Металлургия титана

Рефераты по металлургии » Металлургия титана

РЕФЕРАТ

Металлургия титана

преподаватель

студент Д.В.Котов


Титаносодержащие минералы.

Титан является одним из наиболее распространенных химических элементов как по содержанию его в земной коре так и по наличию минералов этого металла в очень многих горных породах.

Известно более 80 минералов которые по суммарному содержанию титана составляют довольно большую долю в земной коре. Важнейшие минералы титана в основном входят в состав пяти характерных групп – рутила ильменита перовскита ниоботанталотитанатов и сфена из которых наибольшее значение имеют группы рутила и ильменита.

Титановые минералы – ильменит рутил сфен – встречаются в рассеянном состоянии почти во всех типах пород – магматических и их эффузивах в породах метаморфического комплекса (гнейсы амфиболиты слюды) а также в осадочных породах особенно в глинах бокситах песках и песчаниках. Подавляющее число известных минералов титана образовалось в связи с магматогенными процессами в результате которых формируются минералы этого металла в соединении с кислородом и железом и в меньшей степени – с кальцием и кремнием.

Месторождения и руды титана.

Различные по величине и генетическому типу месторождения титана распространены во многих районах земного шара. Несмотря на большое разнообразие этих месторождений промышленные запасы титана представлены главным образом ильменитом и рутилом – основными минералами из которых в крупном промышленном масштабе производят титан его пигментный диоксид и другие химические соединения.

Месторождения титана магматического вида как правило приурочены к массивам основных пород нормального и щелочного ряда докембрийского и реже нижнепалеозойского возраста. Указанные месторождения формируются на значительных глубинах где при содержании в базальтовой магме хотя бы 1% диоксида титана в процессе медленной ее кристаллизации возможно образование участков значительно обогащенным этим диоксидом и представляющих собой месторождения титановых руд.

Богатые и крупные месторождения этого типа встречаются в глубоко эродированных поясах.

Месторождения титана экзогенного типа приурочены к массивам подверженным глубокому химическому выветриванию древних метаморфогенных комплексов содержащих устойчивые соединения титана. В процессе формирования таких месторождений первоначально создаются остаточные элювиально-делювиальные месторождения не обогащенных устойчивыми минералами титана породы а затем при размыве горных этих кор выветривания формируются богатые россыпи титановых минералов. В структурно-геологическом отношении для поисков богатых и крупных месторождений титана благоприятными являются современные или древние образования прибрежных морских равнин.

Метаморфогенные месторождения титана часто приурочены к титанорудным районам с наличием в них магматогенных и экзогенных месторождений.

Переработка рудного сырья.

Промышленные способы получения титана и его основных соединений базируются на использовании в качестве исходного сырья титановых концентратов содержащих не менее 92-94 % TiO2 в рутиловых концентратах 52-65 % TiO2 в ильменитовых концентратах из россыпей и 42-47 % TiO2 в ильменитовых концентратах из коренных месторождений.

В России ильменитовые концентраты используются главным образом в качестве сырья для выпуска диоксида титана и металла а также выплавки ферросплавов и карбидов а рутиловые – для производства обмазки сварочных электродов.

Около 50 % мирового производства титановых концентратов базируется на переработке руд россыпных месторождений и 50 % – на переработке руд коренных месторождений.

Обогащение руд всех россыпных и большей части руд коренных месторождений осуществляются с использованием в начале процесса наиболее простого и дешевого гравитационного способа. При обогащении сложных коренных руд иногда используют флотацию что в частности относится к переработке руд месторождения титаномагнетиков Телнес в Норвегии.

Процесс нефлотационного обогащения как правило осуществляется в две стадии. Первая стадия заключается в первичном гравитационном обогащении при котором получается черновой коллективный концентрат. Вторая стадия заключается в селекции (доводке) указанного коллективного концентрата методами магнитной и электрической сепарации с получением индивидуальных рутилового ильменитового циркониевого монацитового дистенсиллиманитового ставролитового и других концентратов.

В процессах первичного обогащения широкое применение получили усовершенствованные гидроциклоны многоярусные конические и многосекционные винтовые сепараторы и в меньшей степени концентрационные столы и другое сепарационное оборудование.

Доводка черновых коллективных концентратов основана на использовании в различном сочетании электромагнитной и электростатической сепарации. Наибольшей магнитной восприимчивостью среди входящих в состав коллективных концентратов минералов обладает ильменит и следующий за ним монацит в то время как рутил и циркон немагнитны.

Селекция входящих в состав коллективных концентратов немагнитных минералов основана на использовании различной их электрической проводимости по мере убывания которой указанные минералы располагаются в следующий ряд: магнетит–ильменит–рутил–хромит–лейскосен–гранат–монацит–турмалин–циркон–кварц.

