Восстановлением TiCl4

В производственных условиях восстановление ведут в реакторах (ретортах) из жаропрочной стали диаметром 1-2 м и высотой 2-3 м. В герметизированную реторту, заполненную аргоном, заливают магний (t_пл = 651°С). Из напорного бачка с регулируемой скоростью подают жидкий TiCl4, пары которого вступают в реакцию с жидким или парообразным Mg. Выделяющегося при экзотермических реакциях восстановления тепла хватает для поддержания температуры 800-900°С. В начальный период в реторте возникает три слоя. Восстанавливающиеся частички титана (плотностью 4,5 г/см³) опускаются на дно реторты и спекаются в пористую губку. Над ней располагается слой MgCl₂ (ρ = 1,67 г/см³), и на самой поверхности - слой жидкого магния (ρ = 1,47 г/см3). В последующем титановая губка образуется и на стенках реактора над поверхностью расплава (гарнисаж). Образующийся MgCl₂ периодически удаляют через донный слив. После того как большая часть магния прореа¬гировала, скорость процесса восстановления значительно снижается. Прекращают подачу в ретору TiCl₄. После выдержки в течение некоторого времени (для завершения восстановления низших хлоридов) реактор извлекают из печи и охлаждают водой на специальном стенде.

Образовавшаяся титановая губка содержит в порах значительное количество неизрасходованного Mg (25-35%) и 9-12% MgCl₂. Для их отделения от титана применяют вакуумную дистилляцию. При длительном нагревании (50-60 ч) титановой губки в вакууме при 850-950°С магний и хлористый магний испаряются и осаждаются в конденсаторе. По окончании процесса реторту заполняют аргоном и охлаждают.

Извлеченную из реторты титановую губку дробят до 5-70 мм. Максимально допустимое содержание примесей в губке первого сорта (хлора, железа, водорода, кислорода, угле-

рода, кремния) не более 0,02-0,08% каждого.

На ряде металлургических предприятий для получения титана в качестве восстановителя используют натрий. В этом способе титан получают в виде порошка крупностью 0,07-2,4 мм, который удобнее использовать при произ¬водстве сплавов с другими легирующими добавками. По качеству получаемого металлического титана оба способа равноценны.

Утилизацию титановых отходов (некачественной губки, отходов плавки и др.) на некоторых предприятиях осуществляют с помощью электролиза. Анодом служит загрязненный примесями титан, погруженный в электролит - расплав хлоридов щелочных металлов (NaCI или NaCI + КС1). Электролитическое рафинирование проводят в герметичных электролизерах в атмосфере аргона при 800-850°С. Перерабатываемый металл в виде дробленой стружки или кусочков размером 20-40 мм помещают в дырчатую стальную корзину, служащую анодом. В процессе электролиза растворенный титан в форме Ti³⁺ восстанавливается на катоде и осаждается на нем. Катодный осадок измельчают в стержневых мельницах (барабаны и стержни изготовлены из титана) и выщелачивают водой. Качество таких порошков титана уступает качеству стандартной губки.

Наиболее чистый титан можно получить с помощью йодного метода, сущность которого состоит в протекании обратимой реакции взаимодействия титана и йода:

Ti(исходный) + 2J₂(nap) TiJ₄(nap) Ti (чистый) + 2J₂(nap).

Образующийся при низких температурах TiJ₄ при высоких температурах диссоциирует; выделяющийся чистый титан осаждается на поверхности затравки (проволоки).

Схема промышленной установки для йодного рафинирования титана приведена на рис. 5.68.

Рис. 5.68. Схема установки для йодной очистки титана:

1 -корпус; 2 - сетка; 3 - титан, подлежащий очистке;

4 - титановая проволока; 5 - ампула с йодом; б - токопроводы;

7 - патрубок вакуумной системы

Корпус аппарата диаметром 0,6 и высотой 1,2 м изготовлен из хромоникелевого сплава. Подлежащий рафинированию титан в виде стружки, крупнозернистого порошка помешается в кольцевой зазор между корпусом и молибденовой сеткой. Вначале в реакторе создают вакуум 10^-2-10^-3 Па; затем подают в реакционное пространство йод (разбив ампулу) и ток на титановую проволоку (диаметром 3-4 мм и длиной 11м), одновременно являющуюся нагревательным элементом и затравкой, на которой осаждаются частички титана. Регулируя силу тока, получают температуру проволоки 1300-1400°С. При этом у стенок реактора температура 100-200°С. Аппарат рассчитан на получение 24 кг очищенного титана за цикл (около 2 сут.). В результате получаются плотные прутки титана диаметром 25-40 мм. Содержание примесей составляет сотые и тысячные доли процента.

Получение компактных образцов титана. Подавляющую часть титана, полученного в виде губки или порошка, превращают в компактные заготовки массой до 3-10 т методом дуговой вакуумной плавки.

Расходуемые электроды изготавливают прессованием измельченной титановой губки и сваривают аргонно-дуговым способом. Добавляя в электроды легирующие добавки (Mn; Al; Cr; V; Mo; Fe; Ni), можно получать заготовки легированных титановых сплавов.

Выплавка ферротитана. Ферротитан производят алюмотермическим способом. Шихта содержит титановый концентрат железорудный концентрат, известь, порошкообразный алюминий (крупностью менее 2 мм). Если используют ильменитовый концентрат, то в нем вместе с 40-42% ТiO₂ присутствует 50-55% FeO + Fe₂O₃.

В процессе плавки идут следующие реакции восстановления:

ТiO₂ + 4/3А1 = Ti + 2/3А1₂O₃ + 2315 кДж/кг ТiO₂;

2FeO + 4/3А1 = 2Fe + 2/3 А1₂O₃ + 3439 кДж/кг FeO;

2/3Fe₂О₃ + 4/3 AI = 4/3 Fe + 2/3 А1₂O₃ + 6108 кДж/кг Fe₂О₃.

Для получения FeTi и шлака в жидком виде, чтобы разделение сплава и шлака прошло достаточно полно, температура в реакционном пространстве должна быть 1900-1950°С.

Установка для производства FeTi приведена на рис. 5.69.

Рис. 5.69. Схема плавильной установки