Металлургия цветных металлов. Практикум

5  Металлургияредкихцветныхметаллов

Первый образец металлического титана получил в 1825 году швед Й.Я. Берцелиус. Из-за высокой химической активности титана и сложности его очистки чистый образец Ti получили голландцы А. ван Аркел и И. де Бур в 1925 году термическим разложением паров TiI4.

Замечательные свойства титана (высокая температура плавления, малая плотность, высокая прочность, коррозионная стойкость) наряду с уникальными механическими свойствами, которые зависят от чистоты металла, определяют области его применения.

Кларк титана 0,58 %. Из 70 известных минералов, в состав которых входит титан, промышленное значение на сегодняшний день имеют рутил и ильменит. Часто ильменит находится в тесной связи с магнетитом, такие руды называют титаномагнетитовыми. Ценными элементами-спутника- ми в титановых рудах являются Ta, Nb, Zr и РЗЭ.

Технологическая схема переработки титановых руд на диоксид титана представлена на рисунке  5.1.

На I стадии сходную руду обогащают (гравитацией, магнитной или электрической сепарацией) с получением черных шлихов.

Разделение железа и титана происходит в ходе восстановительной плавки, в результате большая часть железа восстанавливается и образует чугун, а титан, который практически не восстанавливается, остается в шлаке (II стадия). Плавку ведут в дуговых электропечах при температуре 1600…1650 °С. Извлечение титана в шлак составляет 96…97 %.

На III стадии осуществляется извлечения титана из шлака с получением товарных продуктов (металлического титана или чистого диоксида титана). На этой стадии шлак подвергают хлорированию при температуре 700…900 °С. Основное количество титана переходит в газовую фазу в виде тетрахлорида, а большая часть примесей остается в твердом или жидком состояниях. В результате образуются три продукта: остаток

111

Рисунок  5.1 – Технологическая схема получения диоксида титана

112

непрохлорированного материала, жидкие хлориды и парогазовая смесь (ПГС), которая имеет сложный состав. Первоначально ПГС охлаждают (с 600 до 150 °С), затем направляют

впылевые камеры для удаления частиц твердых хлоридов.

Воросительных конденсаторах в результате дальнейшего ох-

лаждения TiCl4 переходит в жидкое состояние, а оставшиеся газы направляются в санитарные скрубберы для улавливания

HCl, Cl2, COCl2 и CO2. Жидкий технический TiCl4 содержит примеси, поэтому очистка от них осуществляется последо-

вательно в двух ректификационных колоннах. Содержание

примесей в очищенном TiCl4 составляет 10–3…10–5 %.

Диоксид титана TiO2 получают способом «сжигания» тетрахлорида титана при температуре 900…1000 °С:

TiCl4 + O2 = TiO2 + 2Cl2.

Образующийся хлор возвращается на хлорирование титанового сырья.

Получение металлического титана восстановлением из оксида затруднено из-за высокого сродства титана к кислороду. Основное количество титана производят магниетермическим восстановлением TiCl4 в вакууме или в атмосфере инертных газов (рисунок  5.2).

В герметизированную реторту, заполненную аргоном, заливают расплавленный магний. Из напорного бачка с регулируемой скоростью подают жидкий TiCl4, который вступает в реакцию с магнием. Восстанавливающиеся частицы титана опускаются на дно реторты и спекаются в пористую губку. Образующийся хлорид магния периодически удаляют. После выдержки в течение некоторого времени реторту извлекают и охлаждают водой. Для удаления из титановой губки неизрасходованного Mg и образовавшегося MgCl2 применяют вакуумную дистилляцию.

Подавляющую часть титана, полученного в виде губки, после дробления до 5…70 мм превращают в компактные заготовки массой до 3…10 т методом дуговой вакуумной плавки.

113

Рисунок  5.2 – Схема получения металлического титана из TiCl4

Наиболее чистый титан можно получить с помощью иодного метода рафинирования:

Ti(исходный) + 2I2(пар) → TiI4(пар) → Ti(чистый) + 2I2(пар).

Электронной бестигельной плавкой иодидного металла получен сверхчистый титан, содержащий 99,9999 % Ti.

Контрольные вопросы

1  Титан относится к группе цветных металлов: 1)  легкие;

114

2)  редкоземельные;

3)  тугоплавкие;

4)  благородные;

5)  тяжелые.

2  Долгое время металлический титан не находил практического применения, так как:

1)  он очень дорогой;

2)  малый объем производства;

3)  не изучены свойства;

4)  был сильно загрязнен примесями;

5)  невозможно получать сплавы.

3  Достоинства титана как конструкционного материала: 1)  высокая механическая прочность; 2)  малая плотность; 3)  коррозионная стойкость; 4)  жаропрочность;

5)  отсутствие протекторной пленки.

