Получения титана

Наиболее распространенным сырьем для получения титана являются следующие руды: ильменит FeO · TiO₂; рутил TiO₂; титаномагнетит FeTiO₃ · Fe₃O₄. Наибольшее количество титана получают из минерала ильменит (FeO · TiO₂), содержащего до 60 % TiO₂.

Сущность процесса получения металлического титана заключается в восстановлении четыреххлористого титана (TiCl₄) магниетермическим способом.

Титан и магний обычно производят на одном заводе, так как хлористый магний (MgCl₂) – побочный продукт при получении титана, служит сырьем для получения магния.

Производство титана осуществляется в следующей последовательности (рис. 8):

1. Руда титана содержит от 10% TiO₂ (титаномагнетит) до 90 – 100% TiO₂ (рутил). Поэтому бедные руды обогащают магнитной сепарацией или флотацией. Получают ильменитовый концентрат, содержащий: 40 – 45% TiO₂, около 30% FeO, около 20% Fe₂O₃, остальное примеси. Рутил используют без обогащения.

Рисунок 7 - Схема технологических операций получения меди

Рисунок 8 - Схема технологических операций получения титана

2. Ильменитовый концентрат плавят в смеси с древесным углем и антрацитом (восстановителем) в специальных руднотермических печах (электродуговых). При Т = 1600 – 1800⁰С оксиды Fe восстанавливаются. Образующееся железо науглероживается и получается чугун, а низшие оксиды титана переходят в шлак. Основной продукт – титановый шлак содержит до 80 – 90% TiO₂, 2 – 5 % FeO и примеси – SiO₂, Al₂O₃, CaO и др. Шлак совместно с древесным углем брикетируют, спекают и отправляют на хлорирование. Побочный продукт – чугун используют в металлургическом производстве.

3. Хлорирование титанового шлака проводят в специальных печах с электронагревом и герметизацией рабочего пространства. Брикеты титанового шлака через специальные фурмы продуваются газообразным хлором. При Т = 800 – 1250⁰С в присутствии углерода образуется четыреххлористый титан, также другие хлориды: CaCl₂, MgCl₂ и др. Четыреххлористый титан отделяется и очищается от других хлоридов благодаря различию температур кипения этих хлоридов методом ректификации в специальных установках. Для более полной очистки от твердых частиц конденсат отстаивают и фильтруют. Жидкий тетрахлорид титана направляют на восстановление.

4. Титан восстанавливают в реакторах при Т = 950 – 1000⁰С. В реактор загружают чушковый магний, откачивают воздух и заполняют реактор аргоном. Затем внутрь подают парообразный TiCl₄. Жидкий Mg и TiCl₄ взаимодействуют по реакции: 2Mg + TiCl₄ = Ti + 2MgCl₂ с образованием чистого титана в виде спеченной массы – губки с оченьвысокой пористостью. Губка титана пропитана Mg и MgCl₂ в количестве до 35 – 40 %, поэтому ее подвергают последующему вакуумированию. Жидкий MgCl₂ через летку удаляют из реактора.

5. Для удаления из губки MgCl₂ и других примесей ее нагревают до Т = 900 – 950⁰С в вакууме. Все примеси возгоняются и в виде паров конденсируются в специальных конденсаторах реактора.

6. Титановую губку на слитки плавят в вакуумно-дуговых печах. Вакуум в печах предохраняет титан от окисления и способствует очистке его от примесей. Полученные слитки из-за высокой пористости губки имеют большое количество дефектов – раковин, пор. Для получения плотного металла их подвергают второму вакуумно-дуговому переплаву, используя как расходуемые электроды. После этого чистота титана составляет 99,6 – 99,7%. Слитки после второго переплава используют для прокатки на лист, профиль, ковки, штамповки заготовок и т. д.

Для получения сплавов титана с другими металлами (Al, Mg, V и др.) эти металлы примешивают к губке перед первым переплавом. После второго переплава получают плотные с равномерным составом сплавы.