Способ получения титана и устройство для его осуществления

Предложен способ получения титана восстановлением его из тетрахлорида с применением жидкого тетрахлорида и дисперсного алюминия в качестве восстановителя. Процесс проводят в температурном диапазоне от -23°C до +137°C и массовом соотношении исходных тетрахлорида титана и алюминия не менее, чем 5,27 к 1,00 при интенсивном перемешивании. За счет использования высокодисперсного исходного алюминия и дисперсных продуктов - титана и трихлорида алюминия при относительном избытке жидкой фазы систему поддерживают в состоянии псевдоньютоновской жидкости. Устройство для реализации способа представляет собой плоскодонный конический реактор, установленный на магнитную мешалку и снабженный дозаторами подачи тетрахлорида и дисперсного алюминия, а также аппаратурой для разделения суспензий титана, трихлорида алюминия и тетрахлорида титана. Последний возвращают в реактор, а твердые фазы разделяют сублимацией и последующей конденсацией трихлорида алюминия. Порошкообразный титан направляют на дальнейшую переработку. Техническим результатом является упрощения технологии за счет снижения температуры. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Область техники

Изобретение относится к металлургии цветных металлов применительно к технологии получения титана.

Уровень техники

Известно, что в современных условиях для получения титана используют его газообразный тетрахлорид, восстанавливаемый металлическими магнием [1] или натрием [2, 3] в атмосфере инертного газа - осушенных аргона или гелия [3, с.247]. Названные изобретения следует рассматривать как основные аналоги нашего технического решения. При этом наиболее близким прототипом является магнийтермический процесс восстановления титана из его тетрахлорида. При этом в первом случае протекает реакция: $$$$

$$$$ $$TiC{l}_{4г}+2M{g}_{ж(г)}=T{i}_{тв}+2MgC{l}_{2ж}\text{ (1)}$$

Магний загружают в разогретый до 800°C реактор [3, с.245]. Реактор перед установкой в печь вакуумируют, но затем поднимают давление в нем до 0.05-0,1 ат. Процесс требует обеспечения очень сложных температурных режимов. Значение температуры в центре реактора может достигать более 1000°C. В конце процесса восстановления делают 30-60 мин выдержку при 900°C, после чего производят последний слив хлорида магния и охлаждают реактор до 800°C или 600°C. Дальнейшее охлаждение до 20-40°C выполняют на специальном стенде, где реактор охлаждают водой или обдувают воздухом.

Для извлечения реакционной массы из охлажденного реактора используют высверливание ее на специальных станках [1, с.258]. Полученная в конечном счете титановая губка требует колоссального труда для освобождения ее от растворенных газов и перевода титана в пластичное состояние, необходимое для производства из него листа, профилей, труб и т.д. Процессы производства титана очень сложны, трудоемки, энергоемки и представляется желательным найти более простые пути в металлотермических способах получения этого металла.

Сущность изобретения

Заключается в том, чтобы за счет применения тетрахлорида титана не в газообразном, а в жидкофазном состоянии упростить процесс и снизить энергетические и трудовые затраты. Температурный диапазон жидкого состояния тетрахлорида титана весьма велик и простирается от -23°C до +136-138°C, т.е. равен 160° или в 1,6 раза шире жидкофазного состояния воды (!). При комнатной температуре TiCl₄ представляет собой подвижную жидкость с плотностью ~1,73 г/см³ и вязкостью ~0,0083 пуаз, т.е. даже несколько меньше вязкости воды [3, с.130].

Вторая особенность предложенного изобретения заключается в том, что вместо магния в качестве металла-восстановителя используют алюминий, стоимость которого за последние годы на лондонской бирже металлов колебалась в пределах 1800-2500 долларов, а магния около 3000 долларов за тонну.

Сущность процесса восстановления вместо реакции (1) выражается тогда уравнением:

$$3TiC{l}_{4ж}+4A{l}_{тв}=3T{i}_{тв}+4AlC{l}_{3тв}\text{ (2)}$$ .