4  Минералы титана, имеющие промышленное значение: 1)  рутил; 2)  перовскит; 3)  анатаз; 4)  титанат;

5)  ильменит.

5  Ценные элементы – спутники титана в рудах: 1)  Nb;

2)  Ta;

3)  Zr;

4)  Au;

5)  Al.

6  Концентраты, применяющиеся в производстве титана и его соединений:

1)  рутиловые;

115

2)  ильменитовые;

3)  бокситовые;

4)  лопаритовые;

5)  халькопиритовые.

7  Продукты переработки титановых концентратов: 1)  тетрахлорид титана; 2)  ферротитан; 3)  диоксид титана; 4)  иодид титана;

5)  карбонат титана.

8  Способ получения диоксида титана:

1)  сжигание TiCl4 в атмосфере кислорода;

2)  окислительная плавка титановой руды; 3)  осаждение TiO2 из раствора TiCl4;

4)  окисление титана при огневом рафинировании;

5)  нет правильного ответа.

9  Способы получения титана: 1)  пиролиз; 2)  ректификация;

3)  гидрометаллургический;

4)  электролитический;

5)  металлотермический.

10  Технологическая схема производства титана включает операции:

1)  окислительный обжиг руды;

2)  восстановительная плавка концентрата;

3)  огневое рафинирование;

4)  конденсация хлоридов;

5)  металлотермическое восстановление.

11  Цельвосстановительнойплавкиконцентратовтитана: 1)  перевод титана в чугун; 2)  перевод титана в шлак;

116

3)  перевод железа в шлак;

4)  перевод железа в чугун;

5)  получение металлического титана.

12  Способы хлорирования титансодержащих матери-

алов:

1)  в солевом расплаве;

2)  в кипящем слое;

3)  в солевом растворе;

4)  в водном растворе;

5)  в жидкой ванне.

13  Основной недостаток хлорирования брикетированных шихт:

1)  необходимость добавки угля в шихту;

2)  большие затраты на брикетирование;

3)  использование анодных газов магниевого производ-

ства;

4)  многостадийность подготовительных операций;

5)  сложность оборудования.

14  Преимущества хлорирования в солевом расплаве: 1)  выше скорость хлорирования;

2)  высокое содержание CO2 снижает взрывоопасность

ПГС;

3)  больше общий объем газов;

4)  выше концентрация тетрахлорида титана;

5)  необходимость регенерации отработанного электро-

лита.

15  Температура при хлорировании в солевом расплаве поддерживается:

1)  сжиганием кокса;

2)  сжиганием природного газа;

3)  теплом экзотермических реакций;

4)  введением флюсов;

5)  теплом от прохождения электрического тока.

117

16  Продукты хлорирования титанового шлака: 1)  жидкие хлориды; 2)  атомарный хлор; 3)  твердые хлориды;

4)  непрохлорированная шихта;

5)  парогазовая смесь.

17  Парогазовая смесь, выходящая из хлоратора, содер-

жит:

1)  летучие хлориды;

2)  смесь СО + СО2;

3)  нелетучие хлориды;

4)  пыль (твердые частицы шихты);

5)  пары воды.

18  Парогазовую смесь хлоратора подвергают: 1)  фильтрации; 2)  охлаждению; 3)  ректификации;

4)  центрифугированию;

5)  сгущению.

19  Ректификационная очистка TiCl4 основана на различии:

1)  температур плавления;

2)  температур кипения;

3)  температур кристаллизации;

4)  плотностей хлоридных растворов;

5)  плотностей хлоридных расплавов.

20  Ректификацию парогазовой смеси проводят в аппаратах:

1)  колонны;

2)  диффузоры;

3)  электропечи;

4)  автоклавы;

5)  хлораторы.

118

21  Потенциально опасные и вредные соединения при производстве TiCl4:

1)  Cl2;

2)  HCl;

3)  CO;

4)  TiCl4;

5)  O2.

22  Требования к металлу-восстановителю при металлотермической плавке титана:

1)  чистота;

2)  тонкодисперсность;

3)  низкая стоимость;

4)  химическая активность;

5)  тугоплавкость.

23  Титан при магниетермии получают в виде: 1)  раствора; 2)  гранул; 3)  расплава; 4)  губки; 5)  газа.

24  Для выплавки титановых слитков используют

печи:

1)  шахтные;

2)  индукционные;

3)  отражательные;

4)  электродуговые;

5)  кипящего слоя.

25  Способы рафинирования титана: 1)  окислительное; 2)  фторное;

3)  электролитическое;

4)  иодидное;

5)  хлорное.

119

26  Сырье для иодидного рафинирования титана: 1)  губка;

2)  расплав TiCl4;

3)  технический титан;

4)  раствор TiCl4;

5)  стружка.

120