Таким образом если в коллективном концентрате преобладают рутил циркон

и алюмосиликаты то процесс доводки начинается обычно с передела электростатической сепарации. Если же в коллективном концентрате преобладает ильменит то технологический процесс доводки начинается с передела магнитной сепарации.

При доводке черновых коллективных концентратов широко применяется винтовые сепараторы пластинчатые и роликовые магнитные сепараторы мокрого и сухого действия с высокой напряженностью магнитного поля магнитные сепараторы с перекрещивающимися лентами а также пневматические и мокрые концентрационные столы и другое оборудование.

В последнее время для повышения извлечения минералов из исходного сырья все чаще используется так называемый процесс оттирки заключающийся в обработке коллективного концентрата растворами щелочи или слабой плавиковой кислоты при интенсивном перемешивании. При этом с поверхности минералов в частности рутила и циркона удаляются железистые и глинистые пленки затрудняющие селекцию материалов.

Выплавка титановых шлаков.

Эту восстановительную плавку проводят в трехэлектродных круглых электропечах мощностью 3 5-20 МВА по устройству сходных с применяемым для плавки никеля электротермии цинка или сталеплавильными. Температура передела 1650-1750 градусов. Среда должна быть умеренно-восстановительной угольная футеровка непригодна. Подину выкладывают притертым магнезитовым кирпичом стены защищают гарниссажем из тугоплавкого шлака накопленным по особому режиму. Чугун выпускают через летку поднятую над подом на 400 мм а шлак–через шлаковую летку иногда – вместе с чугуном.

Шихту готовят из концентрата (–3 мм) и антрацита или газового угля (–0 5 мм)

в которых золы не должно быть больше соответственно 10 и 4 %. После перемешивания со связующим – сульфит-целлюлозным щелоком в обогреваемом смесителе шихту брикетируют на валковых прессах. Брикеты теплопроводнее порошка и снижают вынос пыли но изготовление их обходится дорого поэтому иногда они составляют только часть загрузки дополняемую порошком или окатышами.

Задача плавки – получить богатый титановый шлак и чугун переход железа в который ограничивают: FeO единственное вещество позволяющее получить умеренно вязкий шлак при недостатке его потребовался бы излишний перегрев. Чтобы избежать разбавления шлака и лишних расходов флюсы применяют редко. В отличие от цветной и черной металлургии здесь над чугуном получается сплав титанатов а не силикатов. Титанаты железа более легкоплавки чем окислы титана особенно ильменит (1400 градусов) и Fe2TiO4 (1395 градусов) они в основном и снижают вязкость шлака.

Восстановление FeO и TiO до металла можно записать в общем виде уравнением (228)

из которого легко получить:

pCo2/pCo=a[Fe]/a[Ti]*a(TiO)/a(FeO)=exp(dZFeO–dZTiO)/RT

Распределение железа и титана между чугуном и шлаком – функция разности сродства этих металлов к кислороду и зависит от парциального давления окиси углерода в порах шихты определяемого расходом восстановителя и температурой.

В действительности равновесие не достигается из-за быстрого восстановления железа накопления чугуна в начале передела и недостатка времени для последующего выравнивания состава фаз.

Плавку ведут периодически или либо непрерывно в первом случае в шлаках удается оставить всего 5% окиси железа а во втором 8-15%; непрерывный передел производительнее и полнее автоматизирован.

Для увеличения проплава и снижения расхода энергии шихту предварительно подогревают в трубчатых печах сжигая мазут или газ. При этом на 1т шлака суммарно затрачивают 1750 кВт*ч.

Производство четыреххлористого титана.

Под термином «хлорирование» подразумевают обычно процесс в котором хлор в том или ином виде взаимодействует с окислами элементов или другими их соединениями образуя хлориды или оксихлориды выделяемые в форме индивидуальных химических веществ или их смесей. Преимущество процесса хлорирования перед другими металлургическими процессами заключается в том что получаемые при этом хлориды элементов имеют температуру плавления и кипения значительно ниже температур плавления и кипения окислов или других соединений соответствующих элементов. Это важное свойство хлоридов позволяет выделить те или иные полезные компоненты сырья при более низких температурах и с использованием более простых технологических приемов. Резкое различие физических свойств хлоридов – температуры плавления кипения сублимации – позволяет разделить отдельные элементы или группы элементов обычной термической разгонкой с последующей фракционной конденсацией. В производстве титана циркония ниобия

применение хлорирования окисных соединений этих элементов является основным способом получения этих элементов.

В результате хлорирования происходит либо окисление металла хлором либо замещение кислорода оксидов хлором. В общем виде схема этого процесса может быть выражена такими уравнениями:

Me + Cl2= MeCl2;

[MexOy]+ y(Cl2) = x(MeCl2y/x) + (y/2) (O2).

Следует подчеркнуть одну существенную особенность процесса хлорирования–

огромную скорость химических реакций и высокую степень хлорирования всех компонентов. Это значительной степени облегчает задачу управления процессом и сводит ее фактически к регулированию физических параметров: газодинамики процесса размеров поверхностей контактируемых фаз количества подводимого и отводимого тепла. При этом на практике стараются химические факторы стабилизировать за счет постоянства температурного режима и химического состава исходного сырья.

В сложившейся многолетней отечественной и зарубежной промышленной практике температурный режим процесса хлорирования поддерживают в интервале температур 973–1100 К для хлораторов с солевой ванной и 1100–1500 К для шахтных хлораторов. Эти интервалы считаются общепринятыми и для их поддержания в конструкцию хлораторов вводятся дополнительные энергоподводящие или энергоотводящие элементы или же они корректируются соответствующими технологическими приемами. Вопрос об оптимальной температуре так же как и вопрос об максимальной (адиабатной) температуре процессов хлорирования имеет важное теоретическое и практическое значение.

Принципиальная схема производства.

Процесс производства четыреххлористого титана состоит из пяти основных переделов: подготовки сырья хлорирования конденсации продуктов хлорирования очистки четыреххлористого титана и переработки отходов.

Подготовка сырья заключается в приготовлении брикетов из титансодержащего материала и кокса пригодных для хлорирования. Этот передел включает операции дробления размола смешения брикетирования и прокалки брикетов.

Хлорирование осуществляется в различных аппаратах: а) со статическим или неподвижным слоем шихты (шахтные электропечи шахтные хлораторы); б) с жидкой ванной из расплавленных хлоридов щелочных или щелочноземельных металлов (солевой хлоратор); в) с псевдокипящим слоем шихты.

Для хлорирования титансодержащих материалов (титансодержащие шлаки искусственный и естественный рутил некондиционные отходы титановых сплавов) применяют как 100% компрессированный хлор так и разбавленный воздухом анодный хлоргаз получаемый в процессе электролиза магния и натрия. В процессе хлорирования оксиды титансодержащих минералов взаимодействуют с хлором и углеродом и переводятся в хлориды. Процесс хлорирования проводят при 900–1500 К. Назначение конденсации – отделить четыреххлористый титан от хлоридов примесных элементов и получить технический четыреххлористый титан.

Очистка технического четыреххлористого титана. Здесь происходит уже окончательная очистка четыреххлористого титана от растворенных в нем примесей.

Переработка отходов. Чем богаче материал по содержанию в нем титана тем проще его перерабатывать путем хлорирования. Однако с повышением чистоты исходного сырья стоимость его возрастает. Поэтому для промышленного производства четыреххлористого титана применение титансодержащих материалов высокой чистоты (например титана) экономически не всегда выгодно.

Подготовка сырья.

Титановые шлаки получающиеся в результате руднотермической восстановительной плавки железо-титановых концентратов дробят в щековой и конусной дробилках. После измельчения шлаки размалывают в шаровых мельницах. Размолотый шлак должен содержать фракций +0.1 мм не более 10% (по массе) и металлического железа менее 4%. После удаления с помощью магнитной сепарации металлического железа размолотый шлак поступает на хлорирование (при использовании солевых хлораторов или аппаратов кипящего слоя) или в отделение подготовки шихты (брикетирование агломерация окомкование) при использовании шахтных хлораторов с подвижным слоем.

Аппараты для хлорирования. Хлорирование в шахтных электропечах

и шахтных хлораторах с подвижным слоем.

Шахтная электропечь. На первом этапе развития титановой промышленности в качестве основного промышленного аппаратаиспользовались шахтные электропечи (ШЭП) для производства магния. В титановом производстве их конструкция подвергалась значительным изменениям. Шахтная электоропечь состоит из двух зон – верхней и нижней. В верхнюю зону через свод печи загружают шихту; в нижнюю зону

оборудованную электродами загружают угольную насадку и подают хлор. Шахтные электропечи незаменимы при использовании титаносодержащего сырья с компонентами хлориды которых низколетучи (например перовскиты титаномагнетиты и др.). Шахтная электропечь сыграла важную роль создании и развитии отечественной титановой промышленности.

