Курсовая работа (т): Отримання губчастого титану магнієтермічним способом

Отримання губчастого титану магнієтермічним способом

РЕФЕРАТ

Курсова робота: с.30, табл. 10., 8 джерела.

Об’єкт дослідження - металургія титану.

Предмет дослідження - хлорування титану.

Мета роботи - проаналізувати основні стадії переробки титанвмісної сировини та отримання губчастого титану.

У першому розділі описано властивості, історія відкриття титану, технологічна схема переробки ільменітового концентрату та отримання губчастого титану магнієтермічним способом, області застосування титану і сплавів на його основі.

У другому розділі виконано розрахунок складу шихти та зведений матеріальний баланс для одержання титанового шлаку.

ТЕТРАХЛОРИД ТИТАНУ, ТИТАНОВА ГУБКА, ТУГОПЛАВКІСТЬ, ТИТАНОВИЙ ШЛАК, ХЛОРУВАННЯ, ПРОДУКТИ ХЛОРУВАННЯ, МАТЕРІАЛЬНИЙ БАЛАНС.

ВСТУП

У першому розділі розглядається таке питання як теоретичні особливості вироблення титану, а саме: фізико-хімічні властивості та історія відкриття титану, основні області застосування, технологічна схема отримання губчастого титану магнієтермічним способом, теоретичні основи хлорування і технологія та обладнання для отримання тетрахлориду титану.

Хлорування в кольоровій металургії - технологічний процес нагріву матеріалів, що містять кольорові метали, в атмосфері хлору, хлорвмісних газів або у присутності хлористих солей з метою витягання і розділення кольорових металів.

У основі процесу лежить взаємодія оксидів або сульфідів металів з хлором або хлоридом водню по оборотних реакціях. Оксиди, у яких гиббсова енергія цих реакцій має великі негативні значення (PbO, ZnO, Ag2O та ін.), хлоруються при малих концентраціях хлору в газовому середовищі і у присутності кисню; оксиди з великими позитивними значеннями гиббсовой енергії (SiO2, TiO2, Al2O3) практично не взаємодіють з газоподібним хлором, оскільки навіть сліди кисню в газовому середовищі перешкоджають утворенню хлоридів. Хлорування оксидів полегшується у присутності речовин, що зв'язують вільний кисень і зменшують його концентрацію в газовій фазі, наприклад вуглецю, водню, сірчистого ангідриду. В якості хлоруючих агентів, окрім елементарного хлору і HCl, застосовують дешеві солі - кам'яну сіль (NaCl), сильвініт, хлорид кальцію (CaCl2 ) та інші.

У другому розділі виконано розрахунок матеріального балансу руднотермічної відновної плавки ільменітового концентрату з одержанням титанового шлаку й чавуна.

1. ВИРОБНИЦТВО ГУБЧАСТОГО ТИТАНУ

1.1          Фізико-хімічні властивості титану. Історія відкриття

Титан був відкритий в 1791 р. англійським мінералогом У. Грегором, а в металевому вигляді добутий лише в 1910 р. Проте практичне використання розпочалося лише в 40-х роках з появою технологій, які забезпечували на стадії виробництва ефективний захист титану від взаємодії з воднем, киснем та азотом. Температура плавлення титану - 1668 оС, кипіння - 3300 оС. Питома густина 4,5 г/см3. Титан має дві алотропні модифікації: низькотемпературний титан (щільно упакована гексагональна ґратка з параметрами а = 0,29 нм, с = 0,467 нм.) і високотемпературний (882 оС) - бета-титан (об’ємно центрована кубічна ґратка з параметром 0,331 нм). Механічна міцність титану приблизно вдвічі більша за чисте залізо i в 6 разів перевищує міцність алюмінію. Титан сприятливо поєднує високу механічну міцність, корозійну стійкість, жароміцність i порівняно малу густину. Питома міцність (відношення міцності до густини) кращих титанових сплавів досягає 30...35 i більше, що майже вдвічі перевищує питому міцність легованих сталей. Такі властивості зумовлюють особливий інтерес до титану як матеріалу для літако- та ракетобудування. Сплави на основі титану все більше використовуються при будівництві морських суден, автомобільного та залізничного транспорту.

Підвищена корозійна стійкість зумовлює використання титану та його сплавів у хімічному та металургійному машинобудуванні, при виготовленні медичних приладів та в інших галузях техніки. Діоксид титану ТіО2 застосовують для виготовлення титанових білил i емалей, які вигідно відрізняються високою корозійною стійкістю та теплостійкістю.

числа відомих мінералів титану головне промислове значення мають два: рутил - природний діоксид титану ТіО2 та ільменіт FeTiO2, який входить до складу титаномагнієвих залізних руд. До перспективних руд належать також офен CaO·TіO2·SiO2 та перовскіт CaO·TіO2.

Відкриття TiO зробили практично одночасно і незалежно один від одного англієць У. Грегор і німецький хімік М. Г. Клапрот <#"809959.files/image002.gif">.

Метал отримав свою назву на честь титанів <#"809959.files/image003.jpg">

Рисунок 1.1 - Технологічна схема отримання губчастого титану магнієтермічним способом

Титан випускають у вигляді губки або злитків, які потім на інших заводах переробляють на лист, профілі, труби, поковки та інші напівфабрикати. Технологічна схема виробництва складається з шести основних переділів.

. Відновлювальна плавка ільменітових концентратів в руднотермической печі. Продуктами плавки є чавун і титанвмісткі шлаки, які після відповідної підготовки надходять на наступний переділ.

.        Хлорування титанових шлаків і очищення при цьому одержуваного чотирихлористого титану. Хлор для хлорування шлаків надходить у вигляді анодного газу з магнієвих електролізерів.

. Відновлення тетрахлориду титану магнієм. При цьому утворюється реакційна маса (~ 60% Ti, 15% MgCl2 і 25% Mg) і хлористий магній, який відокремлюється протягом всього процесу. Останній надходить у цех електролізу для виробництва магнію і хлору, а реакційна маса надходить на наступний переділ.

. Вакуумна сепарація. Титанову губку відокремлюють від магнію та хлористого магнію. Магній повертають на відновлення, хлористий магній - в електроліз або разом з магнієм в наступний процес, блок титанової губки надходить на наступний переділ.

. Дроблення, оброблення на певні сорти і фракції сортуванням титанової губки.

. Плавка злитків в електродугових печах.

Титанова губка в чистому вигляді або змішана з легуючими добавками переплавляється на злитки.

.4 Теоретичні основи процесу хлорування

Хлорування в кольоровій металургії - технологічний процес нагріву матеріалів, що містять кольорові метали, в атмосфері хлору, хлорвмісних газів або у присутності хлористих солей з метою витягання і розділення кольорових металів.

У основі процесу лежить взаємодія оксидів або сульфідів металів з хлором або хлоридом водню по оборотних реакціях. Оксиди, у яких гиббсова енергія цих реакцій має великі негативні значення (PbO, ZnO, Ag2O та ін.), хлоруються при малих концентраціях хлору в газовому середовищі і у присутності кисню; оксиди з великими позитивними значеннями гиббсовой енергії (SiO2, TiO2, Al2O3) практично не взаємодіють з газоподібним хлором, оскільки навіть сліди кисню в газовому середовищі перешкоджають утворенню хлоридів. Хлорування оксидів полегшується у присутності речовин, що зв'язують вільний кисень і зменшують його концентрацію в газовій фазі, наприклад вуглецю, водню, сірчистого ангідриду. Таким чином, змінюючи склад газової фази і температуру процесу, можна підібрати умови селективного хлорування; зокрема, у присутності кисню і пари води можна прохлорировать ряд кольорових металів, залишивши в окисленій формі залізо, а у відновній атмосфері перевести у форму хлоридів оксиди заліза. В якості хлоруючих агентів, окрім елементарного хлору і HCl, застосовують дешеві солі - кам'яну сіль (NaCl), сильвініт, хлорид кальцію (CaCl2 ) та ін. При цьому Х., особливо при використанні малолеткого CaCl2 , йде переважно через розкладання солі парами води з утворенням HCl; розкладанню соли-хлоринатора сприяє присутність SO2 або SO2 , CaSO4 , що утворюють, CaSiO3 і тому подібне.

