Основні стадії переробки титану та титаномісної сировини

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Курсова робота містить сторінок, рисунків, таблиці.

Для виконання курсової роботи опрацьовано більше 7 наукових джерел.

Об'єкт дослідження: металургія титану.

Предмет дослідження: виробництво титану.

Мета роботи - проаналізувати основні стадії переробки титану та титанвмісної сировини, одержання титанової губки.

У першому розділі були розглянуті основні металургійні процеси спрямовані на виробництво титану.

У другому розділі представлений матеріальний баланс одержання титанових шлаків.

Конденсація, хлорування, процес кролла, титанові шлаки, тетрахлорид титану, вакуумна сепарація



Зміст

Вступ

1. Виробництво титану

1.1 Фізико-хімічні властивості титану. Історія відкриття титану

1.2 Характеристика мінералів, руд і концентратів титану

1.3 Способи переробки рудної сировини титану

1.4 Технологічна схема отримання губчатого титану за способом Кролла та її опис

1.5 Виплавка титанових шлаків

1.6 Виробництво тетрахлориду титану

1.7 Хлорування тетрахлориду титану

1.8 Конденсація і розподіл продуктів хлорування

1.9 Очищення технічного тетрахлориду титану

1.10 Магнієтермічне відновлення тетрахлориду титану

1.11 Вакуумна сепарація реакційної маси

1.12 Основні області застосування титану і сплавів на його основі

2. Розрахунок матеріального балансу

2.1 Розрахунок складу шихти для плавки

2.2 Зведений матеріальний баланс одержання титанистого шлаку

Висновки

Перелік використаної літератури

титан рудний хлорування



Вступ

Високі темпи розвитку техніки обумовлюють необхідність розширення застосування високоякісних конструкційних матеріалів з самими різними властивостями. З кожним роком збільшується кількість металів і сплавів, використовуваних при створенні нових механізмів, машин, приладів.

Серед металів, на основі яких розробляються сплави з підвищеними механічними і корозійними властивостями, здатними працювати в складних умовах, важливе місце належить титану.

Особливі механічні властивості, мала щільність, жароміцність, стійкість в агресивних середовищах дають цьому металу і сплавів на його основі незаперечну перевагу перед спеціальними сталями і легкими сплавами.

Титан завоював настільки міцне місце в техніці, що без нього вже не може розвиватися цілий ряд галузей, таких, наприклад, як ракетобудування, літакобудування, кораблебудування тощо. Важливе значення титан має для розвитку деяких галузей хімічної та металургійної промисловості. Удосконалення технологій, збільшення виробництва титану сприяє зниженню його вартості і розширення сфер вжитку.



1. Виробництво титану

1.1 Фізико-хімічні властивості титану. Історія відкриття

Титан був названий так на честь давньогрецьких персонажів Титанів. Назвав його так німецький хімік Мартін Клапрот за своїми особистими міркуваннями на відміну від французів які намагалися давати назви відповідно до хімічними особливостями елемента, але так як тоді властивості елемента були невідомі, було вибрано таку назву. Воно виявилося пророчим, оскільки по ряду найважливіших характеристик, і насамперед міцності, що припадає на одиницю маси (особливо при підвищених температурах), і хімічної стійкості по відношенню до багатьох агресивних середовищах цей метал дійсно є Титаном серед металів конструкційного призначення.

Титан є десятим елементом за кількістю його на нашій планеті. Кількість титану у земній корі рівно 0,57% за масою і 0,001 міліграм на 1 літр морської води. Родовища титану знаходяться на територіях: Південно-Африканської Республіки, України, Російської Федерації, Казахстану, Японії, Австралії, Індії, Цейлону, Бразилії та Південної Кореї.

За фізичними властивостями титан легкий сріблястий метал, крім того характерна висока в'язкість при механічній обробці і схильний до прилипання до ріжучого інструменту, тому використовують спеціальні мастила або напилення для усунення цього ефекту. При кімнатній температурі покривається пасиваційно. плівкою оксиду TiO2, завдяки цьому має стійкість до корозії в більшості агресивних середовищ, крім лугів. Титановий пил має властивість вибухати, при цьому температура спалаху дорівнює 400 ° С. Титанова стружка пожежонебезпечна.

Першовідкривачем титану вважається 28-річний англійський чернець Вільям Грегор. У 1790 р., проводячи мінералогічні вишукування у своєму приході, він звернув увагу на поширеність і незвичайні властивості чорного піску в долині Менакена на південному заході Британії та почав його досліджувати. У піску священик виявив крупинки чорного блискучого мінералу, притягуючогося звичайним магнітом. У 1940 р. Кролль запропонував магнієтермічеський спосіб вилучення титану з руд, що є основним і в даний час. У 1947 р. були випущені перші 45 кг технічно чистого титану.

У періодичній системі елементів Менделєєва Дмитра Івановича титан має порядковий номер 22. Атомна маса природного титану, обчислена за результатами досліджень його ізотопів, складає 47926. Природний титан складається із суміші п'яти стабільних ізотопів, найбільше широко представлений титан-48, його частка в природних рудах 73,99%. Титан та інші елементи підгрупи IV В дуже близькі за властивостями до елементів підгрупи III В (групи скандію), хоча і відрізняються від останніх здатністю виявляти велику валентність. Подібність титану зі скандієм, ітрієм, а також з елементами підгрупи V В - ванадієм і ніобієм виражається у тому, що в природних мінералах титан часто зустрічається разом з цими елементами. З одновалентними галогенами (фтором, бромом, хлором і йодом) він може утворювати ді- три- і, тетраз'єднаннями, з сіркою й елементами її групи (селеном, телуром) - моно- і дисульфіду, з киснем - оксиди, діоксиди і триоксиди.

Титан утворить також з'єднання з воднем (гідриди), азотом (нітриди), вуглецем (карбіди), фосфором (фосфіди), миш'яком (арсеніди), а також сполуки з багатьма металами - інтерметаліди. Утворює титан не тільки прості, але і численні комплексні з'єднання, відомо чимало його з'єднань з органічними речовинами. Як видно з переліку з'єднань, у яких може брати участь титан, він хімічно дуже активний. І в той же час титан є одним з деяких металів з винятково високою корозійною стійкістю: він практично вічний в атмосфері повітря, у холодній і киплячій воді, дуже стійок у морській воді, в розчинах багатьох солей, неорганічних і органічних кислотах. За своєю корозійної стійкості в морській воді він перевершує всі метали, за винятком благородних - золота, платини та інших, більшість видів нержавіючої сталі, нікелеві, мідні й інші сплави. У воді, у багатьох агресивних середовищах чистий титан не підданий корозії. Протистоїть титан і ерозійній корозії, що відбувається в результаті поєднання хімічного і механічного впливу на метал. У цьому відношенні він не поступається кращим маркам нержавіючих сталей, сплавів на основі купруму і інших конструкційних матеріалів. Добре протистоїть титан і втомної корозії, що виявляється часто у вигляді порушень цілісності і міцності металу. Поведінка титану в багатьох агресивних середовищах, у таких, як азотна, соляна, сірчана, «царська горілка» і інші кислоти і луги, викликає подив і захоплення цим металом.

