Магнитермическое востановление титана

 

ВВЕДЕНИЕ

Удельный вес легкой металлургии в общем объеме промышленного производства Казахстана превышает 12%. Из извлекаемых руд производятся алюминий, титан, магний, редкие и редкоземельные металлы. По уровню производства Казахстан входит в число крупных в мире производителей и экспортеров титана и алюминия. Доля республики в мировом производстве титана составляет 3,3%. При этом, практически вся производимый в стране титан экспортируется за рубеж.

Высокие темпы развития техники  обусловливают необходимость расширения применения высококачественных конструкционных материалов с самыми различными свойствами. С каждым годом увеличивается количество металлов и сплавов, используемых при создании новых механизмов, машин, приборов.

Среди металлов, на основе которых  разрабатываются сплавы с повышенными  механическими и коррозионными  свойствами, способные работать в  сложных условиях, важное место принадлежит  титану.

Особые механические свойства, малая плотность, жаропрочность, стойкость в агрессивных средах дают этому металлу и сплавам на его основе неоспоримое преимущество перед специальными сталями и легкими сплавами.

Титан завоевал настолько  прочное место в технике, что  без него уже не может развиваться  целый ряд отраслей, таких, например, как ракетостроение, самолетостроение, кораблестроение и др. Важное значение титан имеет для развития некоторых отраслей химической и металлургической промышленности. Усовершенствование технологии, увеличение производства титана способствуют снижению его стоимости и расширению сфер потребления.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выбор и обоснование технологической  схемы 

получения титана

 

Выбор технологической схемы получения элемента зависит от многих факторов. Прежде всего, исходят из оценки физико-химических свойств соединений и степени сложности аппаратурного оформления.

Прежде чем рассматривать  возможные схемы получения чистого  металла, следует остановиться на особенностях технологии производства титана вообще. Высокая активность этого металла и резкое снижение его свойств при небольшом повышении содержания примесей — это те качества, наличие которых обусловливает применение особых технологических приемов в процессе его производства.

Все существующие и предлагаемые способы получения металлического титана можно условно разделить на три группы:

          1. Восстановление оксида титана до чистого металла. Суть которого заключается в восстановлении оксида титана углеродом, водородом, алюминием, кальцием до чистого металла.  Основным недостатком является то, что при любом ходе восстановления металл будет загрязнен примесями кислорода, водорода, углерода, кальция, алюминия,  что заметно сказываются на  его механических свойствах. Так следует отметить, дороговизну реагентов и сложность конструктивного оформления аппаратов.

          2. Электролиз соединений титана. Сущность, которого растворить соединения титана (рутил, ильменит и др.) в электролите, в качестве их могут быть использованы расплавы солей щелочных и щелочноземельных металлов, в которых достаточно хорошо растворяются низшие хлориды титана, а затем и  последующее восстановление титана на катоде. Основной трудностью в разработке промышленного способа производства титана методом электролиза является сложность создания промышленной конструкции электролизера, обеспечивающей высокую производительность и получение достаточно чистого металла. Эта сложность обусловливается тем, что электролит должен быть защищен от контакта с воздухом инертным газом. Это усложняет вывод катодного осадка, чистку ванны и выполнение других операций, необходимых при проведении процесса.

          3. Получение чистого четыреххлористого титана, а затем восстановление его металлом. Суть перевести титан в его хлорид, путем хлорирования в специальных аппаратах, а затем хлорид титана восстановить такими металлами как магнии (магнийтермический способ), натрии (натриетермический способ) до чистого металла. Преимущество простота конструкций аппаратов участвующих в ходе процесса, относительная дешевизна реагентов, что дало этой схеме большое распространение.

1 Теоретическая часть  производства тетрахлорида титана

1.1 Сырье для получения тетрахлорида титана

 Основным сырьем для  производства тетрахлорида титана  являются титановые шлаки, получаемые в результате рудовосстановительной электроплавки различных железо-титановых концентратов, основной составляющей которых являются природные титанаты железа различной степени окисления.

Технология производства титанового шлака и чугуна из железо-титановых концентратов включает в себя следующие основные переделы:

а) подготовка шихты;

б) восстановительная электроплавка;

в) разделка и обработка продуктов плавки.

