Прямое восстановление диоксида титана.

Старинный и наиболее распространённый способ получения металлов из окисных руд - восстановление углем

МеО + С = Ме + СО

Большинство металлов получают из их оксидов восстановлением углеродом или другими материалами. Для восстановления титана нельзя применять углерод из-за образования карбида титана TiC. При атмосферном давлении даже при ≈ 2450 °С будет образовываться только карбид ТiС, загрязнённый кислородом, азотом и углеродом

Из-за высокой химической прочности оксида титана затруднено его восстановление и с помощью других веществ. Кроме того, титан образует твёрдые растворы с восстановителем и примесями в сырье.

Восстановление TiO₂ водородом возможно только до низших окислов Ti₂O, TiO, Ti₂O₃.

Восстановление TiO₂ кремнием, натрием, магнием также возможно только до низших окислов.

Полностью TiO₂ можно восстановить кальцием только в вакууме при 3000 °С, но полученный металлический титан всегда будет загрязнён азотом, водородом и кислородом, к тому же рафинированный Са очень дорог.

2) Двухстадийное восстановление двуокиси титана с получением металла или сплава, а затем очистка от примесей. Например, кальциегидридный способ: взаимодействие двуокиси титана с гидридом кальция

ТiO₂ + СаН₂ = ТiH₄ + СаО

Образуется гидрид титана, сильно загрязненный примесями, из которого затем выделяют металлический титан.

3) Электролиз двуокиси титана или электролиз соединений титана. Технически сложные, но перспективные методы, при использовании электролита из очень чистых солей, герметичного электролизёра и инертной газовой среды.

4) Отсутствие удовлетворительных методов получения титана и других редких металлов (ниобий, тантал, цирконий, ванадий, германий, кремний и др.) непосредственно из их оксидов послужило причиной бурного развития хлорной металлургии: перевод оксида титана в четырёххлористый титан и восстановление его металлом (алюминием, кальцием, магнием, натрием).

В России, Японии и США промышленный способ получения титана - магниетермический, т.е. восстанавливают титан из TiCl₄ магнием. В Канаде и Европе применяется натриетермический способ: титан из TiCl₄ восстанавливают металлическим натрием. Этот процесс проводят при относительно невысокой температуре, титан в меньшей степени загрязняется примесями, но натриетермический способ технически более сложен.

Контрольные вопросы.

1 Почему существует много способов получения титана

2 Перечислить объёмы производства металлов. Чем они обусловлены?

3 Что такое металлотермия?

4 Сущность хлорного способа

5 Другие способы получения титана [1].

Самостоятельная аудиторная работа № 3. Технологическая схема магниетермического способа производства титана

Цель работы. Научиться составлять аппаратурно-технологические схемы, используя процессный подход

Ход работы.

1 Изучить приведённый материал

2 Составить АТС магниетермического способа, используя ранее изученный материал.

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, но только высокой чистоты. Поэтому постоянно ведутся поиски и исследования новых способов получения титана для определения наиболее оптимального метода.

В 1940 г. немецким химиком Вильгельмом Кроллем был предложен магниетермический способ получения титана, который является основным и в настоящее время.

Промышленный магниетермический процесс получения чистого титана – многостадийное, сложное в аппаратурном оформлении производство, энергоёмкое и экологически неблагополучное. Каждая стадия переработки титанового сырья представляет собой отдельное многоступенчатое 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 в России, и запасы их велики.

Производство титана является технически сложным процессом, так как металлический титан обладает большой активностью: бурно реагирует с азотом при температуре 500—600 °С и кислородом при 1200—1300 °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 России титан получают магниетермическим способом по следующей технологии.

1. Обогащение титановых руд.

Сырьем для получения титана являются титаножелезные руды, из которых выделяют ильменитовый концентрат, содержащий 43-65 % ТiO₂, до 30 % FеО, до 20 % Fе₂О₃ и 5-7 % пустой породы. Название этот концентрат получил по наличию в нем минерала ильменита FеО*ТiO₂.

2. Выплавка титановых шлаков.

Задача плавки – восстановить оксиды железа, удалить их в виде металла (чугуна) и получить титановый шлак. Плавку проводят в рудотермической электродуговой печи. Сырьём служат ильменитовый концентрат и мелкоизмельченный восстановитель - антрацит.

3. Хлорирование шлаков.

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 по реакции

ТiO₂ + 2С + 2С1₂ = ­ТiСl₄ + 2СО

Пары четыреххлористого титана находятся в составе многокомпонентной парогазовой смеси (ПГС), содержащей твёрдые частицы шихты и образовавшиеся хлориды и газы.

4. Конденсация парообразного TiCl4.

ПГС очищают от твердых частиц и охлаждают в конденсаторах, орошая жидким ТiСl₄. Конденсат отстаивают, фильтруют и получают жидкий четыреххлористый титан технической чистоты.

5. Очистка жидкого TiCl4.

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

6. Восстановление TiCl4 магнием.

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

ТiС1₄ + 2Мg = Тi + 2МgС1₂

7. Вакуумная сепарация губки

Рафинирование (очистку) титановой губки проводят методом вакуумной дистилляции при 950°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.

8. Переработка титановой губки плавкой в электродуговых печах.

Переплавкой титановой губки в вакуумных электрических дуговых печах получают титановые слитки. 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.