Магниетермическое восстановление тетрахлорида титана

Восстановление четыреххлористого титана магнием относится к металлотермическому процессу и протекает сложно, ступенчато, через ряд стадий. В общем виде процесс можно представить реакцией:

TiCl₄ + 2Mg = Ti + 2MgCl₂

В промышленности применяются аппараты производительностью 5–7 тонн титана в виде губки за цикл восстановления длительностью 30—50 часов. Конструктивно аппараты несколько отличаются, но состоят из одних и тех же основных частей и узлов.

 

Рисунок 9 – Конструкция аппарата восстановления: 1-опора печи; 2-коллекторы подачи и отвода воздуха; 3-водоохлаждаемый фланец; 4-футеровка; 5-штуцер вакуумирования и подачи аргона; 6-узел заливки магния; 7-узел подачи TiCl4; 8-крышка реактора; 9-реторта; 10-контактные термопары; 11-нагреватели; 12- песочный затвор; 13-сливной узел; 14–ложное дно

Рисунок 10 - Схема процесса восстановления TiCl4 в промышленном реакторе

Реактор - это цилиндрическая реторта (рис. 9) высотой 2—3 м с фланцем и сферическим днищем из легированной хромоникелевой стали. Вогнутая крышка реактора служит для его герметизации с помощью специальных прокладок. Жидкий рафинированный магний из электролизного цеха доставляют в обогреваемых ковшах с нижним сливом, что надежно предохраняет Mg от контакта с воздухом в период загрузки. Скорость подачи TiCl₄ измеряют ротаметром, а общий расход - по изменению уровня в расходном баке. Запорное устройство узла слива хлористого магния находится внизу реторты. Для предотвращения попадания титановой губки в сливное устройство, устанавливают ложное дно. Подвод тепла в реактор необходим только для подогрева магния вначале. В процессе восстановления выделяется столько тепла, что его необходимо отводить, обдувая стенки реторты воздухом через коллекторы. Температура зоны реакции измеряется контактными термопарами.

В промышленных условиях восстановление ведется периодическим способом. Подготовка аппарата восстановления состоит из повторяющихся для каждого цикла операций.

1) Реторту закрывают крышкой, тщательно проверяют на герметичность и устанавливают в электропечь.

2) Проводят монтаж установки: подсоединяют линии вакуума, аргона, воздухо- и водоохлаждения, узлы загрузки магния и TiCl₄, сливного устройства, подсоединяют термопары и другие КИП.

3) Вакуумируют реактор и заполняют его очищенным и осушенным инертным газом аргоном. титан в нагретом состоянии активно взаимодействует с кислородом, азотом, углеродом, парами воды, поэтому процесс восстановления ведут в защитной атмосфере инертного газа – гелия или аргона; контакт TiCl₄ и расплавленного магния с воздухом недопустим как с точки зрения их загрязнения, так и по условиям охраны труда, поэтому обеспены условия их герметичной загрузки в аппарат;

4) Нагревают реактор до 700 °С.

5) Заливают расплавленный рафинированный магний с избытком 170% от теоретически необходимого количества, чтобы восстановление TiCl₄ прошло более полно.

6) Разогревают реторту с магнием до 800—850 °С.

7) Начинают подачу четыреххлористого титана и отключают нагрев реторты.

Сначала на поверхности жидкого магния (рис. 10) образуются отдельные кристаллы восстановленного титана, они срастаются и опускаются на дно. В центре реактора процесс протекает наиболее интенсивно, здесь наиболее высокая температура, потому что TiCl₄ подается в центр реактора. Постепенно твердые частицы титана спекаются в пористую массу, пропитанную магнием и хлористым магнием, губка срастается в блок и занимает все пространство реактора. Блок губки в центре—это мелкопористая, почти монолитная масса, а у стенок и на дне более рыхлая, слоистая и содержит железа значительно больше. Это происходит в результате диффузии железа из стенок реактора в титан. Скорость взаимодействия стали с Ti резко возрастает при температуре свыше 920 °С, титан буквально сплавляется со стенками реактора и этот сплав имеет температуру плавления 1085 ºС. Замер температуры производится контактными термопарами, плотно прижатыми к внешней стороне стенки реактора, а температура внутри на 20—30 °С выше. Поэтому температуру наружной стенки реактора 870—900 °С поддерживают за счет регулирования скорости подачи TiCl₄ и обдува воздухом.

Образующийся MgCl₂, имеющий б о льший удельный вес, чем магний, опускается на дно, поднимая тем самым уровень магния. На каждую единицу объема, занимаемого титаном, приходится 2,8 единицы объема магния и 10,4 единицы объема MgCl₂. Поэтому хлорид магния периодически сливают. По мере уплотнения губки, доступ магния в зону реакции затрудняется, и процесс постепенно замедляется. Плотность в центре блока губки больше в 1,5—2 раза, там образуется наибольшее количество титана и значительно меньше примесей.

По окончании процесса восстановления реторту охлаждают в печи до ≈ 500 °С, извлекают и передают на следующий передел. Титановая губка содержит  » 60% Ti, 30 % Mg и 10 % MgCl₂.

 

Задание 9. Изучить приведённый материал и ответить на вопросы

1. Почему контролируют и регулируют температуру процесса восстановления?

2. Зачем необходим аргон? 

3. Для чего монтируют ложное дно и узел слива?

4. Какие получены продукты в результате этого процесса?