Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Производство металлического титана

01.02.2020

Вследствие высокой температуры плавления титан при восстановлении получается в форме порошка или губки.

Наиболее перспективным методом получения титана является так называемый металлотермический метод — восстановление кальцием, натрием или магнием. Исходным сырьем для восстановления может служить двуокись или хлорид титана.

Для получения металлического титана в крупных масштабах наиболее удобен как исходное сырье четыреххлористый титан, обладающий меньшей химической прочностью, чем его окисел, и не загрязняющий металл кислородом.

Промышленными методами получения металла из хлорида являются восстановление его магнием или натрием.

Наиболее распространен способ восстановления четыреххлористого титана магнием.

Схема аппарата для магниетермического восстановления четыреххлористого титана представлена на рис. 199.

В стальной реактор загружают магниевые чушки с 10%-ным избытком против теоретически необходимого количества. Восстановление ведут в атмосфере инертного газа при температуре в зоне реакции порядка 950—1000°, регулируемой скоростью подачи хлорида титана.

Из резервуара в тигель впускают жидкий четыреххлористый титан, который, испаряясь, взаимодействует с магнием. Частицы образовавшегося металлического титана спекаются в губчатую массу. Накапливающийся хлористый магний сливают. После окончания процесса тигель охлаждают, а содержимое выфрезеровывают по стенки или отжигают.

Отделение стружки титановой губки от включений непрореагировавшего магния и хлористого магния ранее проводили гидрометаллургическим путем — выщелачиванием на холоду водой и соляной кислотой с последующим измельчением губки в порошок и магнитной сепарацией для отделения от механической примеси железа.

Гидрометаллургический способ отмывки сопровождался окислением порошкообразного металла и поглощением водорода, выделяющегося при кислотной обработке губки, поэтому метод вакуумного отделения хлористого магния полностью вытеснил гидрометаллургический способ.

Отгонка магния и хлористого магния в вакууме основана на высокой упругости паров этих веществ при повышенных температурах и может быть осуществлена как в отдельном аппарате, так и в том же аппарате, в котором восстанавливался хлорид титана.

Хлористый магний используется для электролитического получения магния и хлора, которые в свою очередь применяют при хлорировании и восстановлении титана. На производство 1 т титана расходуется около 1 т магния и 4 г четыреххлористого титана. Полученный магниетермическим восстановлением титановый порошок имеет примерно следующий состав: 0,4—0,5% Mg; 0,01—0,15% Cl; -0,1% Fe; -0,1% Н; 0,05—0,1% О; 0,01— 0,05% N; 0,03—0,04% С; остальное Ti.

Для восстановления четыреххлористого титана можно применять также натриетермический метод, однако он связан с некоторыми трудностями вакуумной сепарации титановой губки от натрия и натриевых солей из-за малого интервала температур плавления хлористого натрия (800°) и кипения металлического натрия (880°) и экономически менее выгоден, чем магниетермический метод. Однако в Англии натриетермический метод нашел широкое распространение, очевидно, вследствие относительной дешевизны натрия по сравнению с магнием.

Кальциетермический метод восстановления окиси титана сложности не представляет и протекает по следующей реакции:

TiO2 + 2Са = Ti + 2СаО,


Окись титана восстанавливают кальциевой стружкой в атмосфере аргона. Применяющийся в качестве восстановителя кальций должен быть как можно более чистым по содержанию азота и углекислоты, которые он поглощает из воздуха и которые переходят при восстановлении в титан. Поэтому для восстановления применяют кальций, очищенный дистилляцией. При восстановлении кальцием образуется мелкий порошок, вследствие чего при промывке порошка кислотой от восстановителя и хлористого кальция происходит значительное окисление порошка и растворение его в кислоте.

Поэтому для укрупнения частиц, в исходную шихту добавляют CaCl2 в отношении 1:1 к образующемуся CaO. Расплавленный хлористый кальций растворяет окись кальция, переводя ее в расплав. Таким образом, окись кальция не разъединяет кристаллы и создаются условия для образования крупных частиц титана.

При восстановлении применяют избыток кальция 25—50% против теоретического процесс проводят при температуре 1000—1100° и при получении достаточной крупности порошка содержание титана в нем достигает 99—99,5%.

Получение компактного ковкого титана можно осуществлять методом термической диссоциации его йодистых солей, металлокерамическим методом или переплавкой.

Метод термической диссоциации йодистых солей, так называемый иодидный метод, применяется в довольно широких масштабах для производства титана высшей степени чистоты. Однако его применение ограничено пока малой производительностью. Исходным материалом служит титановая губка, полученная восстановлением четыреххлористого титана магнием. Процесс осуществляется в диссоциаторах, изготовленных либо из тугоплавкого стекла, либо из сплава инконель, не взаимодействующего с парами иода. Процесс основан на том, что йодистые соли титана легко испаряются и затем полностью разлагаются при соприкосновении с накаленной металлической нитью, на которой отлагается компактный, чистый бескислородный металл.

