元素的主要来源还是由于空气混入了生产过程，主要是氩气内部混入空气、反应器阀门气密性不足与还原器自身的密封性问题。除此之外，在镁元素的制备与熔融过程当中，如果镁与空气发生了接触，就会与空气中的镁发生反应形成氮化镁，进而混入海绵钛当中。因此，对海绵钛中氮元素的控制需要加强对反应器与阀门的气密性检查、对氩气的纯度检查以及对镁生产熔融工艺过程当中的密封性检查等。

　　3.2.4氯元素出现的原因与控制

　　在海绵钛的还原反应生产过程当中，氯元素的主要来源是原材料四氯化钛与镁发生反应生成的氯化镁，如果未能在生产过程当中通过对海绵钛的真空蒸馏来清除氯化镁，就会导致海绵钛的氯元素含量上升。此外，在金属镁当中还可能存在一些其他金属元素，如钠元素或钾元素等，这些物质与氯元素结合会生成难以通过后续蒸馏去除的高沸点氯化物。因此，在控制氯元素的过程当中，需要从氯化镁的定时排放与控制金属镁的纯度两方面来控制氯元素的混入。

　　3.2.5其他元素出现的原因与控制

　　除了上文提到的杂质元素之外，一些其他元素如碳、硅、锰、铬、镁等元素也是在海绵钛中常见的杂质。其中，碳元素与硅元素大多是以化合物形式混在钛矿渣当中，制取四氯化钛时未能完全清除；镁元素是还原剂镁未能在反应器内完全反应或蒸馏过程未能完全去除氯化镁；而锰元素与铬元素的混入则与铁元素相似，因为锰与铬本身就是不锈钢的组成成分，因此会随着反应器温度控制不当而与海绵钛发生熔融。而对于这些杂质元素的控制，则需要通过对反应器的温度控制、对原材料的纯度控制以及对反应工序的控制进行。只有这样，才能更好地对海绵钛内部的杂质含量进行控制。

　　4结语

　　综上所述，作为目前许多领域发展都必不可少的金属元素，钛材的质量控制对于各行各业的发展有着非常重要的作用，而钛材质量控制的关键就在于海绵钛的质量控制。只有加强对海绵钛生产中各种影响质量的因素的了解与排除，实现对海绵钛生产材料与生产工艺的严格控制，才能保证海绵钛的纯度符合其他行业对钛材品质的需求。