Сырье для получения титана

Из числа известных минералов титана основное промышленное значение имеют два: рутил и ильменит.

Рутил - природный оксид титана ТiO₂ - является наилучшим видом сырья при производстве титана, но крупные месторождения рутиловых руд встречаются редко. Ильменит FeTiO₃ - наиболее распространенный минерал титана. Ильменитовые руды представляют собой россыпные породы, встречающиеся часто в смеси с магнетитом Fe₃O₄. Такие руды называют титаномагнетитами. До 40% ильменита добывается из речных и прибрежных морских песков. В этих рудах содержание титана доходит до 35 %.

Перспективным сырьем для получения титана являются перовскитовые СаТiO₃ и сфеновые СаО • ТiO₂ • SiO₂ руды. Их использование становится рентабельным только при комплексной переработке.

Ценными элементами - спутниками титана в рудах - являются тантал, ниобий, цирконий и элементы редких земель.

Титановые руды с содержанием титана от 6 до 35 % перед поступлением в металлургическое производство подвергают обогащению с использованием гравитационных методов, магнитной или

электростатической сепарации. Рутиловые концентраты содержат до 95% ТiO₂. Примерный состав ильменитовых концентратов следующий, %: ТiO₂ 42...60; FeO 26...34; Fe₂O₃ 12...25; СаО до 2 SiO₂ 1,5... 3,5; MgO I... 3.

Некоторые титаномагнетитовые руды не поддаются механическому обогащению. В этом случае для выделения титана используют восстановительную плавку с получением чугуна и богатого титанового шлака (80...87% ТiO₂). Восстановительную плавку применяют также для первичной обработки ильменитовых концентратов с целью разделения титана и железа.

Таким образом, исходным сырьем для металлургического производства титана могут быть рудные концентраты и титановые шлаки, а также иногда технический диоксид титана, получаемый при разложении ильменитовых концентратов серной кислотой.

Все перечисленные сырьевые источники содержат титан в форме ТiO₂. Прямое восстановление ТiO₂ до металла сопряжено со значительными трудностями. Причиной этого является высокая активность титана при повышенных температурах, особенно по отношению к кислороду, азоту и углероду.

Реакции взаимодействия титана с кислородом, азотом, углеродом, оксидом углерода и парами воды протекают с большой убылью энергии Гиббса. Поэтому даже ничтожные количества этих примесей ведут к образованию оксидов, карбидов и нитридов титана. Кроме того, кислород и азот способны растворяться в титане.

Следовательно, на всех стадиях производства титана необходимо исключить его контакт с указанными выше веществами. Это достигается герметизацией металлургической аппаратуры и созданием в ней нейтральной атмосферы (аргон, гелий) или вакуума. Кроме того, обязательным условием является высокая чистота исходных соединений титана, а также применяемых реагентов-восстановителей.

В настоящее время подавляющая часть титана, выпускаемого промышленностью, производится путем восстановления тетрахлорида титана магнием. В небольших количествах титан получают восстановлением ТiO₂ кальцием или гидридом кальция.

Схема наиболее распространенной технологии получения титана из ильменитов, включающая операцию восстановления титана металлическим магнием, приведена на рис. 150. В голове технологической схемы перед хлорированием проводят пирометаллургическую подготовку исходного сырья восстановительной плавкой на титановый шлак. На восстановительную плавку могут поступать ильменитовые концентраты или титаномагнетитовые руды.Целью плавки является избирательное восстановление оксидов железа. Возможность разделения титана и железа в этом процессе основана на большом различии в прочности оксидов титана и железа. При восстановительной плавке оксиды железа восстанавливаются до металлического состояния с получением чугуна, а титан в виде ТiO₂ переходит в шлак.

Рис.150. Принципиальная технологическая схемаполучения титана изильменитовых концентратов

Необходимость проведения восстановительной плавки связана с тем, что прямое хлорирование железосодержащих концентратов требует больших дополнительных затрат хлора на образование хлорида железа, который трудно в дальнейшем использовать.

Восстановительную плавку ильменитовых концентратов проводят в электрических печах. Основной процесс плавки описывается в общем виде уравнением.

FeTiO₃ + С - Fe + TiO₃ + CO. (126)

Плавку стремятся вести с минимальной добавкой флюсов или совсем без них, чтобы не снижать содержания TiO- в шлаках менее 82... 87 %. Титановые шлаки имеют высокую температуру плавления (> 1500 °С) и значительную вязкость, что и обусловливает применение для восстановительной плавки электрических печей.

В качестве восстановителя при плавке используют кокс или антрацит. Шлак и чугун периодически сливают через летку в общую изложницу. Температура шлака на выпуске составляет 1570... 1650 *С. После расслаивания и затвердевания чугун и шлак разделяют и направляют на соответствующую переработку. Извлечение титана в шлак составляет 96... 96,5 %.

В небольших количествах для нужд черной металлургии из ильменитовых концентратов алюмотермическим способом в электропечах получают ферротитан состава, %: Ti 25... 30; А1 5... 8; Si 3... 4; железо - остальное.

Технология получения металлического титана из титановых шлаков и других видов окисленного сырья слагается из двух основных стадий. Вначале хлорированием исходных сырьевых материалов газообразным хлором получают тетрахлорид титана по реакции

ТiO₂ + 2С1₂ + 2С * TiCl₄ + 2CO. (127)

Затем после очистки технического тетрахлорида от примесей ректификацией его подвергают магниетермическому восстановлению до металлического титана:

Т1С1_4(ГАЗ) + 2Мg_(Ж) = Ti_(ТВ) + 2МgС1_2(Ж) + 519 кДж. (128)

Газообразный хлор в виде анодного газа магниевых электролизеров и металлический магний, необходимые для получения титана, поступают из магниевого производства, а хлорид магния, получающийся по реакции (128), вновь возвращается на электролитическое получение магния. Технологическая кооперация титанового и магниевого производств является важнейшим атрибутом современной титаномагниевой промышленности.

Восстановление титана из его тетрахлорида магнием проводят при 750... 850 "С, т.е. при температуре, значительно ниже температуры его плавления. По этой причине металл получают в виде спеченных кристаллов - губки. Губчатый титан (титановая губка) является товарной продукцией титаномагниевых комбинатов. Слитки компактного титана получают на металлообрабатывающих предприятиях.

Весьма- перспективным является электролитический способ получения титана. Главное его преимущество - отсутствие дефицитного металлического восстановителя. Достигнуты значительные успехи в разработке и совершенствовании этого метода. Общие принципы процесса электролиза уже используются в промышленной практике при электролитическом рафинировании титана (например, некачественного губчатого металла, отходов плавки титана и его сплавов).