Подготовка шихты

          Подготовка сырья имеет важное  значение для интенсификации  технологического процесса. Условия  подготовки сырья должны быть  строго подчинены технологическому  процессу. Несоблюдение их приводит  либо к нерациональному усложнению  подготовки сырья, либо к ухудшению  технологических показателей плавки. Поэтому способ подготовки сырья  должен быть в каждом случае  достаточно обоснован. Выплавку  титановых шлаков можно производить из порошковой, брикетированной и окатанной шихты. В последнем случае требуется тонкое измельчение исходных материалов. Поэтому в основном используют порошковую или брикетированную шихту.

Восстановительная электроплавка

Электропечи. Для выплавки титановых шлаков применяют печи мощностью 3500 — 20000 ква как открытого, так и закрытого типов, при расположении электродов в линию или по вершинам равностороннего треугольника. Конструкция печей для выплавки шлаков аналогична конструкции рудовосстановительных печей, применяемых в других электротермических процессах.

Электропечная установка (рис. 1) в целом состоит из металлического кожуха, установленного на фундаменте и футерованного внутри магнезитовым кирпичом, электродов, системы подвески и перепуска электродов, системы токоподвода, печного трансформатора , аппарата для прожига летки, системы водоохлаждения, загрузочных устройств, вытяжного колпака с экранирующими щитками и аппаратуры для управления электрическим режимом печи. В зависимости от принятой технологии (совместный или раздельный выпуск шлака и чугуна) печь имеет одну или две летки. Закрытая печь, кроме всего прочего, имеет свод и систему газоочистки.

 

Рисунок 1 – Конструкция  электропечной установки для  выплавки титановых шлаков:

1 – система перепуска и подвески электродов; 2 – электроды;

3 – аппарат для прожига летки; 4 – металлический кожух; 5 –фундамент;

6 – футеровка; 7 – система токоподвода; 8 – печной трансформатор.

 

 

Размер кожуха печи и ванны  определяется мощностью печи, а их форма — расположением электродов.

Процесс выплавки титановых  шлаков протекает при сравнительно высоких температурах (1650—1750° С), что создает тяжелые условия для работы футеровки. Поэтому ее выполнение должно производиться с особой тщательностью. При кладке магнезитовой подины необходима притирка кирпичей и соблюдение минимального размера швов (не более 1 мм) в целях предохранения от раскалывания кирпичей кладки проникающим в швы чугуном. Особенно тщательно должны футероваться летки для выпуска чугуна и шлака. Использование угольной футеровки не допускается.

Железо-титановые шлаки  в жидком состоянии являются очень  агрессивной средой, растворяющей в  себе практически все извест иые окислы. Поэтому для защиты боковых стенок футеровки печи or разрушения служит гарниссаж — настыль из более тугоплавкого титанового шлака. Его наращивание производится по специально разработанной технологии при пуске печи. Что касается подины печи, то она защищена постоянным слоем чугуна. О целью создания защитного слоя чугуна летку для его выпуска располагают на некотором расстоянии (300—500 мм) от уровня иода печи. Для предотвращения всплывания кирпичей с подины печи необходимо, чтобы нижний слой металла находился в твердом состоянии. Для прогрева подины и одновременно ее защиты в начальный период целесообразно проводить плавку чугуна из обычных железных руд.

Электрический ток в плавильное пространство подается при помощи графитированных  или самообжигающихся электродов. В  зависимости от типа и мощности печи устанавливают три или шесть  электродов. Большое значение для  нормальной работы печи и достижения высоких технико-экономических показателей, особенно при плавке брикетированной  шихты, имеет расстояние между ними (распад электродов). При выборе диаметра распада электродов, расположенных  по вершинам равностороннего треугольника, исходят из того, чтобы в середине ванны не могли образовываться участки непроплавленной шихты. При плавке брикетированной шихты отношение диаметра распада электродов к их диаметру должно быть меньше 2,5. Чем больше отношение диаметра ванны к диаметру распада электродов, тем больше стойкость футеровки и тем меньше тепловые потери с поверхности кожуха. При этом необходимо учитывать и расстояние до летки. С увеличением глубины летки возрастают трудности при ее открывании.

Электроды закрепляют в электрододержателях, состоящих из колец, зажимных болтов и токоведущих контактных щек, которые  подвешивают к несущему цилиндру посредством планок и серьги, изолированных  друг от друга. Несущий цилиндр служит для подвешивания электрода и  электрододержателя. Через раму и блоки цилиндр соединен с приводом для перемещения электродов. Их ход должен быть достаточно большим, позволяющим опускать электроды к подине при пуске, а также поднимать их до уровня бортов ванны при вскипании шлака.