По реакции (1) используются четыре фазы: газообразный тетрахлорид, жидкий (или частично газообразный) магний с получением твердого титана и жидкого хлорида магния при пяти компонентах (включая инертный газ).

В нашем изобретении по реакции (2) применяются вакуум и четыре фазы - одна жидкая и три твердых, т.е. только два типа фазовых состояний, тогда как в классическом процессе по реакции (1) три типа фазовых состояний. В описываемом изобретении используются четыре компонента вместо пяти в изобретении-прототипе. Наконец, твердые фазы представлены исходным тонкодисперсным алюминием, а также не склонными при низких температурах к спеканию порошкообразными титаном и хлоридом алюминия. Поэтому в нашем изобретении не будет образовываться губка, переработка которой требует колоссальных трудовых и энергетических затрат.

Процесс (2) термодинамически возможен и представляется более простым, менее энерго- и трудозатратным, но при условии, что удастся преодолеть кинетические барьеры. Первый из них относится к необходимости введения в систему алюминия в высокодисперсном состоянии в виде пудры или порошка с размерами частиц 1 мкм и менее при возможно большей величине удельной поверхности. И такой алюминий производится в цехах АПК (алюминиевых порошков и красок) на бывших Иркутском, Богословском, Волгоградском и др. заводах, но не находит достаточного спроса.

Второй кинетический барьер - это оксидная пленка на поверхности частиц алюминия. Однако производство алюминиевых тонкодисперсных порошков в цехах АПК выполняется в вакууме или в условиях тщательно осушенного и не содержащего кислорода и влаги инертного газа. Оксидная пленка на частичках металла поэтому отсутствует.

Тонкодисперсный алюминиевый порошок-пудра или гранулированный металл при малых размерах гранул способны вести себя как псевдоожиженная среда.

Полученные в условиях низких температур (-23° -- +137°C) титан и хлорид алюминия находятся также в тонкодисперсном состоянии. Поэтому при относительно небольших массовых или объемных содержаниях твердых фаз, система в целом будет оставаться в состоянии псевдоньютоновской жидкости.

Для того чтобы избежать перевода ее в реологические структуры, необходимо, кроме использования некоторого избытка жидкого тетрахлорида, применять магнитное перемешивание и обеспечивать оптимальный температурный режим процесса.

Очевидно, этот режим должен укладываться в диапазон жидкого состояния тетрахлорида титана от -23°C до +137°C. При относительно низких содержаниях дисперсных твердых фаз и при избытке тетрахлорида вся система находится в псевдоожиженном состоянии.

Процесс по реакции (2) проводится при массовом соотношении исходных тетрахлорида титана и дисперсного алюминия не менее чем 5,27 к 1,00. Верхний предел и оптимальное значение этого соотношения определяют экспериментально.

Для проведения процесса применяют металлический или облицованный стойкими материалами реактор, воспроизводящий по форме коническую плоскодонную колбу, поставленную на магнитную мешалку.

Технический результат процесса

Заключается в упрощении технологии восстановления за счет снижения температуры с 800-900°C и выше до - 23° - +137°C при получении дисперсных продуктов, не образующих губку и легче поддающихся переработке. По этим же причинам ожидается значительное снижение энерго- и трудозатрат на производство титана. Наконец, благодаря применению алюминия, как более дешевого металла-восстановителя вместо магния, будут ниже затраты на исходное сырье. В связи с уменьшением занятого в процессе числа компонентов и фаз, а также благодаря свойствам псевдоожиженности дисперсных фаз новая технология легче поддается автоматизации.

Перечень фигур чертежей и описание взаимодействия

На Фиг.1 показан вертикальный разрез устройства для реализации изобретения. Основу устройства составляет реактор 1, выполненный из малоуглеродистой стали или из других материалов, стойких в жидком тетрахлориде титана. Реактор установлен на магнитную мешалку 2, перемешивающий элемент 3 которой выполнен из ферромагнитного металла и заключен в защитную оболочку из стойких поливинилхлоридных материалов. Дисперсный алюминиевый порошок или «пудра» 2 вводятся в реактор из дозатора 4 по течке 5. Тетрахлорид титана подается в реактор из дозатора 6 по течке 7.