Титан дуже тугоплавкий метал. Довгий час вважалося, що він плавиться при 1800 ° С, однак у середині 50-х роках англійські вчені Діардорф і Хейс встановили температуру плавлення для чистого елементарного титану. Вона склала 1668 ± 3 ° С. За своєю тугоплавкостю титан поступається лише таким металам, як вольфрам, тантал, ніобій, реній, молібден, платиноїди, цирконій, а серед основних конструкційних металів він коштує на першому місці. Найважливішою особливістю титану як металу є його унікальні фізико-хімічні властивості: низька щільність, висока міцність, твердість і інше.

Титан - легкий метал, його щільність при 0 ° С складає всього 4517 г/см3, а при 100 ° С - 4506 г/см3. Титан відноситься до групи металів з питомою масою менш 5 г/см3. Титан більш ніж у 1,5 рази важчий алюмінію, і в цьому він, звичайно, йому програє, але зате в 1,5 рази легше заліза (7,8 г/см3). Однак, займаючи по питомій щільності проміжне положення між алюмінієм і залізом, титан по своїм механічним властивостям у багато разів їх перевершує. Титан має значну твердість: він у 12 разів твердіше алюмінію, у 4 рази - залоза і купрума.. Межа текучості в титану майже в 18 разів вище, ніж в алюмінію. Питома міцність сплавів титану може бути підвищена в 1,5-2 рази. Його високі механічні властивості добре зберігаються при температурах аж до кількох сотень градусів. Чистий титан придатний для будь-яких видів обробки в гарячому і холодному стані: його можна кувати, як залізо, витягати і навіть робити з нього дріт, прокатувати в листи, стрічки, у фольгу товщиною до 0,01 мм.

Титан - парамагнітний метал, він не намагнічується, як залізо, у магнітному полі, але і не виштовхується з нього, як мідь. Його магнітна сприйнятливість дуже слабка, ця властивість можна використовувати при будівництві. Титан має порівняно низьку теплопровідність, всього 22,07 Вт / (мК), що приблизно в 3 рази нижче теплопровідності заліза, у 7 разів-магнію, у 17-20 разів - алюмінію і купруму.

В даний час властивості титану і сплавів на його основі добре вивчені, що дозволило визначити основні напрямки його ефективного використання в сучасній науці і техніці. Провідна роль у цьому належить радянським вченим і фахівцям. Перш за все це відноситься до циклу робіт, виконаних під керівництвом С. І. Глазунова і А. Т. Туманова, А. І. Бєлова, В. І. Добаткіна і Н. Ф. Аношкіна, в Інституті металургії імені А. А. Байкова АН СРСР під керівництвом Н. В. Агєєва, Є. М. Савицького та І. І. Корнілова, в АН УРСР під керівництвом В. І. Єременко, в Гіредмет під керівництвом Н. П. Сажина, у Державному науково-дослідницькому і проектному інституті титану (м.Запоріжжя), а також в інших організаціях.

1.2 Характеристика мінералів, руд і концентратів титану

У земній корі відомо 70 природних сполук (мінералів) титану. Усе це сполуки титану та інших хімічних елементів з киснем. З числа цих мінералів найбільш цінними в поширеними є: ільменіт, лейкоксен, рутил, перовскіт та сфен.

Ільменіт - це з'єднання окису заліза і двоокису титану, його хімічна формула FeTiO3. Вперше ільменіт був знайдений в Ільменських горах на Уралі, від яких він і отримав свою назву. Ільменіт зустрічається у вигляді невеликих плоских непрозорих кристалів і ущільнених зерен чорного кольору з блакитним відтінком і напівметалевим блиском. Твердість ільменіту 5 ... 6, ніж не залишає на ньому подряпин, питома вага 4,7.

Магнітність ільменіту висока, чим він і відрізняєся від інших чорних мінералів, крім магнетиту, який більш магнітний, ніж ільменіт. Якщо намагнітити голку, то зерна магнетиту будуть не тільки притягатися, але і збиратися в ланцюжки. Ільменіт такий голкою збиратися в ланцюжки не буде. Магнетит від ільменіту відрізняється також і формою зерен, він утворює рівносторонні восьмигранні кристали (октаедри).

При жаркому і вологому кліматі ільменіт окислюється, що міститься в ньому окис заліза (FeO) переходить в окис заліза (Fe2O3) і поступово водою виноситься з мінералу. При цьому забарвлення, магнітність і питома вага ільменіту змінюються. Втрачаючи залізо, він стає менш магнітним і легшим. Колір його переходить від чорного через всі відтінки коричневого до жовтого.

На шорсткій поверхні порцеляни (на уламку тарілки та інше.) неокислений ільменіт залишає чорну риску, у окислених його різниць колір риси коричневий до жовто-бурого, іноді з червонуватим відтінком. За кольором риси ільменіт відрізняється від іншого, схожого на нього мінералу заліза - гематиту, що володіє яскравим вишнево-червоним кольором риси.

Лейкоксен утворюється в результаті повного окислення ільменіту, коли з нього майже повністю видаляється залізо і він перетворюється на мікропористий агрегат двоокису титану, в якому міститься невелика змінна кількість вологи. Колір лейкоксена буро-жовтий до ватно-білого, питома вага 3,8 ... 3,0. Він немагнітий і непрозорий. Форма зерен лейкоксена зазвичай неправильна, іноді округла.

Лейкоксен утворюється не тільки при окисленні, вивітрюванні ільменіту, а й деяких інших мінералів титану, наприклад титаніту (CaSiTiO5). Якщо лейкоксен утворений по ільменіту, то в ньому залишається деяка кількість окису заліза, якщо ж він утворений по тітаніту, то в ньому залишається деяка кількість кремнезему (SiO2).

Рутил є найбільш поширеною природною різницею кристалічного двоокису титану; є ще дві її менш поширені в природі різниці - анатаз і брукит, що відрізняються кольором, формою кристалів і фізичними властивостями.

Анатаз має сірувато-блакитний колір, брукит - бурий; рутил має забарвлення від світло-помаранчевої до темно-червоної, іноді чорним і характерним дуже яскравим так званим алмазним блиском. Колір мінералу обумовлений присутністю в ньому незначної кількості окису заліза. Назва мінералу походить від латинського слова «рутілус», що означає «червонуватий».

Кристалики рутилу мають призматичну стовбчату або голчату форму і нерідко утворюють колінчаті зрощення, здебільшого вони прозорі або напівпрозорі.