Різновиди хлорування : хлоруюче випалення, хлоридовозгонка і сегрегація. Хлоруюче випалення проводять при відносно низькій температурі, при якій хлориди, що утворюються, ще нелетучи. Х. здійснюють в електропечах, печах киплячого шару, трубчастих або багаточереневих обпалювальних печах. Процес застосовується у виробництві магнію для перекладу окислу магнію в хлорид, який потім піддають електролізу, а також для витягання кобальту і міді з бідних матеріалів, найчастіше з піритових огарків і кобальт-никелевых штейнов; кобальт, мідь, цинк переходять у форму хлоридів і вилуговуються водою або слабкою кислотою, а залізо не хлорується і залишається у формі оксидів в твердому залишку.

Хлоридовозгонка, на відміну від хлоруючого випалення, ведеться при більш високих температурах, що забезпечують звітрювання хлоридів металів; процес більше універсальний: дозволяє витягати більше різних кольорових і рідкісних металів, а також золото і срібло. Сегрегація, на відміну від хлоридовозгонки, вимагає меншої витрати хлоринаторов і ведеться при нижчій температурі, але для отримання концентрату потрібна додаткова операція - флотація або магнітна сепарація.

Хлорування застосовується також для рафінування розплавлених металів від домішок: алюмінію - від натрію і кальцію, свинцю - від цинку, олова - від свинцю. Розробляються процеси видалення міді і кобальту з нікелевого файнштейна хлоридными розплавами.

1.5 Технологія та обладнання для отримання тетрахлориду титана

Отримання тетрахлориду титана TiCl4 здійснюють дією газоподібного хлору на TiO2 при температурах 700-900 °C, при цьому протікає реакція: TiO2 + 2Cl2 + 2С = TiCl4 + 2СО. Початковою титаносодержащим сировиною при цьому є титановий шлак. Хлорування здійснюють в шахтних хлораторах безперервної дії або в сольових хлораторах. Шахтний хлоратор - це футерований циліндр діаметром до 2 і заввишки до 10 м, в який згори завантажують брикети з подрібненого титанового шлаку і знизу вдувають газ магнієвих електролізерів, що містить 65-70 %% Cl2. Взаємодія TiO2 брикетів і хлору йде з виділенням тепла, що забезпечує необхідні для процесу температури (~ 950 °C в зоні реагування). Що утворюється в хлораторі газоподібний TiCl4 відводять через верх, залишок шлаку від хлорування безперервно вивантажують знизу. Сольовий хлоратор для виробництва титану є футерованою шамотом камерою, наполовину заповненою відпрацьованим електролітом магнієвих електролізерів, що містить хлориди калію, натрію, магнію і кальцію. Згори в розплав завантажують подрібнені титановий шлак і кокс, а знизу вдувають хлор. Температура 800-850 °З, необхідна для інтенсивного протікання хлорування титанового шлаку в розплаві, забезпечується за рахунок тепла протікаючих екзотермічних реакцій хлорування. Газоподібний TiCl4 з верху хлоратора відводять на очищення від домішок, відпрацьований електроліт періодично замінюють. Основна перевага сольових хлораторів полягає в тому, що не потрібно дороге брикетування шихти. Що відводиться з хлораторів газоподібний TiCl4 містить пил і домішки газів - CO, СO2 і різні хлориди, тому його піддають складному очищенню, що проводиться в декілька стадій.

Рис 1. Схема шахтного хлоратора безперервної дії : 1 - водоохолоджуваний конус; 2 - фурма; 3 - хлорний колектор; 4 - корпус хлоратора; 5 - водоохолоджуване зведення; 6 - бункер; 7 - золотниковий живильник; 8 - редуктор; 9 - електродвигун; 10 - збірка огарка; 11 - розвантажувальний шнек.

