§ 4. Магниетермическое восстановление тетрахлорида титана
Восстановление тетрахлорида титана до металлического состояния проводят магнием или натрием. Первоначально в титановой промышленности в качестве восстановителя применяли только магний. В настоящее время многие титановые заводы используют натриетермический процесс, который обладает рядом преимуществ. В зависимости от способа восстановления титан получают в виде губчатого металла или порошка.
Восстановление магнием проводят в стальных герметичных аппаратах в атмосфере аргона или гелия. Аппарат состоит из стальной реторты с крышкой, оборудованной патрубками для загрузки твердого или жидкого магния, и печи с электрическим или газовым обогревом (рис. 154).
В реторту, где находится магний, из напорного бака поступает тетрахлорид титана. Его пары взаимодействуют с магнием по реакции
Т1С14(газ) + 2М8(Ж) - Ti(TB) + 2М8С12(Ж). (130)
Реакция восстановления титана экзотермическая. Выделяющейся теплоты вполне достаточно для самопроизвольного течения процесса. Нагрев реторты необходим только в начале и в конце операции. Процесс можно вести только в интервале температур 720... 975 0С. Нижний температурный предел ограничен темпера-
турой плавления MgCl2 (714 0С), а верхний - началом взаимодействия титана с железом реторты, которое сопровождается образованием легкоплавкой эвтектики титан - железо. Оптимальную температуру (850 ... 900 0С) поддерживают регулированием скорости подачи хлорида титана.
При температурах проведения процесса материалы в реторте должны теоретически расслаиваться на три слоя: жидкий магний, хлорид магния и губчатый титан. Фактически же большая часть жидких фаз впитывается образующимся губчатым металлом. Это замедляет реакцию восстановления. С целью обнажения поверхности губки и более полного использования рабочего объема реторты хлористый магний периодически выпускают.
В процессе восстановления тетрахлорида титана сливают 75... 85 % общего количества образующегося хлористого магния, который направляют в магниевое производство на электролиз для регенерации магния и хлора.
Магний в аппарат также лучше загружать отдельными порциями. Это обеспечивает протекание процесса с более равномерной скоростью и получение губки более однородного состава.
Применяемые на титановых заводах аппараты для магниетер-мического получения титана позволяют получать за одну операцию 500 ... 3000 кг титановой губки.
Титановая губка представляет собой пористую спекшуюся массу титана, пропитанную остатками MgCl3 и избыточного магния. Этот продукт, называемый реакционной массой, содержит, %: Ti 55 ... 65; MgCl2 25 ... 35; Mg 9 ... 12.
Для очистки реакционной массы в настоящее время повсеместно применяют вакуумную дистилляцию, которая основана на относительно высокой упругости паров магния и его хлорида при 850... 950 °С по сравнению с титаном. Процесс может быть осуществлен по двум вариантам.
По первому варианту очистки реакционную массу извлекают с помощью пневматического зубила, высверливанием или выфрезеровыванием. Этот метод позволяет увеличить производительность дистилляционного аппарата за счет более полной загрузки реторт.
При осуществлении дистилляции без выгрузки массы (второй вариант) к реторте вместо крышки присоединяют водоохлаждаемый конденсатор и устанавливают реторту в печь (рис. 155). Температура дистилляции 950... 1000 °С, вакуум внутри реторты ~ 0,01 Па. Во избежание вдавливания разогретых стенок реторты печь делают герметичной и в ней также поддерживают вакуум.
При нагреве в вакууме из реакционной массы возгоняют магний и его хлорид, пары которых образуют в конденсаторе кристаллическую друзу, которую отправляют в цех производства магния.
Процесс вакуумной очистки губчатого титана продолжается 50... 60 ч для аппарата вместимостью 2 т губки. По окончании процесса реторту извлекают из печи и транспортируют в отдельное помещение, где ее демонтируют, а губку выбивают с помощью пневматических зубил или выдавливанием на прессе.
По техническим условиям титановая губка первого сорта марки ТГ-100 должна содержать, %, не более: С1 0,08; Fe 0,07; Н 0,02; С 0,03; Si 0,04; О 0,04. При этом устанавливается также предельно допустимая твердость по Бринеллю переплавленного образца.
Магниетермический способ получения титана из тетрахлорида оказывается экономически и технологически целесообразным только при комбинировании титанового и магниевого производств, которое обеспечивает наиболее рациональную регенерацию реагентов (Mg и С12) и переработку отходов (MgCl2).