На гранях кристалів рутилу можна часто бачити поздовжню штрихування. Твердість рутилу 6, він залишає подряпини на склі. Питома вага його 4,2 - 4,3, а у чорної різності до 5,2. Рутил немагнітний, чим він відрізняється від інших схожих на нього помаранчевих і червоних мінералів, крім мінералу піропу, який також немагнітний. Темно-червоний піроп відрізняється від рутилу за формою кристалів, які у рутилу витягнуті, призматичні, а у піропу рівносторонні восьмигранники (октаедри).

Перовскіт - титанат кальцію СаО-ТіО2 (58,7% ТіО2). Часто містить домішки ніобію, ітрію, марганцю, магнію. Щільність 3,95-4,04 г/см3. Колір чорний, червоно-бурий.

Великі родовища знайдені в колишньому СРСР на Кольському півострові. У перспективі може стати важливим джерелом отримання титану.

Сфен або титаніт - титаносилікат кальцію СаО-ТіО2-SiO2 (38,8% ТіО2). Колір жовтий, щільність 3,4-3,56 г/см3. Родовища знайдені в багатьох районах колишнього СРСР, відомі в США, Канаді та Мадагаскарі. Може служити титановим сировиною при комплексній видобутку з іншими рудами (апатитом і нефіліном).

Мінералів титану в розсипах часто супроводжують мінерали циркон і монацит.

Титановою рудою називається така гірська порода, з якої шляхом її переробки на збагачувальних фабриках можна витягти значну кількість концентрату ільменіту (FeTiO3), або мінералів, що представляють двоокис титану, тобто лейкоксена, рутилу, анатазу і бурить, або ж шляхом доменної плавки отримати поряд з чавуном багатий титаном шлак. Такий шлак є сировиною для виробництва титанових білил і металевого титану. Щоб це виробництво було економічно вигідним, треба, щоб двоокис титану в цьому шлаку переважала над іншими його хімічними компонентами.

Руди титану поділяються за умовами їх залягання в земній корі на корінні і розсипні. Корінні руди титану залягають серед щільних порід і самі є щільними. Корінні руди можуть бути ільменітовими або рутиловими. У ільменітових корінних рудах, крім ільменіту, зазвичай є магнетит, який містить цінний хімічний елемент ванадій (V), а іноді і мідь (у мінералі халькопіриті) або мінерал фосфору - апатит, що використовується для виробництва добрив. При переробці таких руд на збагачувальних фабриках з них отримують концентрати ільменіту, ванадістого магнетиту і апатиту. Ванадістий магнетит використовується для виплавки спеціальних ванадістих чавунів, з яких у свою чергу витягають ванадій.

Збагачення таких руд на фабриках здійснюється шляхом подрібнення, при якому вивільняються кристалики наявних у ній корисних мінералів (ільменіту, магнетиту, апатиту). Потім за допомогою спеціальної апаратури (магнітних сепараторів, флотаційних машин та інші) Вони витягуються

Перша вимога, пред'явлена до ільменітових корінних руд, полягає в тому, щоб ільменіт в них містився в кристаликах таких розмірів, які дають можливість вивільнити їх при дробленні, а потім і відокремити від інших мінералів. Сучасні способи збагачення дозволяють виділити кристалики мінералу розміром більше 0,05 мм.

До залізних руд, багатим титаном, що йде прямо в доменну плавку і не потребують збагаченні, це вимога, звичайно, не пред'являється.

Друга вимога до руди визначає мінімальний вміст в ній ільменіту, при якому одержувані його концентрати можуть окупити витрати на видобуток руди з надр і її збагачення на фабриці. Ця вимога зазвичай виражається не в змісті самого ільменіту, а в змісті наявної в ньому двоокису титану.

Величина мінімального промислового вмісту в руді двоокису титану визначається залежно від труднощі видобутку і збагачення руди, наявності в ній інших видобутих корисних мінералів і від інших факторів, які можуть впливати на собівартість концентрату ільменіту, підвищуючи її або знижуючи.

Якщо руда не вимагає збагачення, то мінімальне промислове вміст у ній двоокису титану визначається тільки вартістю її видобутку і наявністю інших корисних копалин компонентів, цінність яких поряд з цінністю ільменіту буде окупати витрати на видобуток.

У рутилових корінних рудах рутил зазвичай є єдиним корисним мінералом, причому рутилові руди завжди вимагають збагачення для вилучення рутилу. Вимоги до цих рудам, як і до ільменітовим, слагаютсяіз умови ізвлекаемості рутилу при збагаченні та умови наявності в руді такої кількості рутилу, яке окупало б видобуток руди та її збагачення.

Россипні руди титану являють собою кварцовий пісок (кварц один з найпоширеніших мінералів з хімічною формулою SiO2), у якому є багато зерен ільменіту, лейкоксена або рутилу. Пісок залягає серед пухких порід

Відомі россипні руди титану, у яких корисним компонентом є тільки ільменіт, однак у більшості випадків у такій руді поряд з ільменітом є деяка кількість лейкоксена, рутилу, а також нетитанових корисних мінералів - найчастіше циркону й монациту. Таким чином, розсипні руди в більшості випадків є комплексними

Мінеральні зерна в піску відособлені, і розсипні руди при збагаченні не мають потреби в дробленні. До цих руд пред'являється тільки вимога наявності мінімального змісту в них корисних мінералів, останнє виміряється в кілограмах на кубічний метр піску (кг/м3).

Вигідно приводити змісту різних корисних мінералів комплексних розсипів до єдиного знаменника. Таким єдиним мірилом служить вартість ільменіту В цьому випадку зміст рутилу, лейкоксена, циркону й інших корисних мінералів у руді виражають через еквівалентне їм за вартістю зміст ільменіту. Це так званий «умовний» зміст ільменіту, що відбиває сумарну цінність всіх корисних мінералів у руді розсипу.

1.3 Переробка рудної сировини

Промислові способи отримання титану і його основних з'єднань базуються на використанні як вихідної сировини титанових концентратів, що містять не менше 92-94% TiO2 в рутилових концентратах, 52-65% TiO2 в ільменітових концентратах з розсипів і 42-47% TiO2 в ільменітових концентратах з корінних родовищ.

У Росії ільменітові концентрати використовуються головним чином в якості сировини для випуску діоксиду титану та металу, а також виплавки феросплавів та карбідів, а рутилові - для виробництва обмазки зварювальних електродів.

Близько 50% світового виробництва титанових концентратів базується на переробці руд розсипних родовищ і 50% - на переробці руд корінних родовищ.

Збагачення руд всіх розсипних і більшої частини руд корінних родовищ здійснюються з використанням на початку процесу найбільш простого і дешевого гравітаційного способу. При збагаченні складних корінних руд іноді використовують флотацію, що, зокрема, відноситься до переробки руд родовища титаномагнетиків Телнес в Норвегії.

