Восстановление тетрахлорида титана магнием
Восстановление тетрахлорида титана ТiС14 проводят периодически в цилиндрических стальных герметичных ретортах диаметром от 850 до 1500 мм и высотой от 1800 до 3000 мм. Такой объем реторты позволяет получать за одну операцию до 1500 кг титановой губки. Реторты устанавливают вертикально обычно в электрическую печь сопротивления. Сверху реторта закрыта крышкой, имеющей патрубки для загрузки магния, подачи TiCl4 откачки воздуха и подвода аргона (рис. 3).
После установки реторты в печь и откачки из нее воздуха она заполняется осушенным аргоном и нагревается до 740-800° С, после чего в нее заливают жидкий магний и начинают подачу жидкого тетрахлорида титана. Процесс получения титана можно упрощенно представить следующим уравнением реакции
TiCl4 (газ) + 2Mg(ж) = -2MgCl2(ж) + Ti(тв)+935 000 Дж (223 000 кал)
Рис.3. Схема электропечи и реактора для восстановления
тетрохлорида титана магнием:
1-реактор, 2-крышка, 3-перфорированное дно, 4-запорное
устройство для слива хлористого магния, 5-электропечь,
6и8-оздушные коллекроры для подачи в печь охлаждающего
воздуха, 7-термощупы.
После интенсивного развития реакции выключают нагрев и поддерживают температуру в пределах 750-850° С, регулируя скорость подачи тетрахлорида титана, так как процесс протекает с большим выделением тепла, а когда поверхность реторты перегревается, ее обдувают холодным воздухом. Титан выделяется в реторте в виде хорошо развитых дендритов, которые получили название титановой губки.
Жидкий хлористый магний периодически выпускают через патрубок в днище реторты, так как его объем в 10 раз превышает объем получаемой титановой губки. За один раз сливают 100-200 кг хлористого магния, который направляют в электролизный цех для получения металлического магния. После введения расчетного количества TiCl4 и затухания реакции включают обогрев и выдерживают реторту еще около часа при температуре 900° С для завершения восстановления. Весь процесс восстановления занимает в заводских условиях 30-35 ч. Затем реторту извлекают из печи краном и охлаждают водой на отдельном стенде несколько часов до температуры 20-40° С, после чего содержимое ее состоит из титановой губки 50-70%, остатка хлористого магния 15-20%, заполняющего поры губки, и избытка магния 30-35%. Для разделения продуктов реакции пользуются различием давлений их паров при температуре 900°С в вакууме. В этих условиях давление паров титана очень мало; хлорида магния - около 1кПа (8 мм рт. ст.), а металлического магния- около 10 кПа (80 мм рт. ст.).
Крышку реторты снимают и укрепляют вместо нее охлаждаемый водой конденсор. Реторту устанавливают в печь (рис. 4) так, чтобы создать вакуум как внутри, так и вне реторты.
Это необходимо для предупреждения деформации стальных стенок реторты, находящейся под вакуумом, от давления атмосферы. Если вакуум имеется по обе стороны стенок, разность давлений меньше и нагрузка на нагретые стенки значительно снижается. Дистилляцию магния и хлорида магния проводят при температуре 900° С и остаточном давлении порядка 0,1 Па (10-4 мм рт. ст.) в течение нескольких десятков часов. Затем реторту опять медленно охлаждают, открывают и пневматическими зубилами выбивают из нее титановую губку, так как она часто плотно приваривается к стенкам реторты. Отделенный дистилляцией магний опять используют как восстановитель Ti.
Рис.4. Титановый цех титано-магниевого завода:
на переднем плане реторта 1, соединенная с
конденсатором2 перед ее установкой в печь.
Титановая губка дробится и тщательно сортируется. Наиболее чистая губка идет на переплавку; низкосортная, содержащая включения хлоридов, брикетируется и используется как раскислитель стали в черной металлургии.
Для получения из титана и его сплавов ответственных изделий очень важна его хорошая пластичность и свариваемость, а также термостойкость. Исследованием установлено, что наиболее резко ухудшают эти свойства кислород, хлор и азот. Поэтому в титановой губке не должно быть более 0,012% С12, 0,10% 02 и 0,04% N2. Качество отечественной титановой губки не уступает лучшим зарубежным образцам.