ИТС 24-2020 Производство редких и редкоземельных металлов

     2.15 Титан

2.15.1 Свойства титана и его применение

Наибольшую опасность при получении титана представляет пыль диоксида титана и его концентратов, брикетированного, образующегося при измельчении, смешивании и погрузке сыпучего сырья, при использовании негерметичного оборудования, а также тепловое излучение от печей.

Предельно допустимые концентрации диоксида титана по стандартам США в зависимости от регламентируемого показателя составляют 5-20 мг/м.

В воздухе рабочих помещений цехов, где проводят хлорирование диоксида титана и очистку тетрахлорида титана, могут находиться хлор, пары тетрахлорида титана и продукты пиролиза. В процессе восстановления тетрахлорида титана вероятно загрязнение окружающего воздуха хлористым водородом. Пыль металлического титана появляется в воздухе при выбивке, измельчении, отделении и упаковке губчатого титана. Вблизи дуговых печей нередко имеет место воздействие теплового и ИК-излучения с объемной плотностью теплового потока, равной 2.1-3,5 кВт/(мс).

Исходным сырьем для производства металлического титана являются рутиловые концентраты, содержащие не менее 92-94% ; ильменитовые концентраты с содержанием 52-65% , получаемые из россыпей, и 42-47% - из руд коренных месторождений, а также титановые шлаки.

В настоящее время подавляющую часть металлического титана получают восстановлением его тетрахлорида магнием или натрием. В небольших количествах титан получают прямым восстановлением из диоксида кальцием или гидридом кальция.

Наиболее распространенная принципиальная схема получения титана из ильменитовых концентратов состоит в следующем. Вначале проводят пирометаллургическую подготовку исходного сырья восстановительной плавкой на титановый шлак с целью избирательного восстановления оксидов железа до чугуна и максимального перевода титана в шлак. Восстановительную плавку ильменитовых концентратов проводят в высокотемпературных электрических печах закрытого типа, используемых обычно при производстве ферросплавов (рисунок 2.8).

Основной процесс плавки описывается в общем виде уравнением:

                                       (2.16).

Плавку ильменитовых концентратов ведут с минимальным расходом флюсов или совсем без них, чтобы не уменьшить содержание диоксида титана в шлаках ниже 82-87%. Это ведет к образованию очень тугоплавких и вязких шлаков с температурой плавления выше 1500°С, что требует применения высокотемпературных печей. В качестве восстановителя при плавке используют кокс или антрацит. Шлак и чугун периодически сливают через летку в общую изложницу. После расслаивания и затвердения чугун и шлак механически разделяют и направляют на самостоятельную переработку. Извлечение титана в шлак составляет 93-96,5%.

В небольших количествах для нужд черной металлургии из ильменитовых концентратов алюмотермическим способом получают ферротитан состава, %: 25-30 Ti, 5-8 - AI, 3-4 - Si, остальное - Fe.

Дальнейшая технология получения металлического титана слагается из трех стадий. Вначале хлорированием исходных материалов газообразным хлором получают технический тетрахлорид титана по реакции:

                                   (2.17).

Затем после очистки тетрахлорида от примесей его подвергают магнийтермическому восстановлению до металлического титана:

кДж                (2.18).

Поскольку титан восстанавливают магнием при температуре 750-850°С, что значительно ниже температуры его плавления, металл получается в виде спеченных кристаллов - губки (готовой продукции титаномагниевых комбинатов). Перерабатывают титановую губку в компактные слитки на металлообрабатывающих предприятиях.

Весьма перспективен для переработки титановых отходов - брака губки и вторичного титанового сырья - электролитический способ, в котором анодом служат мелкие материалы из металлического титана, помещенные в стальную корзину. Катодный осадок в виде удлиненных (~20 мм) кристаллов осаждается на стальных катодных основах, после чего его срезают, дробят в щековых дробилках и измельчают в стержневых мельницах с титановыми стержнями. Катодный осадок имеет чистоту стандартной титановой губки. Процесс электролиза ведут в электролите расплава хлоридов калия и натрия с растворенными в нем низшими хлоридами титана в герметичных электролизерах в среде аргона. Идея метода уже используется в промышленной практике электролитического рафинирования титана.

Получение чистого тетрахлорида титана () включает производство технического тетрахлорида и его очистку от примесей.

Тетрахлорид титана

Бесцветную жидкость с 136°С получают воздействием газообразного хлора на диоксид титана при температуре 700-900°С в присутствии углерода (см. реакцию (2.13)). Кроме оксида, титана хлор частично воздействует на кислородные соединения других элементов, что приводит к образованию летучих хлоридов железа, кремния, ванадия и др.

Хлорирование титансодержащих материалов проводят с использованием шихт в солевом расплаве и в кипящем слое. Хлорирование брикетированных шихт требует проведения громоздких подготовительных операций: измельчения компонентов шихты, их смешения, брикетирования и прокаливания брикетов. Для хлорирования брикетируемых шихт можно использовать шахтные электрические печи, шахтные хлораторы непрерывного действия с движущимся сверху вниз слоем брикетов. Хлорирование брикетированных шихт проводят анодными газами магниевых электролизеров, содержащих 65-70% CI. Основные недостатки этого способа - большие затраты на брикетирование и длительность этой операции.

1 - кожух; 2 - магнезитовая футеровка; 3 - электроды; 4 - токоподвод к электродам; 5 - водоохлаждаемый свод; 6 - газоход; 7 - шихтовые бункера; 8 - система перепуска электродов; 9 - шихтовые течки; 10 - гарнисаж; 11- шлак; 12 - летка; 13 - чугун