Шахта хлоратора (внутрішній діаметр 1,8 м, висота 10 м) футерована динасним і щільною шамотною цеглиною. Брикети подають з бункера через золотник, живильник, залишок вивантажують шнеком. Фурми подання хлору розташовуються на висоті близько 2 м від місця вивантаження залишку. Хлорування йде при 900-1000 °Із за рахунок теплоти реакцій; питома продуктивність 1,8 - 2 тонни TiCl4 /сут. на 1 м об'єму хлоратора; хлоратор з сольовим розплавом (конструкція і спосіб хлорування розроблені в Росії). У шахту хлоратора заливають сольовий розплав, наприклад, відпрацьований електроліт Mg- електролізерів. Розмолоту шихту подають на дзеркало розплаву, хлор - фурмами в нижню частину хлоратора.

2. МАТЕРІАЛЬНИЙ БАЛАНС ОДЕРЖАННЯ ТИТАНОВИХ ШЛАКІВ

.1 Розрахунок складу шихти для плавки

Відновлюваній електроплавці піддається шихта, що складається з концентрату і твердого відновника (антрациту).

Розрахунок матеріального балансу плавки ільменітового концентрату виконаний за методикою [3], в основу якого покладений принцип розподілу складових концентрату по продуктах плавки. У тому випадку, коли ці дані точно відомі, тобто дані по знятих матеріальних балансах, вони дають невеликі похибки по складу шлаку й чавуні.

У дійсному розрахунку прийнятий принцип, заснований на конкретно заданому змісті FeO у шлаку, наприклад, 5 % [2], що дозволяє уникнути відзначених недоліків.

Склад концентрату (Малишевського), що надходить на плавку, приведений у таблиці 1.1.

Таблиця 2.1 - Хімічний склад концентрату, %

Склад антрациту приведений у таблиці 1.2.

Таблиця 2.2 - Склад антрациту, %

Зола антрациту містить, %: 35,0 Fe2O3; 45,0 SiO2; 20,0 Al2O3.

Розрахунок матеріального балансу проводимо на 1000 кг концентрату. Діоксид титану відновлюється до Ti3O5, оксиди алюмінію, магнію, кальцію цілком переходять у шлак, інші елементи - відновлюються, %: до 7,5 SiO2; до 21,0 Cr2O3; до 30,0 V2O5; до 6,0 MnO; до 46,0 P2O5 та усі переходять у чавун, інше - у шлак. Сірка елементарна переходить у чавун 15 %, у пил газів, що відходять - 2,6 %, механічні витрати - 2,5 %, інше переходить у шлак.

На підставі досліджень [2] перехід титану в чавун складає 0,01 - 0,06 %; утрати з пилом газів, що відходять - 2,3 - 5,45 %; механічні втрати й нев’язання балансу 2,15 - 3,7 %. При розрахунку матеріального балансу приймаємо, %: 0,05; 2,6; 2,5.

Склад пилу газів, що відходять, і механічні утрати відповідають складу концентрату.

Таким чином, кількість пилу дорівнює:

(1000 × 2,6) / 100 = 26 кг.

механічні втрати

(1000 × 2,5) / 100 = 25 кг.

Склад компонентів пилу газів, що відходять, і механічні утрати пропорційний їхній кількості в концентраті:(26 × 49,4) / 100 = 12,844 кг і т.д.

Результати розрахунку приведені в таблиці 1.3.

Таблиця 2.3 - Кількість і склад пилу газів, що відходять та механічні втрати, кг

У процесі плавки беруть участь компоненти концентрату, кг:: 494 - 25,194 = 468,806;O3: 170 - 4,25 = 165,75;: 26,3 - 1,341 = 24,959;O3: 15 - 0,765 = 14,235;: 4,5 - 0,229 = 4,271;O3: 2 - 0,102 = 1,819;: 11,4 - 0,581 = 10,819;O5: 1,2 - 0,061 = 1,139;O5: 2,6 - 0,132 = 2,468;: 253 - 12,903 = 240,097;

СаО:                             20 - 1,02 = 18,98;

Разом: 1000 - 51 = 949.

При руднотермічній плавці Fe2O3 відновлюється до FeO: