Производство титана и магния кратко

Обновлено: 07.07.2024

22) Технологическая схема производства титана и магния

Титан получают магнийтермическим способом, который состоит в следующем: титановые руды обогащают, из них выплавляют титановый шлак и получают четыреххлористый титан, а из него восстанавливают металлический титан магнием. Ильмени-товый концентрат плавят в смеси с древесным углем в рудно-термических печах, где оксиды железа и титана восстанавливаются. Образующееся железо науглероживается, получается чугун, а низшие оксиды титана переходят в шлак. Чугун и шлак разливают отдельно в изложницы. Основной продукт данного процесса — титановый шлак (80—90 % ТЮ2, 2—5 % БеО и примеси: 8Ю2, А1203, СаО и др.). Побочный продукт — чугун используют в металлургическом производстве

-Магний

Получение хлорида магния ведут тремя способами. Первый способ — обезвоживание карналлита MgCl2 • KCl • 6Н2O. Процесс осуществляют в две стадии. Первую проводят, нагревая карналлит в трубчатых вращающихся печах или печах кипящего слоя. Вторую — в основном в печах-хлораторах, имеющих плавильную камеру, где карналлит расплавляют при температурах 550—600 °С; две хлорирующие камеры, где продувкой хлором примеси (MgO) переводят в MgCl2 и копильник расплава (миксер). На некоторых заводах вторую стадию проводят в электрических печах сопротивления, где карналлит расплавляют при температуре

500°С и сливают в миксер. В обоих случаях жидкий карналлит сливают из миксеров в ковш и везут в электролизный цех. Обезвоженный карналлит содержит, %: MgCl2 47-52; KCl 40-46; NaCl 5-8.

Второй способ производства хлорида магния заключается в хлорировании магнезита или оксида магния, получаемого путем предварительного обжига магнезита. Процесс ведут в шахтных электрических печах. В нижней части (рис. 1) расположены в два ряда электроды 2; между ними находятся угольные брикеты, которые при прохождении электрического тока нагреваются до

750 °С. Шихту загружают сверху, через фурмы 7 вдувают хлор. У фурм происходит хлорирование оксида магния: MgO + Сl2 + С = MgCl2 + СО. Хлористый магний плавится и скапливается на подине, периодически его выпускают в ковш и транспортируют в электролизный цех. Третий способ — это получение МgСl2 в качестве побочного продукта в процессе восстановления титана магнием из TiCl4 (см. ниже). Этот жидкий хлорид магния направляют в магниевое производство (Mg и титан обычно производят на одном предприятии).

ПРОИЗВОДСТВО МАГНИЯ И ТИТАНА

§ 32. Производство магния

Сырьем для получения магния служат следующие материалы: карналлит MgCl₂ x KCl x 6H₂O (содержит 12 - 30% хлористого магния), магнезит MgCO₃ (свыше 45% MgO), доломит СаСО₃ x MgCO₃ (14 - 22% MgO), бишофит MgCl₂ x 6Н₂О (свыше 46% MgCl₂). Магний получают двумя способами: электролизом хлоридов и термическим восстановлением из руд.
При получении магния электролитическим способом из такого сырья, как магнезит, сначала получают хлорид магния. Для этого магнезит подвергают обжигу при температуре 850 - 900° С с целью удаления СО₂ и получения MgO. Затем хлорированием в присутствии углерода получают хлорид магния: MgO + Cl₂ + С = MgCl₂ + СО. Полученный хлорид магния подвергают электролизу.

