Основні стадії переробки титану та титаномісної сировини

Теоретично технологія відводу тепла, переклад компонентов з пароподібного стану в конденсований, поділ газоподібних, рідких і твердих продуктів, виділення та очищення чотирьоххлористого титану принципово не відрізняються від відомих процесів і апаратів, що використовуються в хімічній, нафтохімічній і металургійній промисловості і описаних і спеціальних курсах і монографіях. Однак специфічні властивості чотирихлористого титану і супутніх йому хлоридів, а саме: висока хімічна активність, токсичність, велика різниця в хімічних властивостях, схильність до комплексоутворення, диспропорціонування, дисоціації в пароподібному і конденсованому стані - створюють серйозні труднощі апаратурного та технологічного характеру при розробці та практичній реалізації теплообмінних і масообмінних процесів і апаратів. І хоча створення і розвиток хлорної металургії титану і рідкісних металів стало причиною появи великої кількості робіт з хімії пароподібного стану - абсолютно нового напрямку в хімії - проблема як в науковому, так і практичному плані далека ще від свого повного вирішення. Технологічні переділи конденсації і поділу продуктів хлорування залишаються як і раніше найбільш вузьким місцем у технологічному циклі виробництва чотирихлористого титану.

Апаратурне оснащення процесу конденсації (рис. 80). Утворені в процесі хлорування хлориди, як вже зазначалося вище, не є індиферентними один до іншого і схильні вступати в хімічні взаємодії, утворювати тверді і рідкі розчини та суміші. Майже всі ці продукти сильно гігроскопічні і схильні до гідролізу, у зв'язку з цим апарати і комунікації конденсаційної системи повинні бути абсолютно герметичні, тому що в протилежному випадку будуть відбуватися значні втрати чотирихлористого титану, а продукти гідролізу, висаджуючи на внутрішніх теплообмінної поверхнях апаратів, можуть викликати серйозні порушення теплообміну в процесі конденсації.

Рисунок 9 Апаратурно-технологічна схема конденсації 1 - хлоратор; 2 - бункера для шихти; 3,4 - «сухі» конденсатори; 5 - фільтр; 6 - теплообмінники тетрахлориду титану; 7 - орошувальні конденсатори; 8 - очистка газів; 9-14 - система термостатування; 15 - збірні баки тетрахлориду титану; 16-18 - насоси; 19,20 - дозатори тетрахлориду титану та реагентів; 21,24 - ємності для тетрахлориду титану; 22 - герметичний відстійник; 23 - реактори для очистки від ванадію

Відомі різні варіанти апаратурного оснащення процесу конденсації, які можна розділити на три типи: 1) роздільна конденсація твердих і рідких хлоридів, 2) спільна конденсація, 3) комбінована конденсація.

Роздільна конденсація. При роздільному способі конденсації парогазову суміш охолоджують у перших по ходу апаратах спочатку до точки роси найбільш висококип'ячого рідкого хлориду (в даному випадку чотирихлористого титану), що має більш високу температуру конденсації, ніж TiCl4, при цьому все більш висококип'ячі хлориди конденсуються. Після цього парогазова суміш зі зваженими в ній твердими хлоридами надходить в апарати для розділення твердих і пароподібних хлоридів. Зазвичай для цієї мети застосовують циклони, пилові камери і рукавні фільтри або сольові апарати. Після відділення твердих хлоридів парогазова суміш надходить у конденсатори рідких хлоридів.

Основними недоліками роздільної конденсації є значні незручності в обслуговуванні громіздких фільтрів, необхідність дуже точного термостатування фільтрів і складність пристроїв для регенерації фільтруючих елементів.

Спільна конденсація. При спільній конденсації твердих і рідких хлоридів парогазова суміш з хлоратора надходить безпосередньо в конденсатори змішання - «зрошувальні конденсатори», де зрошується охолодженим рідким чотирьоххлористим титаном. В якості конденсаторів змішування можна застосовувати також барометричні конденсатори, порожнисті і насадочні скрубери, у верхній частині яких вмонтовано розбризкувати пристрій (форсунки, тарілки, турбіни та ін) - З зрошувальних конденсаторів парогазова суміш надходить у хвостові конденсатори для вікон ретельного доуловлювання чотирихлористого титану, а утворена твердими хлоридами пульпа TiCl4, спрямовується в хлоратор або сухі конденсатори. При такому способі конденсації все тепло, виділене парогазової сумішшю при її охолодженні і конденсації, відводиться тільки з чотирьоххлористим титаном.

Комбінована схема конденсації. У зв'язку з викладеним вище в промисловій практиці найбільше поширення і розвиток отримала так звана комбінована схема конденсації, головною особливістю якої є те, що більшість висококиплячих хлоридів виводиться з парогазової суміші в сухому вигляді. При цьому, підтримуючи заданий температурний режим в окремих апаратах конденсаційної системи, можна отримати хлориди певного складу. У комбінованій схемі між хлоратором і зрошувальним конденсатором встановлені сухі конденсатори (часто їх називають пиловими камерами). Число цих конденсаторів може бути різним у залежності від умов і властивостей конденсованих продуктів.

У сухих конденсаторах, крім уловлювання твердих хлоридів, відводиться значна кількість тепла (до 75%), що істотно полегшує роботу подальшого вузла зрошувального конденсатора.

Можуть бути здійснені різні варіанти комбінованої схеми, зокрема: а) схема з частковим зрошенням сухих конденсаторів чстиреххлорістим титаном, щоб уникнути надходження в сухі конденсатори легкоплавких хлоридів у розплавленому стані і тим самим перешкодити утворенню гарніссажа на внутрішній теплообмінної поверхні апаратів, б) схема з сольовий колонкою або сольовий ванної («сольовим фільтром») з хлоридів лужних металів.

Якщо процес хлорування ведуть в шахтних хлоратора або електропечах і вихідною сировиною для хлорування є тітаністий шлаки, тверді хлориди з сухих конденсаторів складаються головним чином з хлоридів магнію, двовалентного заліза, марганцю та хрому. Крім того, в них присутні: С, SiO2, ТiО2, А12O3, АlСl3, FеСl3

При хлоруванні шлаків в сольових хлоратора (в розплаві), крім зазначених вище хлоридів, у пилі сухих конденсаторів містяться хлориди натрію і калію. У тих випадках, коли шлаки містять значну кількість глинозему і заліза, при форсованому режимі хлоратора можливі випадки заплавлення сухих конденсаторів внаслідок утворення легкоплавких евтектик-хлоридів типу А1С13--MeАIС14, FеС13--МеFеCl4 Якщо для хлорування використовують лопаріта, то пилу сухих конденсаторів складаються головним чином з хлоридів і оксихлориді в ніобію і танталу, а також хлоридів алюмінію і заліза.

З плином часу внутрішня поверхня сухих конденсаторів покривається товстим шаром твердих хлоридів, що різко знижує коефіцієнт теплопередачі. Для усунення цього явища в деяких типах конденсаторів встановлюють спеціальні очисні скребкові або вібраційні пристрої. Газоходи між хлораторів і першим сухим конденсатором зазвичай футерують діабазовим бетоном з великою кількістю шамотного порошку. Всі інші газоходи футерування не мають. Газоходи від вузла санітарного очищення газів до викидної труби гумовані. В якості прокладок матеріалів при високих температурах застосовують азбест, при низьких - спеціальну гуму.

Для зручності чисток і меншої забиваємості всі газоходи мають характерний ухил. У місцях перегину газоходів для чищення їх роблять спеціальні очисні лази.

Зрошувальний конденсатор є зазвичай порожній або насадочні одно-або двухходовой скрубер. Парогазова суміш по першому скрубером проходить зверху вниз. У другому - навпаки. Зверху скрубера через розбризкують форсунки подають зрошують пульпу, охолоджену в холодильнику. Великий напір рідини необхідний, щоб інтенсивно змивати зі стін скруберів осідають на них хлориди. Кількість подається на зрошення пульпи залежить від продуктивності та ефективності роботи сухих конденсаторів.

Для відділення частинок твердих хлоридів від чотирьох-хлористого титану використовують герметичні згущувачі, фільтри і різні випарніапарати.

Парогазова суміш після апаратів конденсаційної системи містить у собі, крім СО, СO2, С12, також пари TiCl4, SiCl4, HCl, SOCl, COCl2, COS, CC14 та інші шкідливі складові. За санітарними нормами такі гази викидати в атмосферу не можна. У зв'язку з цим перед викидом в атмосферу гази обов'язково очищають від зазначених домішок у скруберах, зрошуваних водою, вапняними або лужними розчинами.

1.9 Очищення технічного тетрахлориду титану

Готовий продукт, одержуваний на переділі хлорування, прийнято називати технічним тетрахлоридом титану. Технічний TiCl4 - дуже складна багатокомпонентна суміш, що містить значну кількість неорганічних і органічних домішок. Характер домішок та їх відносний вміст в технічному TiCl4 визначається вихідною сировиною, способом його хлорування, апаратурним оснащенням процесів, рівнем ведення технології. Як правило, викокористування більш якісного вихідної сировини забезпечує отримання менш забрудненого технічного TiCl4. Відмова від застосування брикетованої шихти, що містить в якості сполучного органічні з'єднання, заміна нафтового коксу пековим, підвищення концентрації хлору, герметизація апаратів, підтримання оптимальної температури хлорування і конденсації - все це сприяє поліпшенням якості технічного TiCl4.

Більш чистий технічний TiCl4 отримують в хлоратора з розплаву, оскільки компоненти розплаву беруть участь в очищенні продукту. Так, хлориди заліза і алюмінію, що утворюються при хлоруванні в розплаві, зв'язуються з хлоридами калію і натрію і утворюють з'єднання типу K(Na)Fe(Al)Cl4, які виводяться з процесeз "відпрацьованим" розплавом. Це істотно полегшує подальшу очистку від цих хлоридів. Нижче наведено зміст домішок в промисловому технічному TiCl4, отриманому в шахтних хлораторах і в хлораторах з розплавом.

Домішки, які знаходяться в TiCl4 можна умовно розділити на три групи з урахуванням їх агрегатного стану при нормальній температурі кипіння TiCl4 і характеру розчинності у тетрахлориді титану:

1) газоподібні (О2, N2, СО2, Cl2, COCl2, HCl та ігші).;

2) рідкі (VOCl3, SiCl4, CCl4, CCl3COCl, Si2OCl6 та інші).;

3) тверді (Fe2Cl6, Al2Cl6, TiOCl2, C6Cl6 та інші

При виробництві очищеного тетрахлориду титану (ОЧТ) особлива увага приділяється чистоті продукту, так як вона багато в чому визначає хімічний склад, фізико-хімічні та механічні властивості одержуваної з нього титанової губки, пігментного діоксиду титану та інших речовин. На 1 т магнієтермічної титанової губки і пігментного діоксиду титану витрачається відповідно близько 4,0 т і 2,5 т TiCl4, тому вміст домішок у губці і ТіО2 буде в 4 і 2,5 рази більше, ніж у тетрахлориді титану. Вплив магнію на якість губки значно менше, оскільки на 1 т її витрачається всього 1 т цього відновника.

Хлорид титану очищають від більшості домішок ректифікацією, заснованої на різниці температур кипіння хлоридів. Однак ректифікації передує очищення від домішки ванадію.

Очищення від ванадію. Ванадію міститься в ТiС14 У складі оксіхлориду VОС13. Відділення його від ТiС14 ректифікацією важко внаслідок близькості точок кипіння ТiС14 і VОС13 (136 і 127 °С відповідно). Всі відомі методи очищення від ванадію засновані на відновленні VОС13 до малорозчинного в тетрахлориді титану VОС12. На вітчизняних заводах у якості відновники застосовують мідні або алюмінієві порошки.

Відновлення мідним порошком протікає через стадію утворення СuТ1С14:

Сu + ТiС14 = СuТiС14

СuТ1С14 + VОС13 = VОС12 + СuС1 + ТiС14

Отримувані мідно-ванадієві опади містять,% Тi 6-8; V 4-6; С1 ~ 45, решта - кисень і домішки інших елементів. Розроблено схеми вилучення з осадів ванадію і міді.

