Технологическая схема магниетермического способа производства титана

Титан - ценный конструкционный материал, если его получать экономичным промышленным способом. Проблема налицо: для дальнейшего научно-технического прогресса, успешного развития современных технологий, освоения космоса и огромных морских ресурсов, нужно много этого замечательного металла только высокой чистоты. Но производство титана является технически сложным процессом, так как титан обладает большой активностью: бурно реагирует с азотом при температуре 500 °С и кислородом при 1200 °С, поглощает водород, взаимодействует с углеродом и большинством химических элементов. Высокая активность титана и сильное влияние на его качество даже небольших содержаний примесей, обусловили применение особых технологических приёмов в процессе его производства.

В 1940 г. немецкий химик Вильгельм Кролл предложил магниетермический способ извлечения титана из руд, который является основным и в настоящее время. Магниетермический процесс получения чистого титана – многостадийное, сложное в аппаратурном оформлении производство, энергоёмкое и экологически неблагополучное. Кроме того, каждая стадия переработки титанового сырья представляет собой отдельное производство со специфическими требованиями к технологии и оборудованию. Но этот способ хорош тем, что в качестве сырья используются титановые концентраты, полученные переработкой железосодержащих минералов, которые очень распространены и запасы их очень велики.

В России титан получают магниетермическим способом по следующей технологии:

1 Обогащение титановых руд.

Сырьем для получения титана являются железотитановые руды, из которых выделяют ильменитовый концентрат FеО*ТiO₂, содержащий 43-65 % ТiO₂, до 30 % FеО, до 20 % Fе₂О₃ и 5-7 % пустой породы.

2 Выплавка титановых шлаков.

Восстановительную плавку проводят в рудотермических электродуговых печах при температуре 1750 ºС. Задача плавки – восстановить оксиды железа, удалить их в виде металла (чугуна) и получить шлак богатый оксидом титана. Сырьём служит шихта из ильменитового концентрата и мелкоизмельченного восстановителя - антрацита.

3 Хлорирование титановых шлаков с получением тетрахлорида титана.

Цель хлорирования – перевести тугоплавкий оксид титана в хлорид, имеющий значительно низкие температуры плавления и кипения:

TiO₂ + 2Cl₂ = TiCl₄ + O₂

Однако даже при 1000 °С хлорирование по этой реакции протекает весьма медленно, а использование хлора – всего 1%, поэтому добавляют восстановитель для связывания кислорода в СO₂, тогда происходит высокая степень хлорирования при огромной скорости реакции

TiO₂ + 2Cl₂ + 2C = ­TiCl₄ + ­2CO₂

Хлорирование осуществляется в различных аппаратах: шахтных хлораторах, солевых хлораторах с расплавом хлоридов щелочных и щелочноземельных металлов, в печах КС с псевдокипящим слоем шихты.

Титановый шлак измельчают, подвергают магнитной сепарации для удаления железосодержащих частиц, смешивают с измельчённым нефтяным коксом, загружают в хлоратор, подают газообразный хлор, и при температуре 700-900 °С образуется четыреххлористый титан. Пары TiCl₄ находятся в составе многокомпонентной парогазовой смеси (ПГС), содержащей твёрдые частицы шихты, различные хлориды и газы.

4 Конденсация парообразного TiCl₄.

Назначение конденсации – отделить четыреххлористый титан от других хлоридов и примесей и получить жидкий TiCl₄. Важное свойство хлоридов – резкое различие температур плавления и кипения – позволяет разделить все компоненты с использованием простых технологических приемов. ПГС очищают от твердых частиц, затем в конденсаторах охлаждают и орошают жидким ТiСl₄. Конденсат фильтруют и получают жидкий четыреххлористый титан технической чистоты.

5 Очистка жидкого TiCl₄.

Четыреххлористый титан очищают от твёрдых и растворённых в нём примесей различными физическими и химическими методами в специальном оборудовании.

6 Восстановление четыреххлористого титана магнием.

Рафинированный четыреххлористый титан восстанавливают в реакторах расплавленным магнием в атмосфере аргона. При температуре 900 °С происходит образование титана в виде губки по реакции

TiCl₄ + 2Mg = Ti + 2MgCl₂

Расплавленные Mg и MgCl₂ взаимно нерастворимы и не реагируют с титаном.

7 Вакуумная очистка титановой губки.

Рафинирование (очистку) титановой губки проводят методом вакуумной дистилляции при 900 °С и вакууме около 10^-3 мм рт.ст. Основные примеси в титановой губке — Mg и MgCl₂ расплавляются, испаряются и выделяются в конденсаторе в твёрдом виде. В реакторе остаётся титановая губка.

8 Переработка титановой губки и плавка в электродуговых печах.

Титановую губку извлекают из реактора, отделяют части, загрязненные примесями, дробят на особых дисковых машинах и переплавляют в глубоком вакууме, получая компактный ковкий металл. Наличие вакуума предохраняет металл от окисления и способствует его очистке от поглощенных газов и примесей. Для обеспечения высокого качества слитков плавку повторяют несколько раз.

Во всех стадиях производства титана имеется опасность проникновения в титан кислорода и азота, освобождение от которых представляет значительные трудности. Поэтому главное требование к оборудованию в металлургии титана – его герметичность.