На рис. 200 приведены схемы аппаратов для диссоциации иодидов титана.
Производство металлического титана

Порошок или губку титана загружают в зазор, образованный вставленным внутрь аппарата сетчатым цилиндром из молибдена. Систему откачивают и одновременно нагревают до 500—550°, после чего внутри реактора разбивают ампулу с иодом, пары иода реагируют с титаном, образуя пары иодида титана, который диссоциирует на раскаленной до 1300—1400° проволочке образуя компактный титан. На 1 кг титановой губки расходуется 20—50 г йода в зависимости от размера реактора. Титан, полученный йодидным способом, имеет следующий примерный состав: 09,9—99,95% Ti; 0,03% С; 0,04 Fe; 0,01-0,1% Si, Н, N и 0 -следы.

Компактный металл из порошка или губки может быть также получен методами порошковой металлургии (путем прессования и спекания в высоком вакууме). При этом методе не может быть использован мелкозернистый порошок, содержащий большое количество окисных пленок. Порошок или измельченную губку прессуют в стальных прессформах под давлением 7—8 т/см2, полученные брикеты спекают в высоком вакууме порядка 10в-4 мм рт. ст. при 1000—1100° в течение 16 час. Спеченные заготовки подвергают дальнейшей обработке с целью получения листов, проволоки или других изделий.

В процессе вакуумного спекания удаляются летучие примеси — магний, хлорид магния, водород и другие; металл имеет следующий состав: 99,7% Ti; 0,05% С; 0,05% Fe > 0,2% N. Недостатком металлокерамического способа являются длительность и относительно малая производительность из-за ограниченности размеров заготовок.

Для производства ковкого титана в производственных масштабах применяют метод плавки в электродуговой плавильной печи с медным тиглем, охлаждаемым водой, в атмосфере инертного газа, либо в индукционной печи в графитовом тигле также в защитной атмосфере инертного газа. Основным затруднением метода плавки является выбор материала для тигля. При применении графитового тигля образуется карбид титана, который создает затруднения при обработке металлов резанием, так как он выкристаллизовывается в титане в форме изолированных включений, от соприкосновения с которыми ломается режущий инструмент.

Электродуговую плавку ведут в охлаждаемом водой медном тигле (рис. 201) в печи постоянного тока с вольфрамовым катодом или с расходуемым также охлаждаемым водой или с расходуемым катодом из титана. В первом случае по мере подачи

титановой губки в медный тигель и наплавления металла вольфрамовый катод поднимается, вытягивая слиток, благодаря тому что расплавленный титан не смачивает поверхности охлаждаемой меди. Более крупные отливки можно получить, применяя вытягивание слитка вниз.

При применении дуговой плавки с вольфрамовым электродом нужно, чтобы исходная титановая губка была как можно более чистой, так как присутствие в ней хлорида магния вызывает разъедание вольфрамового катода и загрязнение титана вольфрамом. Поэтому наиболее распространен способ плавки с расходуемым электродом из титана, спрессованным из титанового порошка или губки, либо вне дуговой печи, либо путем непрерывного наращивания и переплавки при помощи вспомогательного вольфрамового электрода. Выплавленный в дуговой печи титан имеет примерный состав: 99,8% Ti; >0,05% С; >0,01% Н; >0,05% N; >0,2% О; 0,07% Si и следы Mg и Cl.

Современная схема получения компактного металла из ильменита приведена на рис. 202.

Ильменитовый концентрат шихтуют с углем и флюсами и прессуют в брикеты. Плавку брикетов на чугун и шлак ведут в дуговой электропечи, получая титанистый шлак с содержанием титана 70—80%' и чугун. Шлак размалывают и изготовляют из него брикеты с древесным углем, применяя патоку или каменноугольный пек в качестве связующего. Брикеты коксуют при 800° для увеличения пористости и хлорируют газообразным хлором в электрической шахтной печи. Полученный технический хлорид очищают от механических примесей и большой массы хлорного железа фильтрацией через керамиковые фильтры, а от низкокипящих примесей — дистилляцией в колонках после восстановления углем или медью. Из очищенного хлорида титана восстанавливают титан магниетермическим способом в реакторе в атмосфере инертного газа. Хлористый магний сливают, а титановую губку извлекают из реактора и помещают в тигельную вакуумную печь, в которой происходит отгонка хлористого магния и металлического магния. Освобожденную от этих примесей титановую губку измельчают и направляют на плавку для получения компактного металлического титана или' его сплавов с другими металлами.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: