Физико-химические основы восстановления

Магниетермическое производство металлического титана основано на использовании реакции:

	+		=		+
(ж.пар)		(ж.пар)		(тв)		(ж.пар)

В стандартных условиях эта реакция характеризуется высокими по абсолютной величине и отрицательными по знаку значениями энтальпии и энергии Гиббса:

Температурная зависимость константы равновесия не может являться монотонной функцией, поскольку участвующие в реакции исходные и конечные вещества претерпевают фазовые превращения.

По аналогии со сложными реакциями, которые протекают через промежуточные соединения, восстановление титана можно представить как ступенчатое восстановление четыреххлористого титана из его низших хлоридов:

Протекающие при этом реакции условно можно разбить на две группы:

Реакции восстановления четыреххлористого титана до низших хлоридов и металла:

	(1)
	(2)
	(3)
	(4)
	(5)
	(6)
	(7)

Вторичные реакции взаимодействия четыреххлористого титана с продуктами реакции группы 1. и реакции диспропорционирования низших хлоридов титана:

	(8)
	(9)
	(10)
	(11)

Реакция обычно осуществляется в атмосфере инертного газа. Равновесие процесса магниетермического восстановления четыреххлористого титана устанавливается при исчезающее малой концентрации тетрахлорида.

В начале процесса реакция восстановления протекает на зеркале жидкого магния, которое постепенно покрывается пленкой образующегося хлористого магния, хорошо смачивающего магний. Пленка затрудняет контакт магния с  и препятствует дальнейшему протеканию реакции на зеркале магния. Фронт реакции к этому времени смещается к стенкам реактора, где условия взаимодействия  с магнием наиболее благоприятны вследствие стекания соли с поверхности магния, поднимающегося за счет сил поверхностного натяжения ли капиллярных сил по стенкам реактора или по капиллярам образовавшейся на стенках губки. В дальнейшем, реакции идут в основном на стенках реактора или боковой поверхности губки с ростом ее от боков к центру реактора. Реакция в газовой фазе не идет.

Конструкции реакторов и печей восстановления

Восстановление четыреххлористого титана магнием сопровождается выделением большого количества тепла. Энтальпия суммарной реакции в стандартных условиях составляет 123,6 ккал/г-атом титана. В современных реакторах тепловыделение составляет около 100-200тыс.ккал/ч. Значительная часть этого тепла должны быть отведена от реактора.

Объемные соотношения титана, магния и хлористого магния в реакторе таковы, что на каждую единицу объема, занимаемого титаном, приходится 2,8 единиц объема магния и 10,4 единицы объема образующегося хлорида магния. Поэтому для более полного использования рабочего объема реактора, хлористый магний в процессе восстановления периодически сливают из реактора.

В качестве реакторов восстановления в промышленных условиях используют цилиндрические реакторы диаметром от 850-1000 до 1300-1500мм и высотой от 1800-2000 до 3000мм. Диаметр реактора восстановления в основном лимитируется требованиями последующего процесса – вакуумной сепарации блока реакционной массы, где повышение диаметра реактора больше определенного значения приводит к ухудшению условий прогрева реакционной масса и отгонки остатков магния и хлористого магния из глубинных слоев титановой губки.

Реакция восстановения  магнием проводится в реакторах из малоуглеродистой стали, из хромоникелевой, хромистой сталей, а также в реакторах из биметалла (наружный слой – хромоникелевая сталь, а внутренний – малоуглеродистая сталь).

На практике, учитывая очаговый характер реакций восстановления, в результате которого максимальная температура внезапно резко возрастет то в одной, то в другой зонах реактора, процесс обычно проводят при температуре 750–900°C.

Хромоникелевая сталь более окалиностойка и более устойчива при взаимодействии с парами  в условиях высоких температур, чем малоуглеродистая сталь. Однако температура плавления эвтектики этой стали с титаном ниже, чем с малоуглеродистой сталью, на 900–100°C. Кроме того, находящийся в реакторе жидкий магний хорошо растворяет никель, входящий в состав хромоникелевой стали, загрязняется им и загрязняет титановую губку. Тем не менее, эти стали широко применяются для изготовления реакторов.