Процес нефлотаціонного збагачення, як правило, здійснюється у дві стадії. Перша стадія полягає в первинному гравітаційному збагаченні, при якому виходить чорновий колективний концентрат. Друга стадія полягає в селекції (доведенні) вказаної колективного концентрату методами магнітної та електричної сепарації з отриманням індивідуальних рутилового, ільменітового, цирконієвого, монацитового, дистенсіліманітового, ставролітового та інших концентратів.

У процесах первинного збагачення широке застосування отримали вдосконалені гідроциклони, багатоярусні конічні і багатосекційні гвинтові сепаратори і меншою мірою концентраційні столи та інше сепараційне обладнання.

Доведення чорнових колективних концентратів заснована на використанні в різному поєднанні електромагнітної і електростатичної сепарації. Найбільшою магнітною сприйнятливістю серед входять до складу колективних концентратів мінералів володіє ільменіт і наступний за ним монацит, в той час як рутил і циркон немагнітних.

Селекція входять до складу колективних концентратів немагнітних мінералів заснована на використанні різної їх електричної провідності, в міру спадання якої зазначені мінерали розташовуються в наступний ряд:

Таким чином, якщо в колективному концентраті переважають рутил, циркон і алюмосилікати, то процес доведення починається зазвичай з переділу електростатичної сепарації. Якщо ж у колективному концентраті переважає ільменіт, то технологічний процес доведення починається з переділу магнітної сепарації.

При доведенні чорнових колективних концентратів широко застосовується гвинтові сепаратори, пластинчасті і роликові магнітні сепаратори мокрого та сухого дії з високою напруженістю магнітного поля, магнітні сепаратори з перехресними стрічками, а також пневматичні і мокрі концентраційні столи та інше обладнання.

Останнім часом для підвищення вилучення мінералів з вихідної сировини все частіше використовується так званий процес відтирки, що полягає в обробці колективного концентрату розчинами лугу або слабкою плавикової кислоти при інтенсивному перемішуванні. При цьому з поверхні мінералів, зокрема рутилу і циркону, видаляються залізисті і глинисті плівки, що ускладнюють селекцію матеріалів.

1.4 Технологічна схема отримання губчатого титану за способом Кролла та її опис

Процес Кролла в даний час є найбільш поширеною комерційною технологією виробництва титанової губки, а також стандартом для порівняння з новими технологіями. Це єдина технологія, по якій проводиться титан в Україні. Процес Кролла грунтується на відновленні тетрахлориду титану розплавленим магнієм в герметичній нержавіючої реторті, заповненої аргоном і нагрітої до температури 800 ... 900 ° С. Надлишок магнію становить 35 ... 40%, він необхідний для максимально повного відновлення тетрахлориду титану. Хоча більша частина хлориду магнію (частково з магнієм) зливається під час процесу, на момент завершення відновлення губка містить у своїх порах залишковий магній і його хлорид. Щоб витягти магній і хлорид магнію з пор губки, проводять вакуумну сепарацію (або вилуговування). При такій технології частина губки забруднюється під час контакту зі стінками реактора. (((((Парфенов)))))

Технологічна схема виробництва титану губчастого включає такі основні переділи отримання титанового шлаку методом плавки ільменітового концентрату в рудно-термічної печі (РТП); отримання титанвмісної шихти; отримання тетрахлорида титану технічного; ректифікаційна очистка тетрахлориду титану технічного; відновлення титану з тетрахлориду титану магнієм; вакуумна сепарація; переробка блоків титану губчастого.

Основні реакції відновлення чотирьох хлористого титану:

Ѕ TiCl4 + Mg = ЅTi + MgCl2

2TiCl4 + Mg = 2TiCl3 + MgCl2

TiCl4 + Mg = TiCl2 + MgCl2

2TiCl3 + Mg = 2TiCl2 + MgCl2

2/3 TiCl3 + Mg = 2/3 Ti + MgCl2

TiCl4 + Mg = TiCl3 + MgCl

Відновлення ТіСl4 магнієм супроводжується виділенням великої кількості тепла, яке необхідно відвести від реакційної зони. Звідси виникає необхідність спрямованої примусової системи охолодження реактора. Разом з тим, нереакційні зони повинні бути нагріті: нижня частина реактора до температури, що забезпечує підтримку хлориду магнію в рідкому стані, тобто вище 720 °С, а верхня частина (кришка) - до температури, запобігає конденсацію магнію і нижчих хлоридів титану. Для цієї мети використовують електропіч.

Фізико-хімічні властивості ТіС14 такі, що його порівняно легко подавати безперервно в реактор по трубопроводах при звичайній температурі, тоді як магній технічно найбільш просто завантажувати великими порціями в рідкому вигляді перед початком реакції. Висока хімічна активність титану, магнію та ТіС14, особливо, при підвищених температурах, змушує створювати для них інертну атмосферу і герметичні судини, проводити всі завантажувально-розвантажувальні операції в реакторі з пересторогами, запобігають забрудненню цих речовин. Герметичність самого реактора забезпечується мінімальною кількістю вакуум-щільних зварних швів на корпусі і надійним фланцевим гумовим ущільненням кришки. У зв'язку з застосуванням гуми, фланці мають водяне охолодження.

Технологічний процес відновлення полягає в преривистій або безперервної подачі ТіСl4 з постійною або змінною швидкістю на дзеркало розплавленого магнію. Відповідно до раз-особистими точками зору на механізм процесу запропоновані і реалізовані різні види програм подачі ТіСl4,

В даний час в промисловості застосовують апарати продуктивність 3-5 т і більше титану за цикл. Конструктивно апарати трохи різняться, але всі вони повинні складатися з одних і тих же основних частин і вузлів: печі, реактора (або реторти), вузла введення тетрахлориду титану, вузла введення магнію, вузла зливу хлориду магнію, приладів контролю і регулювання процесу.

Параметри для визначення оптимальних розмірів реакторів та їх циклової продуктивності вивчені недостатньо. Загалом розміри реактора визначають, виходячи їх технічних можливостей застосовуваних матеріалів, з урахуванням потрібних масштабів виробництва титану та економіки виробництва.

Виробничий процес складається з окремих операцій, періодично повторюваних для кожного циклу. Закриту кришкою і перевірену на герметичність реторту встановлюють у розігріту піч, відкачують і заповнюють аргоном. До реторти під'єднують вузол живлення тетрахлоридом титану і вузол управління зливом хлориду магнію. Після заливки магнію і розігрівається до 800-850 0С в реторту подають тетрахлорид титану.

По закінченні процесу відновлення реторту охолоджують, вилучають з печі і передають на наступний переділ, де отриманий губчатий титан відокремлюють від залишків магнію і хлориду магнію методом вакуумної сепарації.