Хлоратор с подвижным слоем.В связи с появлением титаносодержащих шлаков с низким содержанием в них CaO и MgO шахтные электропечи вытеснены более совершенным аппаратом – хлоратором с подвижным слоем. Основное отличие его от ШЭП – отсутствие электрообогрева сложной насадочной зоны и наличие в нижней его части герметичного разгрузочного устройства для непрерывного удаления непрохлорированного остатка.

Последнее обстоятельство позволяет коренным образом улучшить газодинамические параметры и резко интенсифицировать процесс так как температурный режим в хлораторе и аппаратах конденсационной системы легко регулируется количеством подаваемого хлора загрузкой брикетов и выгрузкой непрохлорированного остатка. Это в значительной степени упрощает процесс и облегчает его автоматизацию.

Уровень шихты в хлораторе поддерживают в интервале 1.2-3.5 м. Для хлорирования применяют брикеты или гранулы. Многочисленные способы приготовления гранулированной шихты можно разделить на два принципиально отличающихся метода: 1) углеродистый восстановитель и связующее дозируются с двух-трехкратным избытком вследствие чего после прокалки образуются брикеты или гранулы с углеродистым каркасом; 2) компоненты шихты дозируются в строго стехиометрическом соотношенни и подготавливаются таким образом что в процессе хлорирования они полностью сгорали.

Хлорирование гранул с сохраняющейся формой углеродистого брикета в фильтрующем (подвижном слое). Наиболее полно этот процесс описан Мак-Ферландом и Феттерролом и запатентован рядом авторов. Суть его заключается в том что в шихту для хлорирования вводят двух-трехкратное количество углеродистого восстановителя и углесодержащего связующего по отношению к стехиометрически необходимому для связывания кислорода оксидов титананосодержащего сырья и хлоровоздушной смеси в расчете на образование оксида углерода CO.

Хлорирование в хлораторах с расплавом и аппаратах с кипящим слоем.

С переходом на сырье содержащее значительное количество примесей образующих низколетучие хлориды (лопариты перовскиты шлаки с высоким содержанием кальция) производительность указанных аппаратов резко падает. Поэтому и шахтные хлораторы наиболее эффективно можно использовать для хлорирования так называемых сухих титансодержащих материалов. Для хлорирования высококальциевого сырья а так же других материалов содержащих повышенные количества щелочноземельных элементов выгоднее использовать хлоратор в котором хлорирование осуществляется в жидкой ванне из расплавленных хлоридов щелочных и щелочноземельных металлов. Основные преимущества хлоратора с жидкой ванной перед другими аппаратами заключается в том что конструкция его позволяет непрерывно выводить вместе с частью расплава непрохлорированный остаток и таким образом осуществлять практически непрерывный процесс. Кроме того упрощается подготовка шихты: отпадает надобность в предварительном брикетировании материалов так как в хлоратор можно загружать порошкообразную шихту.

Технология и аппаратура хлорирования титансодержащих материалов в расплаве щелочных и щелочноземельных хлоридов разработана М.К. Байбековым

Э.П. Медведчиковым и другими под руководством С.П. Солякова.

В нижней части хлоратора имеются фурмы и газораспределительное устройство для подачи хлора; в боковые стенки вмонтированы угольные или графитовые электроды внутри которых проходят стальные водоохлаждаемые штанги.

В верхней крышке хлоратора имеются отверстия для разливки расплава загрузки шихты и патрубки для отвода парогазовой смеси. Расплав сливают через летки. Хлораторы могут быть одно- и многокамерными.

В качестве жидкой ванны используют хлориды щелочноземельных и щелочных металлов. Процесс хлорирования ведут в интервале 1000–1173К. Температура процесса определяется физико-химическими свойствами расплава – летучестью хлоридов вязкостью плавкостью. Шихту состоящую из размолотого титансодержащего материала и кокса загружают в расплав. В некоторых конструкциях компоненты шихты загружают шнековым питателем раздельно. Перед поступлением в хлоратор шихту сушат в сушилках до полного удаления влаги и летучих.

Теплоотводящие элементы расположенные внутри хлоратора позволяют отвести значительную долю тепла образующегося при хлорировании и тем самым интенсифицировать процесс хлорирования. Возможность непрерывного обновления состава расплава и вывода из процесса непрохлорированного остатка обеспечивает постоянство его газодинамических характеристик и равномерную работу в течение всей кампании. Поскольку при хлорировании в расплаве кислород оксидов титансодержащего материала и анодного хлоргаза с углеродом образует в основном CO2 количество отходящих газов после хлоратора в расплаве значительно меньше чем при хлорировании в псевдоожиженном или подвижном слое что благоприятно влияет на работу конденсационной системы так как при прочих равных условиях количество тепла поступившего из хлоратора в аппараты конденсационной системы уменьшается.

Страницы: 1 2