Внаслідок високої вартості мідного порошку стали застосовувати для відновлення VОС13 порошок алюмінію. Останній реагує з Т1С14 з утворенням ТiС13, який потім відновлює VОС13:

3 ТiС14 + А1 = 3 Т1С13 + А1С13;

ТiС13 + VОС13 = VОС12 + ТiС14.

Крім того протікає реакція:

ТiOС12 + А1С13 = АlOС1v + ТiС14

Осад, який містить VОС12, ТiС13, А1С13, спрямовується на витяг ванадію. На деяких зарубіжних заводах для очищення від ванадію застосовують відновлення сірководнем або органічними речовинами (вуглеводні, жирні кислоти та інші).

Очищення ректифікацією. Очистку хлориду титану ректифікацією проводять в колонах з нержавіючою сталлю з дірчастими тарілками (або тарілками з щілинними прорізами) у дві стадії (рис. 44). На першій стадії відокремлюють тетрахлорид титану від домішки кремнію (температуру кипіння SiС14 58 ° С) та інших летких домішок (СС14, СS2, SiС12та інші), підтримуючи у верхній частині колони температуру парів 132-135 С і надлишковий тиск 0,66-4 кПа. Температура в кубі колони 140-150 С.



Рисунок 9 Схема установки для очищення тетрахлориду титану ректифікацією: 1 - напірний бак з ТiС14; 2 - підігрівач, 3 - колона ректифікації для відділення низькокип'ячих хлоридів, 4 - куби-випарники з електронагрівачами 5 (в патроні), б - дефлегматори; 7 - регулюючий клапан; 8 - насос; 9 - куб-випарник з відкритими нагрівачами; 10,11 - колона ректифікації для дистиляції ТiС14; 12 - розподільний клапан; 13 - збірник очищеного ТiС14

Неконденсовані гази (СO2, С12, N2, СОС12) виводять з дефлегматора через гідрозатвор в систему очищення газів.

Кубовий залишок, що містить ТiС14 і домішки висококиплячих хлоридів і оксіхлоридів (зокрема, ТіС12), вступає в другу колону, у верхній частині якої підтримують температуру 134-136 ° С (точка кипіння Т1С14), у нижній - 137-138 С. Відбирали дистилят - чистий чотирихлористий титан. Домішки висококиплячих хлоридів (ТiC12, FеС13, А1С13, NbС15 та інші) залишаються в кубовому залишку.

Очищений тетрахлорид титану містить домішки в кількостях близьких до межі чутливості спектрального аналізу (10-3--10-5 %). Витяг титану з технічного в очищений тетрахлорид титану рівно ~96%.(Зелекман)

1.10 Магнієтермічне відновлення тетрахлориду титану

Очищений тетрахлорид титану вводять в заповнений аргоном герметичний реактор, куди попередньо або одночасно з тетрахлоридом подають очищений метал-відновник. Технологічний процес регулюють зміною швидкості введення тетрахлориду титану, що обумовлено практичною можливістю відводу тепла екзотермічних реакцій та вимогами отримання продукції регламентованого складу. Верхня межа температури процесу обмежується стійкістю сталевої апаратури, по-скільки при 950…1000 °С контакт титану із сталлю може призвести до утворення рідкої фази. Утворений титан являє губчату масу, пори якої заповнені хлоридом металу-відновника і невикористаним відновником при магнєтермічному виробництві. Такий продукт отримав назву «реакційної маси».

Губчастий титан, який не містить відновника, очищають вищелачуванням хлоридів у слабких розчинах мінеральних кислот. Для цього реакційну масу витягують з реактора висвердлюванням або випресовуванням. В останньому випадку її необхідно перед вилуговуванням подрібнювати. Очищений від хлористих солей титан висушують. Після сортування по крупності він складає товарну продукцію.

Дія очищення титану застосовується і процес вакуумної сепарації, здійснюється при низькому залишковому тиску в реакторі при 900…1000 °С. Возгонка і сконденсовані легколетючі компоненти реакційної маси (конденсат) направляють в оборот для використання в процесі відновлення. Титан, сформований у вигляді губчастого блоку, випресовувається з реактора. Оскільки якість губчастого блоку титану неоднаково в різних його частинах, проводиться диференцьоване оброблення та сортування, для чого від блоку відокремлюють збагачені домішками периферійні частини (гарнісаж, низи). Після цього губчастий титан дроблять до крупності < 70 мм і сортують. Отриманий матеріал є товарним продуктом.

Губчастий титан (реакційна маса) містить,%: Ti - 60, Mg - 20…30, MgCI2 - 10…20. Зміст металевого магнію максимально в нижній частині блоку, оскільки ця частина магнію надається, як би заблокованої від взаємодії з тетрахлоридом. Вміст хлориду магнію максимально у верхній частині блоку

1.11 Вакуумна сепарація реакційної маси

Після відновлення в реакторі залишається спечений блок реакційної маси, що представляє собою титанову губку, просочену магнієм і хлористим магнієм. Склад реакційної маси (середній по блоку) приблизно наступний: 55-60% титану, 25-35% магнію, 9-12% хлористого магнію; крім того, там може бути присутня невелика кількість нижчих хлоридів титану. Блок міцно спаяний зі стінками реактора в верхній зоні і його неможливо витягнути без руйнування місця спаю.

Метою наступного переділу є очищення титанової губки від магнію, хлористого магнію і нижчих хлоридів. Останні, якщо і містяться в реакційній масі, то в невеликих кількостях (- 0,01 - 0, 1%) і при будь-якому способі очищення можуть бути видалені.

Титанова губка може бути очищена від магнію і хлористого магнію гідрометалургійним способом або вакуумної сепарації.

Гідрометалургійний спосіб полягає в вилуговуванні хлористого магнію і магнію з подрібненої реакційної маси слабким розчином соляної кислоти.

Цей спосіб майже не вимагає витрат електроенергії та простий у апаратурному оснащенні, але при цьому якість металу виходить більш низьким, ніж при вакуумній сепарації. Крім того, втрачаються містяться в реакційній масі хлористий магній і магній.