Взаємодія тетрахлорида титану з магнієм починається при 300 ° С, але при цій температурі реакція протікає з невеликою швидкістю. Прийнятною для промислових умов є така швидкість початку процеса, яка розвивається при температурах > 800 ° С. При таких температурах магній і утворений хлорид магнію протягом всього процесу знаходяться в рідкому стані, у цьому випадку можливе розділення цих речовин і нормальне проведення процесу. Якщо магній залитий в реактор при температурі <800 ° С, то перед початком процесу відновлення необхідно вводити в реактор тепло. Протягом процесу на 1 кг одержуваного титану виділяється -687 МДж тепла. Тепло необхідно відводити, інакше температура в реакторі буде швидко зростати.

У зв'язку з викладеним процес ведуть при строго визначенній температурі стінки реактора.

Реакція відновлення протікає із зменшенням об'єму, так як тетрахлорид титану знаходиться в газоподібному стані, а продукти реакції - у твердому і рідкому. Отже, підвищення загального тиску має сприяти збільшенню швидкості процесу. При нормальному веденні процес протікає досить швидко і в тому випадку, якщо загальний тиск в реакторі нижче атмосферного. Однак з пониженням тиску починається інтенсивне випаровування магнію і хлоридів титану, які можуть конденсуватися в холодних зонах реактора, неминучих при існуючому конструктивному оформленні. Тиск вище атмосферного слід підтримувати і для того, щоб виключити підсоси повітря в реактор.

У зв'язку з тим, що реакція ТіСl4 з магнієм протікає ступінчасто, дифузійні процеси відіграють велику роль у її завершенні і отриманні кінцевого продукту. Проведення процесу у великій ванні розплаву, в якій встигають довідновлюватися нижчі хлориди титану, сприяє протіканню реакції до кінця, металевий титан виходить з майже стехіометричним виходом. Звідси випливають переваги періодичного способу, реалізованого на практиці.

Механізм формування блоку реакційної маси в промисловому реакторі можна представити таким чином (рис. 7.2). У перший період титанова губка утворюється в основному на поверхні розплаву і опускається на дно разом з хлоридом магнію. Утворюючись на поверхні, губка «вбирає» в себе і магній, і хлорид магнію, конденсується внаслідок інтенсивного відводу тепла губкою в розплав. Тепло конденсації витрачається на випаровування магнію. В наслідку нестачі відновника, який може виникнути починаючи з певного періоду процесу, губка «вбирає» і дихлорид ти ¬ тана, що розчиняється в хлориді магнію. Дихлорид титану може утворюватися в результаті вторинної реакції тетрахлориду титану з вже наявним в реакторі титаном. Потрапляючи під верхні шари реакційної маси, губка зустрічає потік магнію, спрямований в зону реакції. Магній відновлює дихлорид титану і витісняє хлорид магнію з дрібних пір губки. Це підтверджується співвідношенням кількості магнію і хлориду магнію: у верхній зоні воно становить 2:1, в середній 4:1, в нижній 10:1. Таким шляхом формується дрібнопориста губка. Незважаючи на наявність дрібних пір, реакційна маса із середньої зони сепарується швидше, ніж з верхньої зони. Дрібні пори в середній зоні заповнені в основному магнієм, а у верхній зоні - хлоридом магнію.

Рис. 1Схема процесу відновлення тетрахлориду титану в промисловому реакторі

За мірою ущільнення губки в результаті вторичної реакції доступ магнію в зону реакції ускладнюється, і процес поступово уповільнюєся, переходячи в другу стадію. Крім того, на затухання впливає ще й та обставина, що до кінця процесу майже весь магній знаходиться в порах губки і утримується в них силами змочування.

Блок губки займає майже всі перерізи реактора (рис. 7.3, а). У центрі - це монолітна маса, у стінок - більш рихла, шарувата. Це означає, що процес протікає не тільки в центрі, а по всьому перерізі. Периферійні зони блоку формуються за тією ж схемою, що і центральні, тільки магнію сюди надходить зазвичай менше. У цих зонах розташовані основні русла, по яких стікає хлорид магнію. Під час проведення деяких зливів структура блоку пошкоджується Внаслідок цього на периферії утворюються також русла, по яким магній інтенсивно надходить до поверхні губки. Таке положення підтверджується різким підвищенням температури в окремих місцях периферійної зони в іншій стадії процесу.

Рисунок 2 Магнієтермічний губчатий титан: а - блок, вилучений з реактору; б - шматок горні сажної губки; в, г - мікроструктура губчатого титану під растровим електронним мікроскопом

Розглянутий процес є напівбезперервним, точніше - періодичного-безперервним, циклічним. Про його життєздатності свідчать наступні позитивні фактори.

1. Порівняльна простота конструктивного оформлення.

2. Можливість попереднього рафінування магнію до початку процесу в тому ж реакторі.

3. Можливість відділення основною кількості хлориду магнію перед подальшим процесом - вакуумній сепарацією.

4. Прийнятна продуктивність, яка може надалі зростати.

5. Хороше поєднання процесів відновлення і вакуумної сепарації здійснюваних в одній реторті.

6. Високий вихід металевого титану, що наближається до стихіометричного.

Апарат відновлення (реактор) є основним технологічним обладнанням переділу. Він конструктивно тісно по в'язаний з подальшим переділом - вакуумною сепарацією, оскільки в магнієтермічному процесі по черзі виконує роль реактора (в процесі відновлення), муфеля і конденсатора (у процесі вакуумної сепарації).

Рисунок 3 Схема апарату відновлення, розміщеного в пічі: 1 - опора печі; 2 - колектори подачі і відведення повітря; 3 - водоохолджуване фланцеве з'єднання; 4 - футеровка печі; 5 - штуцер вакуумування та подачі аргону; 6 - вузол заливки магнію ; 7 - вузол подачі ТіС14; 8 - кришка реактора; 9 - реторта; 10 - контактні термометри; 11 - нагрівачі; 12 - пісочний затвор; 13 - шток зливного пристосування; 14 - помилкове днище

На рисунку 7.4 схематично показано пристрій апарату відновлення.

Реактор - це циліндрична сталева реторта з фланцем і сферичним днищем, У такому виконанні конструкція стійка, тихнологічна у виготовленні, зручна в експлуатації. Легована сталь, з якої зазвичай виготовляють реторти, необхідна головним чином для зменшення окислення зовнішніх стінок реактора, кото ¬ риє тривалий час контактують з повітрям при високих температурах. Крім того, дещо знижується небезпека забруднення титану залізом. Застосування хромонікелевих сталей забезпечити кількість отримання високоякісного металу і досить довгу службу реактора.

Матеріал реактора повинен мати гарну зварюваність, зварні шви - стійкістю в зазначених умовах.