Хромистые стали типа 0Х13, Х25Т, обладая средней между малоуглеродистой и хромоникелевой сталью температурой плавления эвтектики с титаном и досочной окалиностойкостью, являются также более устойчивыми против взаимодействия с парами  при высокой температуре, и меньше чем хромоникелевые стали растворяются в расплавленном магнии, поэтому их использование в качестве материала благоприятно.

Большой интерес для изготовления реакторов представляют биметаллы. Использование таких сталей с внутренней поверхностью из малоуглеродистой стали, стали Х25Т или титана несмотря для большую трудность в изготовлении реакторов и несколько большую их стоимость позволяет заметно повысить производительность аппарата и улучшить качество получаемого титана,.

В промышленных условиях используют обычно два типа реакторов – реактор со вставленным внутрь реакционным стаканом, изготовленным из рассмотренных выше материалов, и реактор без реакционного стакана. Реакционный стакан позволяет предохранить корпус реактора от проплавления, применить реактор из нержавеющей стали, а стакан из малоуглеродистой стали. Кроме того он облегчает извлечение реакционной массы из реактора после окончания процесса восстановления. С другой стороны, при использовании стакана образуется зазор между его стенкой и стенкой реактора, который резко ухудшает условия отвода тепла из зоны реакции, сокращает полезный объем реактора, что снижает его производительность. Кроме того, осложняется устройство для слива хлористого магния, в зазоре между стенками могут образовываться низшие хлориды титана. Внутреннюю поверхность такого реактора после каждого процесса необходимо тщательно очищать от хлоридов титана и магния, промывая раствором соляной кислоты. Эта операция трудоемка, вредна для обслуживающего персонала и приводит к повышенному износу реактора.

Недостаток реактора без стакана состоит в большей опасности проплавления корпуса, а также в необходимости более маневренного охлаждения его стенок в процессе восстановления во избежании намораживания на них гарнисажа, что может затруднить транспортировку магния в зону реакции.

Вакуумирование реактора, подача в него четыреххлористого титана и аргона осуществляют через центральную трубу, расположенную на крышке реактора. Хлористый магний сливают из реактора с помощью сифона, выходящего на рабочую площадку через крышку или боковую стенку реактора непосредственно под его фланцем.

Для отведения тепла, образующегося в ходе реакции необходима эффективная система его отвода от реактора. Поддержание области преимущественного протекания реакций в определенной зоне реактора может облегчить решение этой задачи. Расположение этой зоны по высоте реактора можно регулировать, поддерживая уровень расплава в указанной зоне и регулируя слив накапливающегося хлористого магния. Тепло от реактора отводят, как правило, охлаждая зону преимущественного протекания реакции с помощью воздуха, подаваемого в печь от вентиляционной установки. Охлаждающий воздух подают в нескольких точках по окружности печи, форсунки располагают в 2–3 ряда. Вентиляторы включают и подают охлаждающий воздух периодически с помощью автоматической схемы, подающей сигнал о повышении температура в той или иной зоне реактора.

Для нормально протекания процесса при охлаждении зоны реакции обычно необходимо подогревать нижнюю часть реактора. Подогрев необходим для поддержания хлористого магния в жидком состоянии, что обеспечивает расслоение магния и бесперебойную подачу магния в зону реакции, а также облегчает регулярный слив хлористого магния из реактора.

Переохлаждение реактора ниже зоны протекания реакции приводит к замедлению поступления магния в эту зону и к расстройству процесса восстановления, который при этом резко замедляется и идет с образованием большого количества низших хлоридов титана.

Для предотвращения загрязнения титановой губки газами и влагой, адсорбированными на внутренних стенках аппарата, а также кислородом из окисных пленок и гидролизовавшегося хлористого магния, реакционный стакан и реактор перед проведением в них процесса восстановления тщательно очищают.