Вакуумна сепарація вимагає значної витрати електроенергії і досить складного апаратурного оснащення, однак в даний час це найбільш прийнятний спосіб для переробки реакційної маси.

Процес вакуумної сепарації полягає в тому, що реакційну масу нагрівають в герметичному апараті, в якому створюють вакуум. При цьому хлористий магній і магній, що мають достатньо високий тиск парів, випаровуються і конденсуються в спеціальному пристрої-конденсаторі.

Процес сепарації має три основні стадії. У першій стадії відбувається дегазація реакційної маси і її нагрівання. У випадку швидкого нагрівання частина газів (в основному води і адсорбованого стінками реактора повітря) поглинається титаном. У другій стадії відбувається інтенсивне випаровування магнію і хлористого магнію з відкритої поверхні і з великих пор. У третій стадії випаровується в основному хлористий магній і залишив шийся в дрібних порах магній. Найтривалішим періодом є третій. Про ¬ лість відгону основної кількості конденсату склад ¬ ляє 25-35% загального часу сепарації. Тривалість третього періоду різко збільшується при збільшенні довжини шляху парів хлористого магнію. В аналогічних умовах перебуває губка в центральних зонах промислового блоку. Тому дослідження процесу в третьому періоді - відгін останніх 2-3% хлористого магнію - є основним напрямком при вивченні процесу сепарації.

Розглянемо апарат сепарації. До основних елементів апарату (рис. 66) відносяться піч - 4, муфель - 3, конденсатор 1 і екран 2. зібрані муфель з конденсатором прийнято називати ретортою.

Піч. Найбільш доцільним обігрівом для сепараційній печі є електричний. Розміщення нагрівачів у печі, система контролю та регулювання температури повинні забезпечувати максимально рівномірний розподіл температури на робочій поверхні муфеля.

Потужність печі повинна забезпечувати нагрів стінки муфеля до температури витримки в можливо короткий термін.

Після досягнення стінкою муфеля максимальної температури споживання енергії регулюється незалежно від потужності нагрівачів.

Для сепарації 1 т губки теоретично потрібно близько 1500 квт-ч електроенергії. Практично витрачається в 3-4 рази більше. Такий низький коефіцієнт корисної дії печі пояснюється періодичністю процесу, а також його особливістю: останні порції хлористого магнію відганяються дуже повільно, в цей період майже вся енергія печі витрачається на заповнення втрат тепла через футеровку і конденсатор.

Рисунок 10 Аппарат сепарации

Муфель (реторта). Висота муфеля повинна забезпечувати рівномірний розподіл температури по його робочій частині, тобто в тій зоні, де знаходиться титанова губка. У разі невеликої висоти муфеля перепад температур між муфелем і конденсатором, має бути створений на дуже невеликому відрізку висоти.

Екран. Екран є тепловою ізоляцією між реакційною масою і конденсатором. Він забезпечує мінімум переходу тепла з муфеля в конденсатор випромінюванням. В ідеальному випадку в конденсатор має переноситися тільки те тепло, яке переходить з відходящими парами - теплота нагріву і конденсації магнію і хлористого магнію. Практично, крім цього, значна частина тепла переходить в конденсатор через екран тепловипромінюванням, тому що верхня частина екрана повинна мати температуру, достатню для того, щоб на ній не висаджувався конденсат. Практикою встановлено, що екран слід заглиблювати в муфель на величину, рівну приблизно половині діаметра муфеля. Верхню частину екрану розташовують не вище верхнього рівня печі.

Конденсатор. Охолоджувана поверхня конденсатора повинна бути достатньою для відводу тепла, принесеного конденсатом. Дуже інтенсивне охолодження осаджуючої поверхні конденсатора призводить до утворення тонкодисперсного магнію, який здатний до самозаймання. Уповільнення відводу тепла не бажане, оскільки відвід тепла є основною функцією конденсатора, що сприяє прискоренню процесу. Для зручності розвантаження, а також для запобігання утворення самозаймистих конденсату в конденсатор вставляється обичайка - осаджувач, на який осідає основна кількість конденсату.

1.12 Основні області застосування титану

При існуючих високих цінах на титан його застосовують переважно для виробництва військового обладнання, де головна роль належить не вартості, а технічним характеристикам. Проте відомі випадки використання унікальних властивостей титану для цивільних потреб. У міру зниження цін на титан і зростання його виробництва застосування цього металу у військових і цивільних цілях буде все більше розширюватися.

Авіація. Мала питома вага і висока міцність титану і його сплавів роблять їх дуже цінними авіаційними матеріалами. У галузі літакобудування та виробництва авіаційних двигунів титан все більше витісняє алюміній і нержавіючу сталь. Перевага заміни сталі титаном в авіації полягає в зниженні ваги без втрати міцності. Загальне зниження ваги з підвищенням показників при підвищених температурах дозволяє збільшити корисне навантаження, дальність дії і маневреність літаків. Цим пояснюються зусилля, спрямовані на розширення застосування титану в літакобудуванні при виробництві двигунів, споруді фюзеляжів, виготовленні обшивки і навіть кріпильних деталей.

При будівлі реактивних двигунів титан застосовується переважно для виготовлення лопаток компресора, дисків турбіни і багатьох інших штампованих деталей.

Кожухи, закрилки, захисні оболонки для кабелів і напрямні для снарядів виготовляються з нелегованого титану. Легований титан застосовується для виготовлення каркаса фюзеляжу, шпангоутів, трубопроводів і протипожежних перегородок.

Титан можна застосовувати для виготовлення броньових плит, лопатей пропелера і снарядних ящиків.

Військово-морський флот. Корозійна стійкість титану і його сплавів робить їх дуже цінним матеріалом на морі. Військово-морське міністерство США докладно досліджує корозійну стійкість титану проти впливу димових газів, пари, масла і морської води. Майже таке ж значення у військово-морській справі має і високе значення питомої міцності титану.

Мала питома вага металу в поєднанні з корозійну стійкість підвищує маневреність і дальність дії кораблів, а також знижує витрати по догляду за матеріальною частиною і її ремонту.