Опора (підвіска) розігрітого реактора на водоохолоджуваний фланепь в печах і при транспортуванні викликає згинальний момент, який передається на нагрітий пояс оболонки. Виникаючі при цьому деформації залежать від градієнта температури, який знаходиться в прямій залежності від товщини оболонки. Отже, збільшення товщіни стінок в даному випадку погіршує накопичення деформацій і не призводить до істотного збільшення довговічності реторти.

Кришка служить і основному для герметизації реактора. Крім того, вона виконує роль теплового екрана при нагріванні реактора і теп-відводячого елемента при протіканні реакції. Герметизація з `єднання кришки з реактором здійснюється за допомогою гумовової прокладки, затиснутою між водоохолоджуваними фланцями кришки і реактора. У реакторі небажано мати зони з низькою температурій, а за наявності водоохолоджуючих фланців вони неминучі.

Вузол завантаження магнію. Магній може бути завантажений в реактор у рідкому або твердому стані. В останньому випадку він завантажується в холодну реторту у вигляді чушок з ретельно очищеної поверхнею. Рідкий магній завантажують в реактор тоді, коли він знаходиться в печі і розігрітий.. На рис. 7.5 показаний один з можливих варіантів приєднання тигля з рідким магнієм до реактора в період заливки. Така конструкція надійно охороняє магній від контакту з повітрям у період завантаження.

Вузол подачі тетрахлорида титану. Це вертикальна або нахилена труба, що розташовується зазвичай в центральній частині кришки реактора. Для розбризкування тетрахлорида титану, поступає в реактор, і запобігання заростання живильної труби застосовують різні пристосування.

Вузол зливу хлориду магнію. Конструктивне оформлення зливного пристосування залежить від особливостей конструкції реактора. На ¬ значення пристосування - надійно перекрити отвір, через ко ¬ лось хлорид магнію зливають з реактора. Зазвичай пристосування знімне, оскільки отвір в днищі реторти необхідно герметизувати перед проведенням вакуумної сепарації. Механічне запірне пристосування складається з сталевого штока з кулястою головкою і конусного гнізда в днищі реторти.

Піч. Підведення тепла в реактор необхідний тільки для підігріву магнію в разі, якщо він завантажений при температурі, недостатньо високою для початку процесу (750-850 ° С), і дія підігріву зливного пристосування. Прогрів-якої із зон реактора в період проведення реакції потрібно тільки при ненормальному ході процесу або невдалої конструкції апарату. Проте піч є невід'ємною частиною апарату відновлення і разом з ним відноситься до основного технологічного устаткування переділу.



Рисунок 4 Пристрій для завантаження розплавленого магнію в реактор 1 - термопара; 2 - управління штоком;3 - шток; 4 і 13 - штуцери подачі аргону; 5 - контактний рівнемір; 6 - патрубок: завантаження магнію; 7 - тигель; 8 - футеровка: 9 - склянка; 10 - запірна голка; 11 - зливна труба; 12 - теплоізоляція; 14 - пружинний компенсатор; 15 фланцеве з'єднання; 16 - засувка;7- кришка реактора

Пічний цикл послідовно складається з наступних операцій:

Установки реактора в печі і монтажу (приєднання лінії аргону, харчування тетрахлорид титану, водоохолодження, монтажу зливного пристосування).

1. Заливки магнію.

2. Розігріву до температури початку процесу.!,

3. Процесу відновлення.

4. Охолодження печі.

5. Демонтажу та вилучення реактора з печі.

Всі операції, крім власне відновлення (період подання тетрахлорида титану), називаються допоміжними.

Годинна продуктивність апарату (по пічному циклу), залежить від циклового знімання (що визначається завантаженням магнію і коефіцієнтом його використання), швидкості процесу (годинної витрати тетрахлориду титану) і тривалості допоміжних операцій.

Істотне збільшення годинної продуктивності може бути досягнуто шляхом підвищення швидкості процесу (тривалість ¬ ність власне процесу становить 60-80% від тривалості всього циклу), скороченні тривалості ряду операцій (загрузки рідкого магнію замість твердого, удосконалення зливного пристосування і вузлів живлення магнієм і тетрахлорид титану). Зменшення тривалості охолодження після проведення процесу дозволяє зменшити і тривалість циклу сепарації.

При збільшенні геометричних розмірів апарату збільшується і його циклової з'їм; тривалість циклу також збільшується, але не пропорційно розмірам апарату, а в меншій мірі. Це дає можливість трохи підвищити годинну продуктивність.

З усіх параметрів відновлення найбільший вплив на якість створюваної титанової губки надає швидкість пропесса. При швидкості вище певного значення утворюється губка зі структурою, неблагоприйнятним для вакуумного сепарації. Однак такий вплив позначаючись ¬ ється тільки наприкінці процесу, тому спочатку процес можна вести з високою швидкістю.

Виробництво губчастого титану магнієтермічеський методом яаляется маловідходних. Відходи металевого титану практично повністю використовуються при виробництві титану марки ТГ-ТВ, що направляється в чорну металургію.

Внаслідок недосконалості конструктивного оформлення в апаратах відновлення та вакуумної сепарації існують холодні зони, де осідають магній і хлорид магнію, утворюючи щільні і міцні конденсати. Ці осади збирають і переплавляють з метою добування металевого магнію. Хлорид магнію при цьому сильно забруднюється оксидами і далі його переробляють як шлам.

1.5 Виплавка титанових шлаків

Розглянемо виплавку титанових шлаків на прикладі ільменіту. Високий вміст заліза (40-48% FеО + Fе2О3) ускладнює отримання хлориду титану з ільменіту. При прямому хлоруванні концентрату на освіту хлориду заліза витрачається багато хлору, регенерація якого з хлорного заліза ускладнена.

Для відділення заліза проводять відновну плавку ільменіту з отриманням чавуну і титанового шлаку (80-87% ТiO2). Поділ титану і заліза в цьому процесі грунтується на великому розходженні спорідненості до кисню у заліза і титану.

Відновну плавку ведуть в трифазних електродугових печах, подібних вживаним у виробництві феросплавів, потужністю 5-20 МВт (рис. 40). Ванна печі футерована магнезитовими вогнетривами. Для захисту футеровки стін від швидкого роз'їдання шлаком на них попередньо нарощують гарнісаж - шар застиглого тугоплавкого шлаку.



Рисунок 6 Схема електродугової печі потужністю 5 МВт для виплавки титанових шлаків: 1 - кожух, 2 - футеровка (магнезитовий цегла), 3 - електроди, 4 - струмопідвідні щоки, 5 - водоохолоджуваний звід, 5 - вентиляційна труба; 7 - бункера з шихтою; 8 - система підвіски і перепуску електродів; 9 - труботічки для подачі шихти; 10 - гарнісаж; 11 - шлак, 12 - льотка, 13 - чавун

Для захисту подини від роз'їдання на ній постійно підтримують високий шар чавуну (~ 0,5 м). Внутрішні розміри плавильного простору печі: діаметр 4,55 м, глибина ванни 2175 м.