На рис. II.19 приведена принципиальная схема одной секции ванны для электролиза хлоридов магния. Ванна прямоугольной формы имеет огнеупорную футеровку. Анодом служит графитовая пластина 1, катодами - стальные пластины 2. Между анодом и катодом имеется перегородка 3 из шамотного кирпича. В каждой ванне собирают несколько секций, состоящих из анодных блоков и двух катодных пластин. Сила тока в ваннах достигает 30 000 - 50 000 а при напряжении в 7 в. Электролитом при электролизе хлористого магния служит сплав солей: 8 - 16% MgCl₂, 25 - 35% CaCl₂, 25 - 35% NaCl и 18 - 25% KCl. При электролизе MgCl₂ разлагается. Хлор выделяется на аноде, откуда он отсасывается в хлоропровод и используется для хлорирования окиси магния. На 1 т магния получается 2,9 т хлора. Магний выделяется на катоде. Так как магний легче электролита, то он всплывает и с поверхности электролита извлекается вакуумными ковшами.
Для получения магния применяют и более простые термические методы, состоящие в восстановлении магния из его соединений кремнием, углеродом и другими элементами. Эти способы позволяют использовать дешевые виды сырья и топлива.

§ 33. Производство титана

Промышленное значение имеют титаносодержащие минералы: ильменит FeO X TiO₂ (содержит до 61% TiO₂), рутил TiO₂ (около 10% окислов железа, остальное TiO₂), титанит, перовскит и др.
Особенности производства титана обусловлены его высокой химической активностью и большим сродством к кислороду, азоту, водороду и другим элементам. Титановые руды подвергаются электромагнитному, электростатическому, флотационному, гравитационному и другим видам обогащения, в результате которых получаются концентраты, содержащие до 60% TiO₂. Рациональным способом переработки железотитановых концентратов является плавка в электрических печах. Восстановительной плавкой получают чугун, легированный титаном (0,6 - 2,0% Ti), и шлаки, содержащие около 80% TiO₂ и 1,5 - 3,0% FeO, используемые в качестве сырья для получения титана.
Получение металлического титана из титановых концентратов или шлаков сводится к получению:
1) тетрахлорида титана TiCl₄ представляющего собой жидкость, кипящую при 136° С;
2) титановой губки восстановлением тетрахлорида титана;
3) слитков компактного титана из титановой губки.
1. Получение тетрахлорида титана из рутила TiO₂ производится восстановлением углеродом и хлорированием при 800° С по реакции: TiO₂ + 2Cl₂ + 2С = TiCl₄ + 2СО.
2. Получение титановой губки производится восстановлением тетрахлорида титана магнием по реакции: TiCl₄ + 2Mg = Ti + 2MgCl₂.
Процесс ведется в стальных реакторах при температуре 950 - 1000°С в атмосфере аргона или других инертных газов.
3. Получение компактного пластичного титана из губки чаще всего осуществляется плавкой в электрических дуговых или высокочастотных печах. Схема дуговой печи с расходуемым электродом приведена на рис. II.7. Плавка ведется в вакууме или в среде инертных газов. После плавки получают титан, содержащий около 0,2% примесей, отличающийся высокой пластичностью, хорошо поддающийся прокатке, ковке и штамповке.
Наиболее чистый промышленный титан, содержащий менее 0,1% примесей, получают йодидным способом - разложением иодидов титана на поверхности вольфрамовой нити, нагретой до 1300 - 1500° С в вакууме.
Особо чистый титан может быть получен из технического титана методом зонной плавки. Метод основан на явлении большей растворимости примесей в жидком металле по сравнению с растворимостью в твердом металле.

Титан является одним из важнейших конструкционных материалов, поскольку сочетает прочность, твердость и легкость. Однако другие свойства металла весьма специфичны, что делает процесс получения вещества тяжелым и дорогостоящим. И сегодня нами будет рассмотрена мировая технология производства титана, кратко упомянем его свойства и область применения изделий.

Состав металла

Существует металл в двух модификациях.

α-Ti – существует до температуры в 883 С, обладает плотной гексагональной решеткой.
β-Ti – имеет объемно-центрированную кубическую решетку.

Переход осуществляется с очень небольшим изменением плотности, поскольку последняя при нагревании постепенно уменьшается.

