Металлургия титана

реферат

3. Производство и очистка четырёххлористого титана

Технология производства ТiCl4 включает в себя следующие основные технологические операции: подготовка титановых шлаков к хлорированию, хлорирование титановых шлаков, конденсация хлорида титана и очистка четырёххлористого титана.

Титановые шлаки, полученные в рудно-термической печи, дробят в щековых, затем в конусных дробилках и измельчают в шаровых мельницах. Измельчённый шлак подвергают магнитной сепарации для отделения железистой магнитной фракции и смешивают с тонко измельченным нефтяным коксом. В настоящее время хлорирование титановых шлаков осуществляют в хлораторах в среде расплавленных хлоридов щелочных и щелочноземельных металлов в интервале температур 750 - 800оС (Рисунок 1).

Хлоратор представляет собой прямоугольный стальной кожух, футерованный шамотным кирпичом. В стенки хлораторы вмонтированы графитовые электроды, внутри которых находятся стальные водоохлаждаемые трубы. В нижней части хлоратора имеются фурмы для подачи хлора. Для слива расплава служат нижние и верхние летки. В своде хлоратора предусмотрены отверстия для отвода парогазовой смеси и загрузки шихты.

руда титан металлургия шлак

1-газоход; 2-свод; 3-Графитовый электрод; 4 - стальные трубы для овода тепла проточной водой; 5-кожух хлоратора; 6 - шамотная футеровка; 7-бункер с шихтой; 8-шнековый питатель; 9-перегородка для циркуляции расплава; 10-фувма; 11, 12-доные графитовые электроды; 13-нижний слив расплава.

Рисунок 1 Хлоратор для хлорирования титановых шлаков в расплаве

В качестве расплава служит отработанный электролит магниевых электролизёров, состав которого может колебаться в следующих пределах, %: KCl - 55-80; NaCl - 8-10; MgCl2 - 4-5. Концентрация TiO2 поддерживается на уровне 1,5 - 5%, а углерода 2-5%. По убыванию химического сродства оксидов металлов к хлору их можно располагаются следующим образом:

K2O - Na2O - CaO - MnO - FeO - MgO - TiO2 - Al2O3 - SiO2

Такие оксиды, как K2O, Na2O, CaO, MnO, FeO характеризуются большим сродством к хлору и легко хлорируются без добавления восстановителя. Хлориды MgO, TiO2, Al2O3, SiO2 не подвергаются хлорированию без добавления восстановителя. Поэтому в шихту для хлорирования в качестве восстановителя добавляют нефтяной кокс.

В расплаве хлоратора протекают следующие основные реакции:

TiO2 + C + 2Cl2 = TiCl4 + CO2 (9)

Ti3O5 + 2,5C + 6Cl2 = 3TiCl4 + 2,5CO2 (9)

2FeO + C + 2Cl2 = 2FeCl2 +CO2 (10)

2FeO + 2C + 3Cl2 = 2FeCl3 +2CO (11)

Al2O3 + 1,5C + 3Cl2 = AlCl3 + 1,5CO2 (12)

2MgO + C + 2Cl2 = 2MgCl2 +CO2 (13)

MnO + C + Cl2 = MnCl2 +CO (14)

2CaO + C + 2Cl2 = 2CaCl2 +CO2 (15)

SiO2 + C + 2Cl2 = SiCl4 + CO2 (16)

V2O5 + 1,5C + 3Cl2 = 2VOCl3 + 1,5CO2 (17)

Cr2O3 + 3C + 3Cl2 = 2CrCl3 + 3CO (18)

По мере хлорирования в расплаве накапливаются хлориды Fe, Mn, Ca, Mg, Cr, хлориды редкоземельных элементов, а также твёрдые частицы непрохлорированной шихты. Поэтому из хлоратора периодически выпускается часть расплава (10-15%), и в него загружается свежий электролит в расплавленном или сыпучем состоянии.

Выходящая из хлоратора парогазовая смесь состоит из газов (СО, СО2, СОСl2, HCl, Cl2, N2), паров низкокипящих хлоридов (TiCl4, SiCl4, AlCl3, VoCl3, FeCl3, FeCl2) и твёрдой взвеси, которая представляет собой высококипящие хлориды (CaCl2, MgCl2, MnCl2, CrCl3, KCl, NaCl) и частицы шихты.

Парогазовая смесь подвергается очистке от твёрдых частиц и переводу в жидкое состояние в системе конденсации.

Из хлоратора парогазовая смесь поступает в пылевые камеры, где происходит её очистка от твёрдых веществ. В пылевых камерах газовая фаза охлаждается от 500-800 до 120-130оС. Охлаждённая парогазовая смесь затем направляется в рукавные фильтры, где происходит дополнительная очистка от твёрдых взвесей. После рукавных фильтров парогазовая смесь поступает в оросительные конденсаторы, где парогазовая смесь орошается жидким тетрахлоридом титана до - 10оС. Здесь происходит конденсация тетрахлорида титана в жидкую фазу. После конденсации TiCl4 газовая смесь направляется в санитарный скруббер, орошаемый известковым молоком. Здесь происходит её очистка от хлора, фосгена, хлористого водорода. Очищенный газ выбрасывается в атмосферу.

Технический жидкий TiCl4 содержит ряд примесей в растворённом состоянии и в виде тонких твёрдых взвесей.

Очистка технического TiCl4 от твёрдых взвесей осуществляется отстаиванием и фильтрацией.

Очищенная от твёрдых взвесей ТiCl4 направляется на очистку от ванадия, которая осуществляется алюминиевым порошком или медной стружкой. Очистка от ванадия основана на образовании нерастворимых оксихлоридов ванадия VOCl2 и VClO, которые выпадают в осадок:

3TiCl4 + Al = TiCl3 + AlCl3 (19)

TiCl3 + VOCl3 = TiCl4 + VOCl2 (20)

TiOCl2 + AlCl3 = AlOCl + TiCl4 (21)

Полученный после фильтрации осадка ванадиевый кек содержащий VOCl2, AlOCl и TiCl3, направляют на извлечение ванадия.

Очищенный от ванадия TiCl4 подвергается двухстадийной очистке в тарельчатых ректификационных колоннах непрерывного действия (Рисунок 2).

1-напорный бак; 2-подогреватель; 3-исчерпывающая часть колонны; 4 - укрепляющая часть колонны; 5-дефлегматор; 6 - кипятильник; 7-холодильник; 8 - сборник кубового остатка; 9-сборник дистиллята.

Рисунок 2 Схема непрерывной ректификационной очистки TiCl4

На первой стадии ректификации происходит очистка от SiCl4 и других хорошо летучих примесей (СO2, Cl2, N2, COCl2 и др.). Очистка от низко кипящих примесей осуществляется в нижней части колонны, которая называется исчерпывающей. Кубовый остаток от первой ректификации с примесями высоко кипящих хлоридов и оксихлоридов, направляется на вторую стадию очистки - дистилляцию. Дистилляция осуществляется в верхней части колоны, которая называется укрепляющей. Полученный в укрепляющей части колонны дистиллят представляет собой очищенный TiCl4, а в дефлегматоре конденсируются труднокипящие соединения (FeCl3, TiOCl2, TiCl3 и др.). Основная часть полученной флегмы, возвращается обратно в колонну. Очищенный четырёххлористый титан после охлаждения скапливается сборнике дистиллята и оттуда направляется на получение металлического титана.

Делись добром ;)