Охолоджуваний свід печі - знімний. Герметизація печі здійснюється за допомогою піщаного затвора між основою зводу і кожухом печі. Через отвори в зведенні у ванну вводять закріплені в електродотримачами три графітованих електрода (діаметром 0,5 м), пов'язані з системою їх перепуску. Перепуск електродів приводиться в дію в міру їх вигоряння при відключеній печі на висоту приблизно 100-150 мм.

Плавку ведуть з закритим колошником, тобто з дугами, закритими шихтою (електроди глибоко занурені в шихту). Шихту (концентрат в суміші з коксом) з бункерів по труботічкам завантажують біля електродів і між ними. Плавку ведуть на порошковою або брикетованої шихті. Застосовують також комбіновану шихту з суміші брикетів і порошкової шихти.

При відновленні ільменіту в різних температурних інтервалах протікають такі реакції: приблизно до 1240 ° С:

FeO · TiO2 + C = Fe + TiO2 + CO,

3TiO2 + C = Ti3O5 + CO;

при температурі 1270-1400:

2Ti3O5 + C = 3 Ti2O3 + CO;

при температурі 1400-1600:

Ti2O3 + C = 2TiO + CO.

У процесі плавки утворюються складні сполуки, що кристалізуються при затвердінні шлаку. Головне з них - аносовіт, в основі якого проміжний оксид Тi3O5. Склад аносовіта можна представити загальною формулою:

M[(Mg, Fe, Ti)O · 2TiO2] · n[(Al, Fe, Ti)2O3 · TiO2].

У аносовіті титан знаходиться в станах окислення Тi4+, Тi3+, Тi2+. Крім аносовіта, а також деяких інших складних з'єднань в шлаках може бути присутнім оксікарбонітрід Тi (С, О, N), який являє собою тверді розчини TiС, ТiO і ТiN, що володіють однотипної крис ¬ металевою решіткою. Оксікарбонітрід утворюється при тем ¬ температурах вище 1600 ° С.

Нижчі оксиди і особливо оксікарбонітрід підвищують температуру плавлення і в'язкість шлаків. Ці параметри можна знизити добавками флюсів (СаО, МgO, А12O3). Однак прагнуть проводити безфлюсову плавку для отримання більш багатих на ТiO2 шлаків. Режим плавки включає завантаження шихти, набір електронавантаження до максимуму, отримання первинного шлаку, його доведення, відстій і перегрів, випуск шлаку і чавуну. Кількість вуглецю в шихті розраховують так, щоб отримувати шлак з вмістом 3-5% FеО.

Продукти плавки (чавун і шлак) зазвичай випускають разом через одну льотку в загальну виливницю. Температура шлаку на випуску 1570-1650 ° С. Після розшаровування і затвердіння чавун і шлак розділяють.

Приблизний склад шлаків,%: ТiO2 82-87; FеО 3-6,5; SiO2 2,8-5,6; СаО 0,3-1,2; А12О3 2-6; МgО 2-5,6; МnО 1-1,5; V2O5 0,15; Сг2O3 0,2-1,7. Виплавити шлаки із вмістом FеО нижче 3% важко без добавок флюсів внаслідок їх тугоплавкості, зумовленої присутністю оксікарбіда. При достатньому вмісті FеО оксікарбід взаємодіє з ним по реакції:

ТiС · ТiО + 3 FеО = Тi2O3 + 3 Fе + СО.

Характерна особливість блоку титанового шлаку полягає в тому, що він розсипається в процесі охолодження на повітрі, це пояснюється окисленням нижчих оксидів з утворенням рутилу. Дане явище полегшує переробку блоку. (Зелекман)

1.6 Виробництво тетрахлориду титану

Тетрахлорид титану TiCl4- типовий продукт хлорної металургії. Промислове виробництво TiCl4в нашій країні було першим в хлорної металургії рідкісних металів. Його освоєння свідчили про народження хлорної металургії як самостійної галузі промисловості. Основи технології, апаратурне оснащення процесів виробництва тетрахлориду титану з'явилися фундаментом для подальшої розробки та впровадження хлорних методів отримання інших рідкісних металів.

Промислове виробництво TiCl4 організовано на титано-магнієвих комбінатах.

Процес виробництва тетрахлориду титану складається з п'яти основних переділів: підготовки сировини, хлорування, конденсації продуктів хлорування, очищення тетрахлориду титану та переробки відходів.

Титанові шлаки, отримані при руднотермічній плавці залізотитанових концентратів, дроблять у щьоковій і конусної дробарках, подрібнюють у кульових дробарках до вмісту в них фракцій крупністю > 0,1 мм не більше 10 % і металевого заліза < 4 %. Після видалення магнітної сепарацією металевого заліза подрібнений шлак надходить на хлорування (у сольових хлоратора або апаратах киплячого шару) або у відділення підготовки шихти (брикетування, агломерації та ін.) при використанні шахтних хлораторів з рухомим шаром.

Нафтовий кокс, як і шлак, дроблять у шьокових і молоткової дробарках, подрібнюють у кульових млинах до крупності > 0,2 мм, при цьому зміст фракцій > 0,15 мм не повинно перевищувати 20 %.

Сирі брикети прожарюють в ямних печах що мають рознімний звод, ретортоних печах і печах безперервної коксування , в за кордонній практиці (Японія, США) - тунельних печах.

Розроблена і успішно впроваджена апаратура й технологія високотемпературного прожарювання брикетів в шахтних печах в струмі нагрітих до 1300…1470 К. До топкових газів, отриманих спалюванням природного газу при нестачі повітря.

У ямних та тунельних печах сирі брикети завантажують спеціальними контейнерами з жароміцної сталі. Процес прожарювання ведуть при

950…1000 К протягом 12…16 годин, в якості палива використовують природний газ або мазут. До проходить при безпосередньому контакті брикетів з продуктами неповного згорання природного газу при 1300…1500 К. Тривалість находження брикетів в зоні коксування ~ 2 години, в зоні охолодження -3 години [3].

1.7 Хлорування тетрахлориду титану

У виробничій практиці застосовують три способи хлорування тітансодержащіх матеріалів: хлорування брикетованої шихти, хлорування в сольовому розплаві і хлорування в киплячому шарі.