Во время эксплуатации титановых изделий в большинстве случаев имеют дело с α-фазой. А вот при плавке и изготовлении сплавов металлурги работают с β-модификацией.
Вторая особенность материала – анизотропия. Коэффициент упругости и магнитная восприимчивость вещества зависит от направления, причем разница довольно заметная.
Третья черта – зависимость свойств металл от чистоты. Обычный технический титан не годится, например, для использования в ракетостроении, поскольку из-за примесей теряет свою жаростойкость. В этой области промышленности применяют только исключительно чистое вещество.

О составе титана поведает это видео:

Производство титана

Использовать металл начали только в 50-е годы прошлого века. Его добыча и производство являются сложным процессом, благодаря чему этот относительно распространенный элемент относили к условно редким. И далее мы рассмотрим технологию, оборудование цехов по производству титана.

Сырье

Титан занимает 7 место по распространенности в природе. Чаще всего это оксиды, титанаты и титаносиликаты. Максимальное количество вещества содержится в двуокисях – 94–99%.

Рутил – самая устойчивая модификация, представляет собой минерал синеватого, буровато-желтого, красного цвета.
Анатаз – довольно редкий минерал, при температуре в 800–900 С переходит в рутил.
Брукит – кристалл ромбической системы, при 650 С необратимо переходит в рутил с уменьшением объема.

Более распространены соединения металла с железом – ильменит (до 52,8% титана). Это гейкилит, пирофанит, кричтон – химический состав ильменита весьма сложен и колеблется в широких переделах.
Используется в промышленных целях результат выветривания ильменита – лейкоксен. Здесь происходит довольно сложная химическая реакция, при которой из ильменитовой решетки удаляется часть железа. В результате объем титана в руде повышается – до 60%.
Также используют руду, где металл связан не с закисным железом, как в ильмените, а выступает в виде титаната окисного железа – это аризонит, псевдобрукит.

Наибольшее значение имеют месторождения ильменита, рутила и титаномагнетита. Разделяют их на 3 группы:

магматические – связаны с участками распространения ультраосновных и основных пород, проще говоря, с распространением магмы. Чаще всего это ильменитовые, титаномагнетитовые ильменит-гематитовые руды;
экзогенные месторождения – россыпные и остаточные, аллювиальные, аллювиально-озерные месторождения ильменита и рутила. А также прибрежно-морские россыпи, титановые, анатазовые руды в корах выветривания. Наибольшее значение имеет прибрежно-морские россыпи;
метаморфизированные месторождения – песчаники с лейкоксеном, ильменит-магнетитовые руды, сплошные и вкрапленные.

Экзогенные месторождения – остаточные или россыпные, разрабатываются открытым методом. Для этого используют драги и экскаваторы.

Разработка коренных месторождений связана с проходкой шахт. Полученную руду на месте дробят и обогащают. Применяют гравитационное обогащение, флотацию, магнитную сепарацию.

В качестве исходного сырья может использоваться титановый шлак. Он содержит до 85% диоксида металла.

Технология получения

Процесс производства металла из ильменитовых руд состоит из нескольких стадий:

восстановительная плавка с целью получения титанового шлака;
хлорирование шлака;
производства металла восстановлением;
рафинирование титана – как правило, проводится с целью улучшения свойств продукта.

Процесс это сложный, многоэтапный и дорогостоящий. В результате достаточно доступный металл оказывается весьма дорогим в производстве.

О производстве титана расскажет данный видеосюжет:

Получение шлака

Ильменит является ассоциацией оксида титана с закисным железом. Поэтому целью первого этапа производства является отделение диоксида от оксидов железа. Для этого оксиды железа восстанавливают.

Процесс осуществляют в электродуговых печах. Ильменитовый концентрат загружают в печь, затем вводят восстановитель – древесный уголь, антрацит, кокс, и прогревают до 1650 С. При этом железо восстанавливается из оксида. Из восстановленного и науглероживающегося железа получают чугун, а оксид титана переходит в шлак. Последний в итоге содержит 82–90% титана.