Образующаяся смесь твердофазных порошкообразных титана и трихлорида алюминия, взвешенных в жидком тетрахлориде титана, стекает по течке 8 в аппарат 9 для отстаивания и отфильтровывания жидкой фазы. Далее тетрахлорид титана возвращают в реактор, трихлорид алюминия с фильтров переводят в газовую фазу сублимацией при ~180°C и далее при охлаждении в инертной среде или вкууме получают кристаллический товарный продукт. Твердофазный дисперсный титан с фильтров подвергают дальнейшей переработке.

Для обеспечения нахождения системы в псевдоожиженном состоянии магнитная мешалка снабжена устройством 10 для подогрева или охлаждения содержимого реактора. Реактор через трубопровод 11 связан с вакуумной линией.

Устройство может работать как в периодическом, так и в непрерывном режимах при контроле и регулировании массовых расходов потоков исходных материалов - тетрахлорида титана и дисперсного алюминия, а также при переработке продуктов - титана и трихлорида алюминия.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Изобретение основано на нескольких непреложных фактах, дарованных нам природой. Это существование тетрахлорида титана в виде подвижной ньютоновской жидкости в большом низкотемпературном интервале, относительно близком к диапазону существования жидкой воды. Это возможность использования алюминия для задач восстановления титана из тетрахлорида, на которую ссылался Л. Полинг [4, с.482] (Конечно, без указания фазовых состояний участников реакции, температур и других условий). Наконец, это наличие готовой технологии и производственных мощностей для получения алюминия как восстановителя в виде дисперсного порошка или пудры. Можно еще добавить, как очевидное, утверждение, что при условиях низких температур заниматься переработкой тонкодисперсных порошков алюминия, титана и трихлорида алюминия значительно проще, чем получать титан при высоких температурах, охлаждать и далее перерабатывать такие конгломераты, как титановая губка.

Литература

1. Kroll W.J. Pat. USA №2.205.854, 1940.

Kroll W.J. Trans Electrochem. Soc, 1940, v.78, p.25.

2. Кириллов Д.В. Исследования над титаном. - Изд-во типогр. Архипова, 1875.

3. Гармата В.А. и др. Металлургия титана. - М.: Металлургия, 1968, 643 с.

4. Полинг Л. Общая химия. - М., 1974, 838 с., с.482.

(Linus Pauling. General chemistry. Third edition. - San-Francisco, 1970).

1. Способ получения титана, включающий восстановление тетрахлорида титана металлом-восстановителем в вакууме, отличающийся тем, что в качестве металла-восстановителя используют дисперсный алюминий с размером частиц 1 мкм и менее, который вводят в реактор с жидким тетрахлоридом титана при температуре от -23°C до +137°C и массовом соотношении исходных тетрахлорида титана и алюминия не менее чем 5,27 к 1,00, с получением продуктов восстановления в виде порошкообразных титана и трихлорида алюминия, взвешенных в тетрахлориде титана в виде псевдоньютоновской жидкости, которые выводят из реактора, разделяют фильтрацией на твердую фазу в виде порошкообразных титана и трихлорида алюминия и жидкий тетрахлорид титана, который возвращают в реактор, при этом трихлорид алюминия с фильтра переводят в газовую фазу сублимацией и последующей конденсацией в твердый продукт, а порошкообразный титан направляют на дальнейшую переработку.

2. Устройство для получения титана, содержащее реактор с вакуумпроводом, отличающееся тем, что реактор выполнен в виде плоскодонного конуса с перемешивающим элементом из ферромагнитного металла, установлен на магнитной мешалке и имеет дозатор подачи жидкого тетрахлорида титана, дозатор для введения дисперсного алюминия и течку для стекания продуктов восстановления в аппаратуру для разделения твердых и жидкой фаз отстаиванием и фильтрацией, при этом магнитная мешалка снабжена устройством для подогрева и охлаждения содержимого в реакторе.