4.8.2. Оборудование для производства титана

Производство титановой губки включает в себя хлорирование концентратов, очистку четыреххлористого титана, его восстановление с помощью магния (металлотермический способ) и разделение реакционной массы отгонкой хлоридов магния в вакууме (способ вакуумной дистилляции) или выщелачивания их в слабокислых растворах (гидрометаллургический способ). Образующийся при восстановлении четыреххлористого титана хлористый магний возвращается на электролиз для получения магния и хлора, которые вновь поступают на производство титановой губки. Полученную титановую губку прессуют вместе с легирующими металлами в расходуемый электрод и плавят в вакуумных дуговых печах.

Поскольку запасы природного рутилового сырья относительно невелики, благоприятные перспективы открываются при использовании в качестве исходного сырья железо-титановых руд с выплавкой из них богатых по содержанию титана шлаков.

4.8.2.1. Оборудование для выплавки титановых шлаков

Задача плавки – получить шлак, богатый титаном, и чугун. Во избежание разбавления шлака и лишних расходов флюсы применяют редко. В отличие от черной металлургии здесь шлак содержит титанаты, а не силикаты. Титанаты железа более легкоплавки, чем оксиды титана, особенно ильменит и Fe₂TiO₄, температура плавления которых составляет соответственно 1400 и 1395 °С; они в основном и обеспечивают достаточную вязкость шлака.

В промышленности принято окускование шихты для выплавки титановых шлаков осуществлять брикетированием. Тонкое измельчение материалов (концентрата и восстановителя), входящих в брикеты, обеспечивает хороший контакт между компонентами шихты, необходимые электросопротивление, тугоплавкость и механическую прочность брикетов.

Вальцовые прессы для брикетирования состоят из сварнолитой станины, на которой смонтированы два вальца с бандажами. Вальцы опираются на шарикоподшипники, корпуса которых укреплены на станине. Шарикоподшипники одного вальца запрессованы в эксцентриковые втулки, поворотом которых регулируют зазор между вальцами. На поверхности каждого бандажа сделаны углубления по форме полуфабриката. Для равномерного распределения шихты по всей ширине вальцов используют специальную загрузочную воронку.

При вращении вальцов навстречу друг другу шихта сдавливается между поверхностями бандажей, вытесняется в выемки и прессуется в брикеты.

Прочность брикетов зависит от исходной влажности и пластичности шихты. Так, снижение остаточной влажности шихты с 2 до 1 % позволяет повысить прочность брикетов почти вдвое. Равномерный прогрев шихты до 60 – 80 °С и повышение ее однородности перед брикетированием также повышает прочность брикетов и, кроме того, позволяет увеличить выход годного при прессовании.

Брикеты прессуют под давлением 25 – 30 МПа. Готовые брикеты имеют овальную форму с размерами около 35 х 45 х 55 мм. Выход годного при брикетировании 92 – 95 %. Прочность брикетов после подсушки на воздухе несколько увеличивается, плотность 1,8 – 2,6 г/см³.

На переделе брикетирования издержки производства составляют 6 – 8 % общих затрат на производство шлака, численность производственного персонала 25 – 30 % общей численности в электроплавильном цехе.

Дуговые электрические печи круглые трехэлектродные с открытым или закрытым колошником используют для выплавки титановых шлаков. Основные конструктивные элементы этих печей рассмотрены ранее. Исходя из характерных физико-химических и технологических особенностей руднотермического восстановления титановых концентратов, к указанным печам предъявляют дополнительные требования, которые сводятся к следующему.

1. Печь должна иметь достаточно высокую удельную (объемную) мощность, позволяющую быстро прогревать шихту до 900 – 1200 °С без заметного ее проплавления, но в то же время обеспечивать поддержание тугоплавких шлаков в жидкотекучем состоянии на конечной стадии процесса.

Для этого, помимо выбора надлежащей электрической мощности агрегата и печных трансформаторов, при конструировании печи учитывают необходимость обеспечения оптимального отношения диаметра распада электродов к диаметру самих электродов, которое обычно составляет 2,5 – 3,0. При большем отношении не обеспечивается необходимая концентрация тепловой энергии, а при меньшем снижается производительность печи и коэффициент использования полезного объема агрегата.

2. Титановые шлаки интенсивно взаимодействуют практически со всеми футеровочными материалами. Наиболее подходящим является карбонитрид бора, но из-за высокой его стоимости и дефицитности этот огнеупор не применяют. Непригодны для футеровки и графитовые блоки, так как они взаимодействуют со шлаком и чугуном.

На практике для футеровки печей применяют магнезитовый кирпич, на котором создают защитный гарниссаж толщиной около 500 мм.

3. В процессе плавки непроплавленная шихта обрушивается в расплав, что сопровождается интенсивным газовыделением и подъемом шлака на значительную высоту. Поэтому высоту шахты печи увеличивают, а для предупреждения аварийного отключения печи в момент вскипания ванны необходимо обеспечить повышенную скорость подъема электродов (около 2,5 м/мин), что в несколько раз больше, чем у обычных печей. Привод осуществляется от лебедки с концевыми ограничителями, лимитирующими максимальное верхнее и нижнее положения электродов.

4. Продукты плавки выпускают одновременно через общую летку, которая расположена на такой высоте, чтобы после слива расплава на лещади остался слой металла 500 – 600 мм, защищающий подину от разрушения при подготовке к следующей плавке. Обычно летку размещают на высоте около 2,3 м от днища кожуха.

Заводы титановой промышленности имеют опыт эксплуатации печей мощностью 10,5 МВа с самообжигающимися электродами диаметром 900 мм или с графитированными электродами диаметром 610 и 710 мм. Диаметр кожуха 7,2 и высота 4,5 м; диаметр ванны на уровне расплава 5,6, на уровне колошника 6,5 м. Плотность тока в графитированных и самоспекающихся электродах соответственно не более 12 и 3 А/см².

Показатели процесса зависят от вида перерабатываемого сырья (мало- и высокожелезистые концентраты), типа восстановителя, характера подготовки шихты (порошкообразная или брикетированная), конструкции электропечи (с открытым, полуоткрытым или закрытым колошником) и др.

На производство 1 т шлака расходуется 2100 – 2600 кВтч электроэнергии, 0,15 – 0,18 т восстановителя, 50 – 70 кг электродов. Извлечение титана в шлак 89 – 96 %, производительность печи 60 – 80 т/сут.

Шлак разливают в изложницы и охлаждают в течение 6 – 8 ч. Остывшие слитки шлака извлекают из изложниц и доставляют на склад горячего шлака, где за счет кислорода воздуха происходит окисление низших оксидов титана, вследствие чего слитки рассыпаются. Охлажденный и разложившийся шлак поступает на дробление и измельчение.

Весь шлак подвергают магнитной сепарации для извлечения из него корольков металла.

Колошниковые газы открытых печей, содержащие около 0,6 % оксида углерода и 3 – 5 г/м³ пыли, удаляются через вытяжную тягу естественной вентиляцией. Газы печей, работающих в полузакрытом режиме, содержат около 30 % СО₂ и удаляются от печи с помощью вентилятора. Пыль частично улавливается в циклонах и пневмотранспортом возвращается в процесс. Степень обеспыливания газов в циклонах типа СИОТ составляет 40 – 60 %.