Чугун и шлак разливают по отдельным изложницам. Чугун используют в металлургическом производстве.

Хлорирование шлака

Целью процесса является получение тетрахлорида металла, для дальнейшего применения. Непосредственно хлорировать ильменитовый концентрат оказывается невозможным, из-за образования большого количества хлорного железа – соединение очень быстро разрушает оборудование. Поэтому без стадии предварительного удаления оксида железа обойтись нельзя. Хлорирование проводится в шахтных или солевых хлораторах. Процесс несколько отличается.

Шахтный хлоратор – футерованное цилиндрическое сооружение высотой до 10 м и диаметром до 2 м. Сверху в хлоратор укладывают брикеты из измельченного шлака, а через фурмы подают газ магниевых электролизеров, содержащий 65–70% хлора. Реакция между титановых шлаком и хлором происходит с выделением тепла, что обеспечивает требуемый для процесса температурный режим. Газообразный тетрахлорид титана отводят через верх, а остатки шлака непрерывно удаляют снизу.
Солевой хлоратор, камера, футерованная шамотом и наполовину заполненная электролитом магниевых электролизеров – отработанным. В расплаве содержаться хлориды металлов – натрия, калия, магния и кальция. В расплав сверху подают измельченный титановый шлак и кокс, снизу вдувают хлор. Поскольку реакция хлорирования экзотермична, температурный режим поддерживается самим процессом.

Тетрахлорид титана очищают, причем несколько раз. Газ может содержать углекислый газ, угарный газ, другие примеси, так что очистка производится в несколько этапов.

Отработанный электролит периодически заменяют.

Получение металла

Металл восстанавливают из тетрахлорида магнием или натрием. Восстановление происходит с выделением тепла, что позволяет проводить реакцию без дополнительного обогрева.

1 цикл восстановления длится 30–50 ч, чтобы температура не повышалась выше 800–900 С, реторту обдувают воздухом. В итоге получают от 1 до 4 тонн губчатой массы – металл осаждается в виде крошек, которые спекаются в пористую массу. Жидкий хлорид магния периодически сливают.

Пористая масса впитывает довольно много хлорида магния. Поэтому после восстановления осуществляют вакуумную отгонку. Для этого реторту прогревают до 1000 С, создают в ней вакуум и выдерживают 30–50 часов. За это время примеси испаряются.

Восстановление натрием протекает почти таким же образом. Разница наличествует только в последнем этапе. Чтобы удалить примеси хлорида натрия, титановую губку измельчают и выщелачивают из нее соль обычной водой.

Рафинирование

Полученный описанным выше образом технический титан вполне годится для производства оборудования и емкостей для химической промышленности. Однако для областей, где требуется высокая жаростойкость и однородность свойств, металл не годится. В этом случае прибегают к рафинированию.

Рафинирование производится в термостате, где поддерживается температура в 100–200 С. В камеру помещают реторту с титановой губкой, а затем с помощью специального устройства в закрытой камере разбивают капсулу с йодом. Йод реагирует с металлом, образуя йодид титана.

В реторте натянуты титановые проволоки, по которым пропускают электрический ток. Проволока раскаляется до 1300–1400 С, полученный йодид разлагается на проволоке, формируя кристаллы чистейшего титана. Йод освобождается, вступает в реакцию. С новой порцией титановой губки и процесс продолжается, пока не исчерпается металл. Получение останавливают, когда благодаря наращиванию титана диаметр проволоки становится равным 25–30 мм. В одном таком аппарате можно получить 10 кг металла с долей в 99,9–99,99%.

Если необходимо получить ковкий металл в слитках, поступают иначе. Для этого титановую губку переплавляют в вакуумной дуговой печи, поскольку металл при высокой температуре активно впитывает газы. Расходуемый электрод получают из титановых отходов и губки. Жидкий металл затвердевает в аппарате в кристаллизаторе, охлаждаемом водой.

