Технология получения металлического титана магниетермическим способом

Титан высокой чистоты, используемый как конструкционный материал, получают по сложной многостадийной схеме переработки титановых концентратов. Первоначально концентрат подвергают электроплавке в рудовосстановительных печах единичной мощностью 10–15 МВ∙А (рис. 11.13) для получения передельного высокотитанистого шлака. Задаваемое с шихтой небольшое количество коксика обеспечивает восстановление оксидов железа из ильменитового расплава, поэтому содержание оксидов титана в пересчете на TiO₂ достигает 82–84%, а содержание FeO снижается до 3–4%. Шлак на выпуске имеет температуру 1700^оС. На второй стадии титановый шлак подвергают хлорированию газообразным хлором в присутствии углерода для получения тетрахлорида титана TiCl₄.

Рис. 11.12.Технологическая схема довосстановления жидких шлаков ферротитана: 1 – труба газоочистки; 2 – бункер шихты для выплавки ферротитана; 3 – бункер шихты для восстановления шлака; 4 – горн для выплавки ферротитана; 5 – изложница для металла и шлака;

6 – электропечь для восстановления шлака; 7 – выкатная ванна электропечи; 8 – копильник; 9 – шлаковня

Тетрахлорид титана TiCl₄ представляет бесцветную прозрачную жидкость, дымящую на воздухе. Температура плавления TiCl₄ минус 24,1^оС, температура кипения 136,3^оС, плотность 1,73 г/см³, теплота образования ∆Н = –804 кДж/моль.

Порошок шлака перед хлорированием брикетируют с углеродистым восстановителем. Хлорирование брикетов ведут в специальных реакторах – хлораторах, представляющих собой шахтную электропечь сопротивления. Углерод в составе брикетов восстанавливает титан, обеспечивает протекание реакций хлорирования при более низких температурах, что делает эти реакции термодинамически необратимыми:

TiO + C + 2Cl₂ = TiCl₄ + CO; ∆H = –355,22 кДж;

Ti₂O₃ + 3C + 4Cl₂ = 2TiCl₄ + 3CO; ∆H = –362,33 кДж;

TiO₂ + 2C + 2Cl₂ = TiCl₄ + 2CO; ∆H = –71,55 кДж.

Рис.11.13. Конструкция печи для выплавки титановых шлаков:

1 – труботечка для подачи шихты; 2 – система электроподвода; 3 – водоохлаждаемый свод; 4 – магнезитовая футеровка; 5 – кожух печи

Наряду с восстановлением и хлорированием титана протекают реакции взаимодействия хлора и с другими оксидами, что приводит к образованию хлоридов SiCl₄, FeCl₂, AlCl₃ и др. По изменению энергии Гиббса реакций хлорирования слагающие шлак оксиды располагаются в ряд FeO, K₂O, Na₂O, Y₂O₃, CaO, MnO, MgО, TiO₂, Fe₂O₃, SiO₂, Cr₂O₃ и Al₂O₃. Оксиды, стоящие до TiO₂, хлорируются полностью, Al₂O₃, SiO₂, Cr₂O₃ – в меньшей степени.

Отличительной особенностью хлоридов являются более низкие температуры их плавления и кипения, чем оксидов. Резкое различие физических свойств хлоридов позволяет разделить их обычной термической разгонкой с последующей фракционной конденсацией.

Металлический титан (губку) получают металлотерми-ческим процессом, восстанавливая титан из TiCl₄ магнием по экзотермической реакции:

TiCl_4(ж.п) + 2Mg_(ж.п) = Ti_(т) + 2MgCl_2(ж.п)

∆G = –558450 + 183,9Т, Дж/моль.

Для стандартных условий ∆H = –446,1 кДж и ∆G = –478 кДж/моль. Процесс проводят в атмосфере инертного газа. Технологическая схема процесса получения титановой губки приведена на рис. 11.14.

Рис. 11.14. Принципиальная технологическая схема металлотермического производства титана на основе четыреххлористого титана*

____________________

* Гармата В.А., Петрунько А.Н. и др. Титан. М.: Металлургия. – 1983. – 599с.

Получаемая на стадии восстановления TiCl₄ магнием в электропечи (рис. 11.15) при 930–950^оС реакционная масса после охлаждения представляет собой губчатый титан, поры которого заполнены магнием и MgCl₂. Ее состав 60% Ti, 20–30% Mg и 10–20% MgCl₂.

Рис. 11.15.Схема установки восстановления четыреххлористого титана:

1 – электропечь; 2 – канал для отвода горячего воздуха; 3 – фурма для подвода холодного воздуха; 4 – аппарат восстановления; 5 – нагреватели; 6 – сливная труба (В.А.Гармата, А.Н.Петрунько и др.)

Очистку губчатого титана от Mg и MgCl₂ можно вести вакуум-термическим и гидрометаллургическим методами. Целесообразность применения первого или второго метода определяется некоторыми факторами. Вакуум-термическая очистка губчатого титана от примесей основана на существенном различии в летучести магния, хлорида магния и металлического титана. Процессы рафинирования сопровождаются потреблением энергии и требуют постоянного подвода тепла. Титановую губку перерабатывают на компактный титан выплавкой слитков в вакуумно-дуговых печах.