Артилерія. Мабуть, найбільш великим потенційним споживачем титану може з'явитися артилерія, де в даний час ведуться інтенсивні дослідження різних дослідних зразків. Проте в цій області стандартизовано виробництво лише окремих деталей і частин з титану. Вельми обмежене використання титану в артилерії при великому розмаху досліджень пояснюється його високою вартістю.

Транспорт. Багато хто з тих вигод, які обіцяє використання титану при виробництві бронетанкової матеріальної частини, відносяться і до транспортних засобів.

Заміна конструкційних матеріалів, споживаних в даний час підприємствами транспортного машинобудування, титаном повинна привести до зниження витрати палива, росту корисної вантажопідйомності, підвищення межі втоми деталей кривошипно-шатунних механізмів та інше. Важливе значення вагу має і для причіпних автотранспортних засобів. Тут заміна стали титаном при виробництві осей і коліс також дозволила б збільшити корисну вантажопідйомність.

Всі ці можливості можна було б реалізувати при зниженні ціни титану з 15 до 2-3 доларів за фунт титанових напівфабрикатів.

Хімічна промисловість. При виробництві обладнання для хімічної промисловості найважливіше значення має корозійна стійкість металу. Істотно також знизити вагу і підвищити міцність обладнання. Логічно слід припустити, що титан міг би дати ряд вигод при виробництві з нього обладнання для транспортування кислот, лугів і неорганічних солей. Додаткові можливості застосування титану відкриваються у виробництві такого обладнання, як баки, колони, фільтри і всілякі балони високого тиску.

Інші області застосування. Застосування титану доцільно в харчовій, нафтовій та електротехнічної промисловості, а також для виготовлення хірургічних інструментів і в самій хірургії.

У нафто-і газобурільной областях серйозне значення має боротьба з корозією, тому застосування титану дозволить рідше замінювати Кородують штанги обладнання. У каталітичному виробництві і для виготовлення нафтопроводів бажано застосовувати титан, який зберігає механічні властивості при високій температурі і володіє гарною корозійною стійкістю.

У електропромисловості титан можна застосувати для бронювання кабелів завдяки гарній питомої міцності, високому електричному опору і немагнітних властивостям..

В області хірургії титан виявився кращим віталліума і нержавіючих сталей.

Присутність титану в організмі цілком припустимо. Платівка і гвинти з титану для кріплення кісток знаходилися в організмі тварини кілька місяців, причому мало місце проростання кістки в нитки різьблення гвинтів і в отвір пластинки.

Перевага титану полягає також у тому, що на пластині утворюється м'язова тканина.



2. Розрахунок матеріального балансу

Матеріальний баланс одержання титанових шлаків

2.1 Розрахунок складу шихти для плавки

Відновлюваній електроплавці піддається шихта, що складається з концентрату і твердого відновника (антрациту).

Склад концентрату, що надходить на плавку, приведений таблиці 1.

Таблиця 2.1 Хімічний склад концентрату, %

Ком.	TiO2	Fe2O3	FeO	SiO2	Al2O3	MgO	MnO	V2O5	Cr2O3	P2O5	CaO	Разом
%	63,8	4,5	23,29	2,2	1,3	0,21	1,25	0,19	2,9	0,14	0,22	100

Склад антрациту приведений у таблиці 2.2.

Таблиця 2.2 Зклад антрациту, %

Компоненти	С	Н2О	Летучі СН4	Зола
Зміст	88,0	1,5	2,5	8

Зола антрациту містить, %: Fe2O3- 35% ; SiO2- 45% ; Al2O3 - 20%.

Розрахунок матеріального балансу проводимо на 1000 кг концентрату. Діоксид титану відновлюється до Ті3О5, оксиди алюмінію, магнію, кальцію цілком переходять у шлак, інші елементи - відновлюються, %: SiO2 до 7,5; Сг2O3 до 21; V2O5 до 30; МnО до 6; P2O5 до 46 та усі переходять у чавун, інше - у шлак, Сірка елементарна переходить у чавун 15 %, у пил газів, що відходять - 5,6 %, механічні втрати - 2,5 %, інше переходить у шлак.

На підставі досліджень перехід титану в чавун складає 0,01 - 0,06 %; утрати з пилом газів, що відходять - 2,3 - 5,45 %; механічні втрати й нев'язання балансу 3,7 - 2,15 %. При розрахунку матеріального балансу приймаємо, %: 0,05; 2,6; 2,5.

Склад пилу газів, що відходять, і механічні утрати відповідають складу концентрату.

Таким чином, кількість пилу дорівнює:

(1000 · 2,6) /100 = 26 кг;

механічні втрати

(1000 · 2,5)/ 100 = 25 кг.

Склад компонентів пилу газів, що відходять, і механічних yтрат пропорційний їхній кількості в концентраті:

ТіО= (26 · 63,8) /100 = 16,588 кг і т.д.

Результати розрахунку приведені в таблиці 4.3.

Таблиця 4.3 Кількість і склад пилу газів, що відходять та механічні втрати, кг

З'єднання	Пил газів	Механічні втрати	Сума	На плавку
TiO2	16,588	15,950	32,538	605,462
Fe2О3	1,170	1,125	2,295	42,705
FeO	6,055	5,823	11,878	221,022
SiO2	0,572	0,550	1,122	20,878
Al2O3	0,338	0,325	0,663	12,337
MgO	0,055	0,053	0,107	1,993
Cr2O3	0,754	0,725	1,479	27,521
MnO	0,325	0,313	0,638	11,863
V2O5	0,049	0,048	0,097	1,803
P2O5	0,036	0,035	0,071	1,329
CaO	0,057	0,055	0,112	2,088
Разом:	26,000	25,000	51,000	949,000

У процесі плавки беруть участь компоненти концентрату, кг:

TiO2 : 638 - 32,538 = 605,462

Fe2O3: 45 - 2,293 = 42,705

FeO : 232,9 - 11,8779 = 221,022

SiO: 22 - 1,122 = 20,878

Al2O3 : 13 - 0,063 = 12,337

MgO : 2,1 - 0,1071 = 1,993

Cr2O3 : 29 - 1,479 = 27,521

MnO : 12,5 - 0,638 = 11,863

V2O5 : 1,9 - 0,0969 = 1,803

P2O5 : 1,4 - 0,0714 = 1,329

CaO : 2,2 - 0,1122 = 2,088

Разом : 1000 - 51=949

При руднотермічній плавці FeO відновлюється до Fe О:

Fe2O3 + С = 2 FeО + СО (7)

160 12 144 28

42,705 а б в

а = 3,203 кг б = 38,435 кг в = 7,473 кг.