Плавку, как правило, повторяют дважды, чтобы улучшить качество слитков.

Из-за особенностей вещества – реакции с кислородом, азотом и впитывание газов, получение всех титановых сплавов также возможно лишь в электрических дуговых вакуумных печах.

Про Россию и другие страны-производители титана читайте ниже.

Получение титановых концентратов

Титановые руды подвергают обогащению, в результате которого получают концентраты с повышенным содержанием TiO₂ . Наиболее распространенным сырьем для получения титана является титано-магнетитановые руды, из которых выделяют ильменитовый концентрат, содержащий 40 – 45% TiO₂, 30% FeO, 20% Fe₂O₃ и 5 – 7% пустой породы.

Производство титанового шлака

Основное назначение этого процесса – отделение оксидов железа от оксида титана. Для этого ильменитовый концентрат плавят в смеси с древесным углём и антрацитом в электропечах, где оксиды железа и часть титана восстанавливаются по реакции:

Восстановленное железо науглероживается, образуя чугун, который собирается на дне ванны печи, отделяясь от остальной массы шлака вследствие различия их удельных весов. Чугун и шлак разливают отдельно в изложницы. Полученный титановый шлак содержит 80 – 90% TiO₂.

Производство четырёххлористого титана

Для получения металлического титана используют хлорид титана, полученный путём хлорирования титанового шлака. Для этого титановый шлак измельчают, смешивают с углем и каменноугольным пеком, так как процесс хлорирования может проходить успешно только в присутствии восстановителя, и брикетируют при нагреве до 800 °С без доступа воздуха. Полученные брикеты подвергают хлорированию в специальных печах. В нижней части печи располагается угольная насадка, нагревающаяся при пропускании через неё электрического тока. В печь подают брикеты титанового шлака, а через фурмы – хлор.

При температуре 800 – 1250 °С в присутствии углерода образуются четыреххлористый титан по реакции:

В качестве побочных продуктов получаются также хлориды других металлов (FeCl₂, MnCl₂ , CrCl₃ CaCl₂ и др.).

Благодаря различию температур кипения образующихся хлоридов, четыреххлористый титан отделяется и очищается от остальных хлоридов методом ректификации в специальных установках.

Восстановление четыреххлористого титана магнием

Восстановление осуществляется в специальных реакторах при температуре 950 – 1000 °С. В реактор загружают чушковый магний и после откачки воздуха и заполнения полоти реактора аргоном внутрь его подают парообразный четыреххлористый титан. Процесс восстановления титана идёт по реакции:

Металлический титан оседает на стенках, образуя губчатую массу, а хлористый магний в виде расплава выпускают через лётку реактора. В результате восстановления образуется реакционная масса, представляющая собой губку титана, пропитанную магнием и хлористым магнием, содержание которых достигает 35 – 40%.

Вакуумная сепарация реакционной массы

Сепарацию проводят с целью отделения титановой губки от магния и хлористого магния. Процесс отделения состоит в том, что реакционную массу нагревают до 900 – 950 °С в герметичном устройстве электронагревательной печи, в котором создаётся вакуум. При этом часть хлористого магния удаляется в жидком виде, а остальная часть хлористого магния и магний испаряются. Титановая губка после очистки направляется на плавку.

Плавка титановой губки в вакуумнодуговых печах. Плавка губки методом вакуумно-дугового переплава является основным способом переработки её в слитки. Вакуум печи предохраняет титан от окисления и способствует очистке его от примесей. Полученные слитки титана переплавляют вторично для удаления дефектов, используя как расходуемые электроды. После этого чистота титана составляет 99,6 – 99,7%. После вторичного переплава слитки используют для обработки давлением (ковка, штамповка, прокатка).

Читайте также: