§ 3. Производство титана

Титан отличается высокой механической прочностью, коррозионной стойкостью, жаропрочностью (t _пл = 1660 °С) и малой плотностью (4,51 г/см³). Его применяют как конструкционный материал в самолетостроении, а также при постройке сосудов, предназначенных для транспортирования концентрированной азотной и разбавленной серной кислот.

Применяют также диоксид TiO₂ для производства титановых белил и эмали.

Наиболее распространенным сырьем для получения титана и диоксида титана служит ильменитовый концентрат, выделяемый при обогащении титаномагнетитовых железных руд, в котором содержится, %: 40-60 TiO₂, ~30FeO, ~20Fe₂O₃ и 5–7 пустой породы (CaO, MgO, A1₂O₃, SiO₂), причем титан в виде минерала ильменита FeO • TiO₂.

Технологический процесс производства титана из ильме-нитового концентрата состоит из следующих основных стадий: получение титанового шлака восстановительной плавкой, получение тетрахлорида титана хлорированием титановых шлаков, получение титана (губки, порошка) восстановлением из тетрахлорида. Кроме того, зачастую проводят рафинирование полученного титана и иногда переплав для получения титана в виде слитков.

750

Восстановительная плавка ильменит ового концентрата имеет целью перевести TiO₂ в шлак и отделить оксиды железа путем их восстановления. Плавку проводят в электродуговых печах. В печь загружают концентрат и восстановитель (кокс, антрацит), их нагревают до ~ 1650 °С. Основной реакцией является: FeO • TiO₂ + С = Fe + TiO₂ + CO. Из восстановленного и науглероживающегося железа образуется чугун, а оксид титана переходит в шлак, который содержит 82-90% TiO₂ (титановый шлак).

получение тетрахлорида титана TiCl₄ осуществляют воздействием газообразного хлора на оксид титана при температурах 700-900 °С, при этом протекает реакция: TiO₂ + + 2С1₂ + 2С = TiCl₄ + 2СО. Исходным титаносодержащим сырьем при этом является титановый шлак.

Хлорирование осуществляют в шахтных хлораторах непрерывного действия или в солевых хлораторах. Шахтный хлоратор – это футерованный цилиндр диаметром до 2 и высотой до 10 м, в который сверху загружают брикеты из измельченного титанового шлака и снизу вдувают газ магниевых электролизеров, содержащий 65–70 % С1₂. Взаимодействие TiO₂ брикетов и хлора идет с выделением тепла, обеспечивающего необходимые для процесса температуры (~ 950 °С в зоне реагирования). Образующийся в хлораторе газообразный TiCl₄ отводят через верх, остаток шлака от хлорирования непрерывно выгружают снизу.

Солевой хлоратор представляет собой футерованную шамотом камеру, наполовину заполненную отработанным электролитом магниевых электролизеров, содержащим хлориды калия, натрия, магния и кальция. Сверху в расплав загружают измельченные титановый шлак и кокс, а снизу вдувают хлор. Температура 800–850 °С, необходимая для интенсивного протекания хлорирования титанового шлака в расплаве, обеспечивается за счет тепла протекающих экзотермических реакций хлорирования. Газообразный TiCl₄ из верха хлоратора отводят на очистку от примесей, отработанный электролит периодически заменяют. Основное преимущество солевых хлораторов состоит в том, что не требуется дорогостоящее брикетирование шихты. Отводимый из хлораторов газообразный TiCl₄ содержит пыль и примеси газов – СО, СО₂ и различные хлориды, поэтому его подвергают сложной, проводимой в несколько стадий очистке.

751

Металлотермическое восстановление титана из тетрахло-рида TiCl₄ проводят магнием или натрием. Для восстановления магнием служат аппараты, представляющие собой (рис. 252) помещенную в печь герметичную реторту высотой 2–3 м из хромо-никелевой стали. После ввода в разогретую до ~ 750 °С реторту магния в нее подают тетрахлорид титана. Восстановление титана магнием TiCl₄ + 2Mg = Ti + + 2MgCl₂ идет с выделением тепла, поэтому электронагрев печи отключают и реторту обдувают воздухом, поддерживая температуру в пределах 800–900 °С; ее регулируют также скоростью подачи тетрахлорида титана. За один цикл восстановления длительностью 30–50 ч получают 1–4 т титана в виде губки (твердые частицы титана спекаются в пористую массу – губку). Жидкий MgCl₂ из реторты периодически выпускают.