При плавці шлаку протікають реакції:

TiO2 + 2С = Ті + 2СО (8)

MnO + 2С = Mn + 2СО (9)

SiO2 + 2С = Si + 2СО (10)

V2O5 + 5С = V + 5СО (11)

З TiO2 + С = Ti3O5+ СО (12)

Cr2O3 + ЗС = 2 Cr + ЗСО (13)

P2O5 + 5 С = 2 Р + 5 СО (14)

FeO + С = Fe + СО (15)

Fe2O3 + ЗС = 2 Fe + ЗСО (16)

Кількість компонентів, що вступають у хімічні реакції (8), (9), (10), (11), (13), (14) кг:

TiO2 = (605,462 · 0,05) /100 = 0,303;

MnO (11,863 · 6)/ 100 = 0,712 ;

SiO2 = (20,878 · 7,5)/ 100 = 1,566;

V2O5 = (1,803 · 30 )/ 100 = 0,541;

Cr2O3 = (27,521 · 21) / 100 = 5,779;

P2O5 = (1,329 · 46)/ 100 = 0,611.

Визначаємо витрату вуглецю й кількість одержуваних продуктів по реакції (8):

TiO + 2С = Ті + 2СО

80 24 48 56

0,303 а б в

а = 0,091кг С; б = 0,182 кг Ті; в = 0,212 кг СО.

Вступить у реакцію 605,462 - 0,303 = 605,159 кг.

По реакції (9):

MnO + 2С = Mn + 2СО

71 12 55 28

0,712 а б в

а = 0,120 кг С; б = 0,551 кг Mn; в = 0,281 кг СО.

У шлак перейде 11,863 - 0,712 = 11,151 кг MnO.

По реакції (10) :

SiO2 + 2С = Si + 2СО

60 24 28 56

1,566 а б в а = 0,629 кг С; б = 0,731 кг Si; в = 1,461 кг СО.

У шлак перейде 20,878 - 1,566 = 19,312 кг SiO

По реакції (11):

V2O5 + 5С = V + 5СО

182 60 102 140

0,541 а б в

а = 0,178 кг С; б = 0,303 кг V; в = 0,416 кг СО.

У шлак перейде 1,803 - 0,541 = 1,262 кг V2O5.

По реакції (12):

З TiO2 + С = Ti3O5 + СО

240 12 224 28

605,159 а б в

а = 30,258 кг С; б = 564,815 кг Ti3O5; в = 70,602 кг СО.

По реакції (13):

Cr2O3 + ЗС = 2 Cr + ЗСО

152 36 104 84

5,779 а б в

а = 1,369 кг С; б = 3,954 кг Cr; в = 3,194 кг СО.

У шлак перейде 27,521 - 5,779 = 21,742 кг Сг2О3.

По реакції (14):

P2O5 + 5 С = 2 Р + 5 СО

142 60 62 140

0,611 а б в

а = 0,258 кг С; б = 0,267 кг Р; в = 0,603 кг СО.

У шлак перейде 1,329 - 0,611= 0,717 кг P2O5.

У шлаку залишається, кг: Al2O3 - 12,340 кг; MgO - 1,993 кг ,CaO - 2,088 кг .

Таким чином, склад шлаку, кг:

TiO2 - 564,813; SiO2 - 19,314; Al2O3 - 12,340; MgO - 1,993; Cr2O3 - 21,741; MnO - 11,151; V2O5 - 1,262; P2O5 - 0,717; CaO - 2,088.

Разом: 635,415.

Якщо плавку проводити до одержання в шлаку 5 % FeO, то його кількість складе:

FeO = (635,415 · 5) / 95 = 33,443 кг.

Кількість FeO, що вступає в реакцію(15) :

38,439 + 221,02 - 33,443 = 226,014 кг

FeO + С = Fe + СО

72 12 56 28

226,014 а б в

а =37,669 кг С; б = 175,788 кг Fe; в = 87,894 кг СО.

Кількість компонентів чавуна, кг:

Ti - 0,182; Mn - 0,551; Si - 0,731; V - 0,303; Cr - 3,954; P - 0,267; Fe - 175,788. Разом - 181,473.

Зміст вуглецю в чавуні складає 2 %: (181,473 0,02)/0,98 = 3,704кг.

Загальна витрата вуглецю складе:

0,091 + 0,120 + 0,626 + 0,178 + 30,273 + 1,369 + 0,258 + 37,72+ 3,704 + 3,203 = 77,476 кг.

Визначаємо кількість активного вуглецю в 100 кг антрациту.

Оксид Fe2O3 золи антрациту цілком відновлюється до металу, Al2O3 цілком переходить у шлак SiO2 на 75 % відновлюється до кремнію переходить у чавун. По реакції :

Fe2O3 + ЗС = 2 Fe + ЗСО

160 36 112 84

2,800 а б в

а = 0,630 кг С; 6 = 1,960 кг Fe ;в = 1,470 кг СО

По реакції :

SiO2 + 2С = Si + 2СО

60 24 28 56

2,700 а б в

а= 1,080 кг С; б = 1,260 Si; в = 2,520 СО

Загальна витрата вуглецю на відновлення складових золи:

0,630 + 1,08 = 1,710 кг.

У 100 кг антрациту залишається активного вуглецю

80,00 - 1,710 = 86,290 кг.

Таким чином, для відновлення концентрату необхідно антрациту:

77,476/(0,8629) = 89,786 кг.

З обліком пиловиносу антрациту 1,43 % витрата його складе:

89,465/0,9857 = 91,088 кг.

