4.4. Производство титана
Титан в природе входит в состав более 70 минералов, что обусловливает разнообразие способов его промышленного получения. Являясь одним из самых активных в химическом отношении элементов, титан легко соединяется с кислородом, азотом и углеродом, образуя устойчивые окислы, нитриды и карбиды.
Прямое восстановление титана из окислов не может иметь промышленного значения, так как он при высоких температурах сам отнимает кислород от большинства окислов. Кроме того, восстановленный титан с большинством восстановителей образует химические соединения или твердые растворы. Поэтому извлечение его из руд представляет большие трудности. Важнейшим исходным сырьем для производства титана являются рутил TiО2 с содержанием титана около 60% и ильменит FeO • TiO2 с содержанием титана около 32%. Обогащение руд перед их переработкой производят флотацией или магнитной сепарацией. Одним из основных способов получения металлического титана является магниетермический, включающий две стадии: 1) хлорирование TiO2 и получение тетрахлорида титана (TiCl4); 2) получение из TiCl4 металлического титана. Из обогащенного концентрата TiO2 в смеси с древесным углем или графитом путем прессования изготовляются брикеты, подвергаемые затем спеканию в герметических печах при t=700—900°C. Полученные таким образом брикеты хлорируются:
TiO2 + 2Cl2 + C=TiCl4 + CO2 .
Рис. 4.9. Получение титана
Печь для хлорирования (рис. 4.9, а) представляет собой стальной цилиндр /, футерованный изнутри динасовым кирпичом 2. Нагрев до 800°C производится нагревательными графитовыми элементами сопротивления 3.
Брикеты рутила 5 загружаются в печь через загрузочный бункер 6, а хлор подается снизу через патрубок 4.
В результате процессов хлорирования, протекающих в нижней части печи, образуются пары тетрахлорида TiCl4, которые по трубопроводу 7 поступают в пылеочиститель 8 и оттуда в конденсатор 9, где, охлаждаясь, превращаются в жидкость. Жидкий TiCl4 после отстаивания подвергается дальнейшей очистке путем фильтрации и ректификации. После ректификации TiCl4, имеющий вид бесцветной жидкости, поступает для восстановления из него титана в специальные печи — так называемые реакционные аппараты, или реакторы (рис. 4.9, б).
В реакционный стакан 1, установленный внутри корпуса реактора 3, загружают чушки Mg высокой чистоты. Затем реактор герметически закрывают крышкой 6, откачивают из него воздух и заполняют весь объем камеры инертным газом (аргоном). После этого включают электронагреватель 4 (спираль сопротивления) и по достижении в камере температуры 850—950°C по трубе 5 вводят TiCl4. При этом ранее введенный Mg, расплавляясь, взаимодействует с парами TiCl4 по реакции:
TiCl пар + 2Mg жидкий = Ti губчатый + 2MgCl2 жидкий.
Применяемый в качестве восстановителя металлический магний имеет те преимущества, что не сплавляется с титаном ни в жидком, ни в твердом состоянии и в то же время активно реагирует с тетрахлоридом титана. Выпадающий в виде хлопьевидного осадка металлический Ti спекается в плотную губчатую массу 8. Образующийся при реакции хлористый магний 2 отсасывается при помощи вакуум-насоса через трубопровод 7, После этого снимают крышку, вынимают реактивный стакан из печи и охлаждают его вместе с находящимся в нем губчатым титаном.
Продукт первичного передела — губчатый титан — имеет лишь небольшое применение. Для получения компактного и монолитного титана титановую губку промывают подкисленной водой, просушивают и размалывают. Молотый титан прессуют в заготовки и спекают в вакуумной печи при температуре 1050—1100°С (или плавят в специальных тиглях с защитной атмосферой). Получение слитков титана и их охлаждение производится в защитной атмосфере гелия или аргона.