Титановая губка впитывает много MgCl₂ и магния, поэтому после окончания цикла восстановления проводят вакуумную отгонку примесей. Реторту после нагрева до ~ 1000 °С и создания в ней вакуума выдерживают в течение 35–50 ч; за это время примеси испаряются. Иногда отгонку примесей

Рис. 252. Аппарат для восстановления тетрахлорида магнием 1 – коллектор для подачи и отвода воздуха; 2 – печь; 3 – штуцер для вакуумирования, 4 – патрубок для заливки магния; 5 – узел подачи тетрахлорида; 6 – крышка; 7 - реторта; 8 – термопары; 9 – нагреватель; 10 – устройство для слива

752

из губки проводят после ее извлечения из реторты. Восстановление натрием проводят в аппаратах, схожих с применяемыми для магниетермического восстановления. В реторте после подачи TiCl₄ и жидкого натрия идет реакция восстановления титана: TiCl₄ + 4Na = Ti + 4NaCl. Температура в 800–880 °С поддерживается за счет выделяющегося при восстановлении тепла.

Полученную твердую массу, содержащую 17 % Ti и 83 % NaCl извлекают из реактора, измельчают и выщелачивают из нее NaCl водой, получая титановый порошок.

Рафинирование титана. Для получения титана высокой чистоты применяют так называемый иодидный способ, при котором используется реакция Ti + 2I₂ +=^± Til₄. При температуре 100–200 °С реакция протекает в направлении образования Til₄, а при температуре 1300–1400 °С – в обратном направлении.

Титановую губку (порошок) загружают в специальную реторту, помещаемую в термостат, где температура должна быть на уровне 100–200 °С, и внутри нее спеиальным приспособлением разбивают ампулу с иодом. Через несколько натянутых в реторте титановых проволок пропускают ток, в результате чего они накаливаются до 1300–1400 °С. Пары иода реагируют с титаном губки по реакции Ti + + 21₂ –*• Til₄. Полученный Til₄ разлагается на раскаленной титановой проволоке, образуя кристаллы чистого титана и освобождая иод: Til₄ –*■ Ti + 2I₂. Пары иода вновь вступают во взаимодействие с рафинируемым титаном, а на проволоке постепенно наращивается слой кристаллизующегося чистого титана. Процесс заканчивают при толщине получаемого прутка титана 25–30 мм. Получаемый металл содержит 99,9–99,99 % Ti, в одном аппарате получают ~ 10 кг чистого титана в сутки.

Получение титановых слитков. Для получения ковкого титана в виде слитков губку переплавляют в вакуумной дуговой печи. Расходуемый (плавящийся) электрод получают прессованием губки и титановых отходов. Жидкий титан затвердевает в печи в водоохлаждаемом кристаллизаторе.

753

Ч а с т ь V. МЕТАЛЛУРГИЯ И ПРОБЛЕМЫ ОХРАНЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Охрана окружающей среды (ООС) или "охрана природы" есть система естественно-научных, технико-производственных, экономических и административно-правовых мероприятий, осуществляемых в пределах данного государства или его части, а также в международном масштабе и направленных на сохранение и контролируемое изменение природы в интересах человечества, на поддержание и увеличение ее продуктивности, обеспечение рационального использования (включая восстановление) природных ресурсов и окружающей среды.

Решая те или иные технологические проблемы, организуя то или иное производство, мы принимаем в расчет расходы не только на освоение природы, но и на охрану и восстановление экосферы, учитываем не только показатели прибыльности и производительности, но и экологической обоснованности технических нововведений, экологического контроля над планированием промышленности и природопользования.

Развитие человеческого общества происходило и происходит в постоянном взаимодействии с природой. Влияние человека на природу, окружающую среду неизбежно, оно усиливается по мере развития производительных сил и увеличения массы веществ, вовлекаемых в хозяйственный оборот. В настоящее время воздействие человека на природу приобретает такие масштабы, что в отдельных регионах возможны нарушения существующего в природе относительного равновесия, причем эти нарушения могут стать необратимыми.

Основные виды нежелательного воздействия человека на окружающую среду: загрязнение атмосферы, загрязнение гидросферы, загрязнение земной поверхности, истощение природных ресурсов (нерациональное использование полезных ископаемых, забор огромного количества пресной воды, отчуждение или приведение в негодность для сельскохозяйственного использования больших площадей, занятых промышленным строительством, территорий, используемых под шлаковые отвалы, терриконы, и т.п., вырубка лесов и т.д.).

754