Пиловинос антрациту складе 91,088 - 89,465 = 1,303 кг, у ньому:

1,302 · 0,88 = 0,146 кг С;

1,302 · 0,025 = 0,033 кг летучих;

1,302 · 0,015 = 0,020 кг вологи;

1,302 · 0,08 =0,104 кг золи.

В антрациті міститься:

91,067 ·0,88 = 80,158 кгС;

91,067 · 0,025 = 2,277 кг летучих;

91,067 · 0,015 = 1,366 кг вологи;

91,067 · 0,08 = 7,287 кг золи.

Пішло на реакції:

80,140 - 1,146 = 79,011 кг С;

2,277 - 0,033 = 2,245 кг летучих;

1,366 - 0,0195 = 1,347 кг вологи;

7,285 - 0,104 = 7,183 кг золи.

У 7,183 кг золи міститься:

7,183 0,35 = 2,514 кг Fe2O3;

7,183 0,45 = 3,232 кг SiO2;

7,183 · 0,2 = 1,437 кг Al2O3.

Кількість SiO2 золи антрациту по реакції (10):

3,232 · 0,75 = 2,424 кг.

Перейшло в шлак 3,232 - 2,424= 0,808 кг.

Утвориться

Si (2,424 · 28) / 60 = 1,131 кг;

СО (2,424 · 56) / 60 = 2,263кг.

По реакції (9) утвориться:

Fе(2,514·112)/60=1,760кг;

СО(2,514·84)/160=1,320кг.

Летучі антрациту взаємодіють із киснем повітря по реакції :

СН4 + 1,5 О2= СО +2Н2О (17)

16 48 28 36

2,245 а б в

а = 6,734 кг ; б = 3,928кг СО; в = 5,050 кг.

Кількість і склад товарного чавуну приведений у таблиці 4.4.

Витрату електродів приймаємо рівним 25 кг на 1 т шлаку.

Отже, витрата електродів на процес складе:

669,329 · 0,025 = 16,778 кг.

Таблиця 4.4 Кількість і склад товарного чавуна

Елемент	кг	%
Ті	0,182	0,097
Мn	0,551	0,293
Si	1,862	0,990
V	0,303	0,161
Сr	3,954	2,102
Fe	177,548	94,388
С	3,704	1,969
Разом:	188,104	100,000

Кількість і склад шлаку представлені в таблиці 4.5.

Таблиця 4.5 Кількість і склад шлаку

Сполуки	кг	%
Ті3О5	564,815	84,162
MnO	11,151	1,662
SiO2	20,120	2,998
V2O5	1,262	0,188
Al2O3	13,774	2,052
MgO	1,993	0,297
Cr2O3	21,742	3,240
P2O5	0,717	0,107
FeO	33,443	4,983
СаО	2,088	0,311
Разом:	671,105	100,000

Вуглець електрода згоряє по реакції :

2С + О2 = 2 СО (18)

24 32 56

16,778 а б

а = 22,370 кг ; б = 39,148 кг СО.

Витрата кисню на реакції (17), (18):

6,783 + 22,37 = 29,104 кг.

З киснем повітря надходить азот

(29,104 · 77) / 23 = 97,435 кг,

де 77 і 23 - склад повітря (азот і кисень).

Витрата повітря: 29,104 + 97,435 = 126,540 кг.

Склад газів:

СО = 29,104 + 0,212 + 0,1281 + 1,462 + 0,416 + 70,637 + 3,194 + 0,603 + 88 + 1,470+ 2,570 + 3,957 + 39,04 = 218,794 кг;

Н2О= 1,376 + 5,087 = 6,417 кг;

N2= 97,435 кг;

Усього: 322,647 кг.

За результатами розрахунку складаємо матеріальний баланс плавки ільменітових концентратів у таблиці 4.6

Таблиця 4.6 Матеріальний баланс плавки ільменітового концентрату

Завантажено	Отримано
Продукт	кг	Продукт	кг
Концентрат	1000	Шлак	671,105
У т.ч.:TiO2	638,000	У т.ч.:	564,815
Fe2O3	45,000	MnO	11,151
FeO	232,900	SiO2	20,120
SiO2	22,000	V2O5	1,262
Al2O3	13,000	Al2O3	13,774
MgO	2,100	MgO	1,993
Cr2O3	29,000	Cr2O3	21,742
MnO	12,500	P2O5	0,717
V2O5	1,900	FeO	33,443
P2O5	1,400	СаО	2,088
СаО	2,200	чавун	188,104
антрацит	91,088	У т.ч.:Ti	0,182
У т.ч.: С	80,158	Mn	0,551
летучі	2,277	Si	1,862
H2O	1,366	V	0,303
зола	7,287	Cr	3,954
електроди	16,778	P	0,267
повітря	126,540	Fe	177,548
У т.ч.: О2	29,104	С	3,704
N2	97,435	Пил газів	27,303
		У т.ч.: TiO2	16,588
		Fe2O3	1,170
		FeO	6,055
		SiO2	0,572
		Al2O3	0,338
		MgO	0,055
		Cr2O3	0,754
		MnO	0,325
		V2O5	0,049
		P2O5	0,036
		СаО	0,057
		С	1,146
		летучі	0,033
		волога	0,020
		Зола	0,104
		Мех.утр.	25
		У т.ч.: TiO2	15,950
		Fe2O3	1,125
		FeO	5,823
		SiO2	0,550
		Al2O3	0,325
		MgO	0,053
		Cr2O3	0,725
		MnO	0,313
		V2O5	0,048
		P2O5	0,035
		СаО	0,055
		гази	322,647
		У т.ч.: СО	218,794
		H2O	6,417
		N2	97,435
Разом	1234,405	Разом	1234,158
Нав'язання	0,247%

Нев'язання балансу складає - 0,247 %, що допускається при розрахунках.

При контакті шлаку з повітрям після випуску з печі відбувається окислювання до Tiпо реакції (19):

Ti3O5 + 0,5 О2 = З TiO2 (19)

224 16 240

564,815 а б

а = 40,344 кг; б = 605,159 кг.

Товарний шлак має складу, що представлений у таблиці 4.7.