Основні реакції хлорування:

Ti3O5 + 5C + 6Cl2 = 3TiCl4 + 5CO;

TiO2 + 2C + 2Cl2 = TiCl4 + 2 CO;

FeO2 + C +1/2Cl2 = FeCl3 + CO;

FeO + C + Cl2 = FeCl2 + CO;

Al2O3 + 3C + 3Cl2 = 2AlCl3 + 3CO;

MgO + C + Cl2 = MgCl2 + CO;

CaO + C + Cl2 = CaCl2 + CO;

MnO + C + Cl2 = MnCl2 + CO;

SiO2 + 2C + 2 Cl2 = SiCl4 + 2CO;

V2O5 + 3C + 3Cl2 = 2VOCl2 + 3CO;

Cr2O3 +3C + 3Cl2 = 2CrCl2 + 3CO;

Cr2O3 + 3C + 2Cl2 = 2CrCl2 + 3 CO

Хлорування брикетованих шихт. У цьому варіанті брикети шихти хлорують в шахтному хлораторі безперервної дії. Для приготування брикетів компоненти шихти (подрібнені титановий шлак і нафтовий кокс) змішують, до суміші додають в'язку (сульфітно-целюлозний луг, кам'яновугільний або нафтовий пек). Суміш пресують на вальцевих пресах в подушкоподібні брикети розміром 50x40 * 35 мм. З метою підвищення міцності і видалення летких складових брикети прожарюють без доступу повітря при 850-950 ° С в прокалювальних печах періодичної або безперервної дії.

На рис. 41 наведена схема шахтного хлоратора безперервної дії. Шахта хлоратора (внутрішній діаметр 1,8, висота 10 м) футерована динасовим і щільним шамотною цеглою. Брикети подаються з бункера через золотниковий живильник, залишок вивантажується шнеком або золотниковим пристроєм. Фурми подачі хлору розташовані на висоті ~ 2 м від вивантаження. Хлорування проводять при 950-1000 ° С.

Рисунок 7 Шахтний хлоратор безперервної дії: 1 - водоохолоджуваний конус; 2 - фурма; 3 - хлорний колектор, 4 - корпус хлоратора; 5 - водоохолоджуваний звід; б - бункер; 7 - золотниковий \ живильник; 8 - редуктор, 9 - електродвигун; 10 - збірник недогарка; 11 - завантажуваний шнек

При температурах 900-1000 ° С хлорування брикетів протікає у зовнішньодифузійній області, тобто швидкість процесу визначається швидкістю подачі хлору.

Питома продуктивність шахтних хлораторів неперервної дії при температурах хлорування 900-1000 ° С дорівнює 1,8-2 т TiCl4 на 1 м3 обсягу хлоратора.

Недолік хлорування брикетованої шихти - високі витрати на приготування брикетів, що підвищує 10-15% собівартість хлориду; вибухонебезпечність відхідних газів, в яких переважає СО.

Хлорування в сольовому розплаві. Цей спосіб розроблений в СРСР. Хлорування шлаку проводиться у ванні з розплаву хлоридів лужних і лужно-земельних металів, куди подають компоненти шихти (подрібнені шлак і кокс) і хлор. В якості розплаву використовують відпрацьований електроліт магнієвих електролізерів, що має наступний зразковий склад,%: КС1 72-76; NаС1 14-16, МgС12 4-6. Шихта подається шнеком на поверхню розплаву, хлор надходить у нижню частину хлоратора через фурми і газорозподільну грати (рис. 42). При питомій витраті хлору 40-60 м3 / год на 1 м3 розплаву забезпечується хороше перемішування його барботують хлором. У розплаві підтримують концентрацію ТiCl2 2-3%, вуглецю 7-9%. При висоті розплаву 3 … 3,2 м хлор встигає повністю прореагувати в обсязі розплаву, лише незначна частина його йде з газами, що відходять.

Необхідна температура розплаву (800 … 850 С) підтримується за рахунок тепла екзотермічних реакцій. Надмірне тепло відводиться за допомогою встановлених в стінці хлоратора кесонів з графітових плит, в які вмонтовані сталеві труби, куди подається вода.

У процесі хлорування в розплаві накопичуються нелітучі хлориди (МgС12, СаС12, а також FеС12 і FеС13 у формi комплексів КFеС13 і КFеС14 та ін.) Періодично частина розплаву випускають і в хлоратор заливають свіжий розплав. Відпрацьований розплав містить,%: КС1 30-40, NaС1 2-5, МgС12 25-35, FеС12 + FеС13 + МnС12 10-20, SiO2 3-6, СаС12 2-4, C 7-9, TiO2 0,5-1.

Механізм (стадії) хлорування діоксиду титану в складній системі, яка містить газову, рідку і дві тверді фази (ТіО2 і кокс), недостатньо вивчений.

Очевидно, що з поверхнею частинок коксу і ТіО2, що знаходяться в розплаві, можуть вступати у взаємодію тільки розчинені у розплаві хлору, СО2 і СО, так як при хорошому змочуванні коксу розплавом його поверхню екранована рідким середовищем від безпосереднього контакту з бульбашками газу.

Присутність хлоридів заліза в розплаві підвищує швидкість хлорування. Це пояснюється хлорують дію FеС13, легко відщеплює активний хлор. Як зазначено вище, хлориди заліза знаходяться в розплаві у формі комплексів FеС14 і FеС12. Тому хлорування TiO2 за участю хлоридів заліза можна уявити сумарними реакціями:

4 FеС13 + 2 С12 = 4FеС14;

4 FеС14 + ТiO2 + 2 СО = Т1С14 + 4 FеС14 + 2 СO2

Таким чином, хлориди заліза виконують роль переносники хлору.

Оскільки хлориди заліза добре розчиняються в розплаві, концентрація хлоруючого агента залежатиме від вмісту в ньому заліза. Так, досить вмісту 1% FеС13 в розплаві для істотного збільшення швидкості процесі. При нормальній роботі хлоратора (без проскакування хлору) в розплаві встановлюється відношення FeCl2: FеС13 = 20 + 200 (за масою), причому концентрація FеС12 знаходиться в межах 15-20%, а FеС13 0,1-1,0% .

Основні переваги хлорування в сольовому розплаві порівняно з хлоруванням брикетів наступні: виключені; складні операції підготовки брикетів, що знижує собівартість хлориду. Можливо хлорування шлаків з підвищеним вмістом СаО і MgO. Швидкий тепло-і масообмін в розплаві забезпечує високу швидкість хлорування і можливість відводу надлишкового тепла. Переважання СО2 над СО у складі газів різко знижує їх вибухонебезпечність.

До недоліків хлорування в розплаві слід віднести періодичний висновок відпрацьованого розплаву (до 200 кг на 1 т TiCl4), з яким втрачається частина титану. Хлориди - шкідливі виробничі скиди. Важливе завдання - їх використання або регенерація з поверненням в процес.

1.8 Конденсація і розподіл продуктів хлорування

Під загальноприйнятими і широко ввійшовшими в промислову практику виробництва титану термінами «конденсаційна система», «конденсація» мається на увазі цілий комплекс апаратів, технологічних операцій і процесів, пов'язаних з отриманням зі складної за складом і фізико-хімічними властивостями парогазової суміші (ПГС) рідкого чотирихлористого титану.