Для каждой печи в зависимости  от ее мощности, конструктивных особенностей, а также от свойств шихты существует оптимальное напряжение. Для печи мощностью 7500 ква требуется трансформатор с вторичным напряжением 150—180 в при 6—10 ступенях напряжения, регулируемых под напряжением, а для печи 5000 ква 120 — 150 в.

 

Разделка и  обработка продуктов плавки.

После затвердения (но не ранее, чем через четыре часа с момента выпуска) слитки шлака извлекают из изложниц, установленных в литейном пролете, при помощи клещей и помещают в короба на остывочной площадке, где они охлаждаются на воздухе в течение 8—10 ч.

После этого слитки взвешивают и отгружают на склад, где происходит окончательное охлаждение шлака. В процессе охлаждения, хранения и переработки шлака низшие окислы, на получение которых затрачена энергия, окисляются, в результате чего содержание титана в шлаке снижается, а также происходит частичное рассыпание шлака.

Разница в содержании титана в шлаке, проанализированном сразу  же после выпуска и опробованном после длительного хранения, может  составить 2-5%.

После охлаждения нерассыпавшиеся  куски подвергают дроблению, затем измельчению и магнитной сепарации. Размолотый шлак отправляют потребителю. Иногда практикуется отгрузка шлака в кусках размером не более 200 х 200 мм.

В зависимости от принятого  режима плавки и состава исходных материалов получают шлак, содержащий 70—90% диоксида титана и 2—15% оксида железа. Содержание магнитной фракции допускается не более 4%. Полученный шлак используют для получения четыреххлористого титана и пигментной диоксида титана.

Чугун выпускают через 8—12 ч и передают в наклоняющуюся дуговую электропечь, где его рафинируют и обессеривают.

В качестве десульфуризующего материала используют известь (или высокоглиноземистые известковые шлаки), которую вводят в расплавленную ванну.

Рафинированный чугун  разливают в слитки или чушки, которые используют в сталелитейном или чугунолитейном производстве.[6]

 

 

 

 

 

1.2 Производство тетрахлорида титана

Процесс производства четыреххлористого  титана состоит из четырех основных переделов: подготовки сырья, хлорирования, конденсации, очистки четыреххлористого титана.

          1. Подготовка сырья состоит в приготовлении брикетов из титансодержащего материала (титановый шлак) и кокса, пригодных для хлорирования. Этот передел включает в себя операции дробления, размола, смешения, брикетирования или гранулирования и прокалки.

         2. Хлорирование может осуществляться в аппаратах различной конструкции:

а) со статическим слоем шихты (шахтные электропечи);

б) с подвижным слоем (шахтные хлораторы);

в) с жидкой ванной из расплавленных хлоридов щелочных и щелочноземельных металлов (солевой хлоратор);

Для хлорирования титансодержащих  материалов применяют как стопроцентный  компреммированный хлор, так и  разбавленный воздухом анодный хлоргаз, получаемый в процессе электролиза  магния или натрия.

В процессе хлорирования окислы титансодержащих минералов взаимодействуют с хлором и углеродом и переводятся в хлориды. Процесс хлорирования ведут при 600—1200^е С.

          3. Назначение конденсации — отделить четыреххлористый титан от остальных хлоридов, образующихся в процессе хлорирования примесей в титансодержащем материале, и получить технически чистый продукт.

          4. Очистка технического четыреххлористого титана производится в целях удаления имеющихся в нем примесей.

Чем богаче материал по содержанию в нем титана, тем проще его  перерабатывать. Однако с повышением чистоты материала резко возрастает его стоимость. Поэтому для промышленного  производства четыреххлористого титана применение титансодержащих материалов высокой чистоты (например, технической двуокиси титана) экономически невыгодно. С другой стороны, при переработке бедного титансодержащего сырья усложняется аппаратурно-технологическая схема, возрастает расход хлора, увеличивается число отходов. Например, непосредственное получение четыреххлористого титана из ильменитового концентрата связано со сложной и пока еще не решенной проблемой переработки хлоридов железа в целях извлечения из них металлического железа и хлора. [2]