Таблиця 4.7 Кількість і склад товарного шлаку

З'єднання	кг	%
TiО2	605,159	85,060
MnO	11,151	1,567
SiO2	20,120	2,828
V2O5	1,262	0,177
Al2O3	13,774	1,936
MgO	1,993	0,280
Cr2O3	21,742	3,056
P2O5	0,717	0,101
FeO	33,443	4,701
СаО	2,088	0,293
Разом:	711,449	100,000

Матеріальний баланс окислювання шлаку при обробленні наданий у таблиці 4.8.

Таблиця 4.8 Матеріальний баланс окислювання шлаку при обробленні

Завантажено	Отримано
Продукт	кг	Продукт	кг
Шлак	671,105	Шлак	711,449
У т.ч.: TiO2	564,815	У т.ч.: TiO2	605,159
MnO	11,151	MnO	11,151
SiO2	20,120	SiO2	20,120
V2O5	1,262	V2O5	1,262
Al2O3	13,774	Al2O3	13,774
MgO	1,993	MgO	1,993
Cr2O3	21,742	Cr2O3	21,742
P2O5	0,717	P2O5	0,717
FeO	33,443	FeO	33,443
СаО	2,088	СаО	2,088
Кисень,повітря	40,344
Разом	711,449	Разом	711,449

2.2 Зведений матеріальний баланс одержання титанистого шлаку

На основі даних, наданих у таблицях 6, 7, 8, представляємо зведений матеріальний баланс одержання титанистого шлаку в таблиці 4.9.

Таблиця 4.9 Зведений матеріальний баланс одержання титанистих шлаків

Завантажено	Отримано
Продукт	кг	Продукт	кг
Концентрат	1000,000	Шлак	711,449
Антрацит	91,088	Чавун	188,104
Електроди	16,778	Гази	322,647
Повітря	166,883	Пил газів	27,303
		Мех. утрати	25,000
Разом:	1274,749	Разом:	1274,502

Нев'язання складає : 0,247 кг, що цілком припустимо при ручному рахуванні (припускаючи округлення).

Витрата сировини, матеріалів на 1 т (1000 кг) ільменітового концентрату шлаку знаходимо з таблиці 9.

Витрата сировини й матеріалів на 1 т (1000 кг) титанистого шли визначаємо у відповідності з формулою:

Х = (АБ)/У, (20)

де А - кількість сировини чи матеріалу, що витрачається на 1т концентрату, таблиця 4.9;

Б - кількість шлаку, 1 т;

В - кількість шлаку, що утвориться з 1 т шлаку, таблиця 4.9.

На 1 т шлаку витрата концентрату й матеріалів складає:

шлаку - 1,404 т;

антрациту - 0,28032 т;

електродів - 0,0235 т;

повітря - 0,234569 т.

Утвориться:

пилу - 0,0384 т;

механічні втрати (у виді пилу) - 0,035 т;

газів - 0,4864 т.

Результати розрахунку представляємо у зведеній таблиці 4.10.

Таблиця 4.10 Витрата сировини та матеріалів на 1 т концентрату, а також продуктів, що утворяться на 1 т шлаку

На 1 т концентрату, т	На 1 т шлаку, т
Антрацита	0,91088	Концентрату	1,4055
Електродів	0,016778	Антрацита	1,2803
Повітря	0,166883	Повітря	0,2345
		Утвориться:
		Газів	0,4535
		Пилу	0,0384
		Механічних утрат	0,0351



Висновки

В ході виконання курсової роботи було розглянуто: технологію виробництва титану, а саме: його фізико-хімічні властивості; руди та мінерали; способи переробки рудної сировини титану; виплавка титанових шлаків; виробництво тетрахлориду титану; конденсацію і розподіл продуктів хлорування та інше. Більш детально було розглянуто технологію отримання губчатого титану за способом Кролла, тобто відновлення тетрахлориду титану магнієм. 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.

Також був проведений розрахунок матеріального балансу який включає в себе розрахунок складу шихти для плавки, розрахунок зведеного матеріального балансу та витрати сировини і матеріалів. В результаті розрахунків встановлено, що нев'язка становить 0,247 кг, що свідчить про те, що матеріальний баланс розраховано вірно.



Перелік використаної літератури

1. Сергаев В.В Металлургия титана / Сергаев В.В., Галицкий Н.В., Киселев В.П., Козлов В.М. - М.:Металлургия, 1971. - 320с.;

2. Бейбеков М.К., Попов В.Д., Чепрасов И.М. Магниетермическое производство губчатого титана. - М.:Металлургия, 1984. - 96с.;

3. Тарасов A.B. Металургія титану [Текст]: навчальний посібник для студентів / A.B. Тарасов - М.: ИКЦ «Академкнига», 2003. -- 328 с. - Бібліогр. : 326 . - 400 прим.;

4. Парфенов О.Г. Проблемы современной металургии титана / О.Г. Парфенов, Г.Л. Пашков ; отв. ред. А.Д. Михнёв ; Рос. акад. наук, Сиб. Отд-ние, Ин-т химии и химической технологи. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2008. - 279с.;

5. Гармата В.А. Титан [Текст]: навчальний посібник / В.А. Гармата, А.Н. Петрунько, Н.В. Галицький, Ю.Г. Олесов, Р.А. Сандлер - М.: Металлургія, 1983. - 559 с. - Бібліогр. : 557 . - 300 прим.;

6. Зелікман А.Н. Металургія рідких металів [Текст]: підручник для вузів / А.Н. Зелікман, Б. Г. Коршунов - Вид. 2-е, допр. і перер. - М.: Металургія, 1991. - 432 с. - Бібліогр. : 430 . - 500 прим.;

7. http://5ka.at.ua/load/khimija/titan_referat/68-1-0-8026 [Текст];

8. Іващенко В. І Металургія рідкісних металів [Текст]: навчальний посібник / В. І. Іващенко, О. В. Іващенко, В. В. Лебедєв - Запоріжжя: Видавництво ЗДІА, 2005. - 168 с. - Бібліогр. : 164 . - 150 прим..

Размещено на Allbest.ru