Технологическая схема магниетермического способа производства титана

Титан - ценный конструкционный материал, если его получать экономичным промышленным способом.

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. 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.

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. Высокая активность титана и сильное влияние на его качество даже небольших содержаний примесей, обусловили применение особых технологических приёмов в процессе его производства. Но постоянно ведутся поиски новых, менее затратных способов получения титана.

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

В Канаде и Европе применяется способ Хантера, который подобен способу Кролла, но для восстановления титана вместо магния используют натрий, и способ называется натриетермический. Он технически более сложен, но процесс идёт при относительно невысокой температуре и титан в меньшей степени загрязняется примесями.

В 1950-х годах в СССР был разработан уникальный промышленный способ получения магния и титана на одном предприятии. Были построены 3 гигантских титано-магниевых комбината в Усть-Каменогорске (северный Казахстан), Березниках (Пермская область) и в Запорожье (Украина). Магний получали из карналлита и он в жидком виде сразу шёл на восстановление губки, газообразный анодный хлор - на хлорирование титановых шлаков, отработанный электролит из электролизёров – в расплавной хлоратор, а мелкодисперсный конденсат Мg и Мg возвращался в электролизное производство. Всё необходимое сырьё и материалы находились в одном месте, при этом исключались длительные транспортные перевозки и лишние энергетические затраты на переплав и разогрев исходного сырья.

Современный промышленный магниетермический процесс получения чистого титана – многостадийное, весьма сложное в аппаратурном оформлении производство, энергоёмкое и экологически довольно неблагополучное. Каждая стадия переработки титанового сырья представляет собой отдельное многоступенчатое производство со специфическими требованиями к технологии и оборудованию, охране труда и промышленной безопасности, в том числе и экологии. Но этот способ хорош тем, что в качестве сырья используются титановые концентраты, полученные переработкой железосодержащих минералов, которые очень распространены в России и запасы их очень велики.

В России титан получают магниетермическим способом по следующей технологии.

1. Обогащение железотитановых руд в 2 стадии с получением ильменитового концентрата и концентратов редких элементов, в зависимости от состава руд, до 8 – 10.

2. Выплавка титановых шлаков в рудотермических электродуговых печах.

Ильменитовый концентрат подвергают восстановительной плавке в смеси с углем. Задача плавки – восстановить оксиды железа, удалить их в виде чугуна и получить титановый шлак, содержащий окислы титана.

3. Хлорирование шлаков.

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

7. Вакуумная сепарация губки

Рафинирование (очистку) титановой губки проводят методом вакуумной дистилляции при 950°С, при этом Mg и MgCl₂ расплавляются, испаряются и выделяются в конденсаторе в твёрдом виде. Очищенную титановую губку измельчают, формируют товарные партии и направляют потребителям.

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.

Задание 3. Изучить приведённый материал и ответить на вопросы

1 Объяснить, почему титан долгое время не применяли как конструкционный материал.

2 В чём отличие способов Кролла и Хантера?

3 Какие особые требования к оборудованию при производстве титана?