Металлургия редких металлов

Восстановление тетрахлорида титана натрием

Некоторые зарубежные титановые заводы применяют в ка­честве восстановителя натрий, который обладает следующими преимуществами перед магнием:

Вследствие низкой точки плавления (98 С) натрий легко транспортировать по трубам и подавать в реактор одновременно с подачей ТіС14. От оксидных пленок и ряда примесей натрий очищается простой фильтрацией через мета­ллические сетки.

Реакция восстановления хлоридов титана натрием за­вершается в расплаве NaCl, в котором растворяются и низ­шие хлориды титана, и натрий. Это позволяет проводить процесс без избытка восстановителя и без слива NaCl.

Образующийся хлорид натрия, в отличие от MgCl2, не гидролизуется. Это обстоятельство, а также незначительное содержание металлического натрия в реакционной массе по­зволяют применить для отделения шлака от титана простое выщелачивание водой вместо сложной и энергоемкой вакуум­ной сепарации.

Получаемый титановый порошок удобнее, чем титановая губка, для производства сплавов, так как он легко смеши­вается с легирующими добавками, что обеспечивает однород­ность сплавов.

Суммарная реакция восстановления натрием

ТІСІ, (газ) + 4 Na (ж) = Ті (тв) + 4 NaCl (ж) (4.38)

Сопровождается большим выделением тепла: при 1200 К АН° = = -755 кДж.

Как и в случае восстановления магнием, восстановление натрием протекает через промежуточные стадии образования низших хлоридов - TiCl2, TiCl3, которые растворяются в хлориде натрия и восстанавливаются растворенным в распла­ве натрием. Растворимость натрия в NaCl при 890 С равна, 3,88 %.

Восстановление проводят в одну или две стадии, более распространен одностадийный процесс. Восстановление ведут в аппаратах из нержавеющей стали, куда одновременно из мерных бачков подают тетрахлорид титана и жидкий натрий в соотношении, близком к стехиометрическому (т. е. на 1 кг Na 2,06 кг ТіС14). Натрий плавится при 98 °С, его подают в реактор при температуре 120-150 С. Процесс ведут в ат­мосфере аргона, поддерживая температуру в реакторе 850-880 °С. Избыточное тепло отводят обдувкой реторты воздухом.

В первый период восстановление в большей мере протека­ет в газовой фазе с образованием тонкодисперсного титана и низших хлоридов титана. Последние восстанавливаются растворенным натрием в расплаве с образованием кристалли­тов титана, оседающих на дно реторты. Для полного восста­новления низших хлоридов и укрупнения частиц металлов в конце процесса включают печь и выдерживают реторту при 950-1000 °С в течение 4-6 ч. Реакционную массу (17%, Ті, 83% NaCl и незначительная примесь натрия) после охлажде­ния вырезают из реторты на станке специальной фрезой.

Массу, измельченную на молотковой дробилке, выщелачивают водой, подкисленной соляной кислотой (до 1 %), в стальных гуммированных чанах с мешалками в течение ~30мин, затем отделяют титановый порошок на центрифуге. Промытый поро­шок сушат в вакуумной сушилке при давлении 6,5 кПа.

В реакторе диаметром 1,5 м, высотой 4,3 м, используе­мом на заводе в г. Аштабьюл (США), по описанному режиму получают за один цикл около 1 т титана. і

Порошки титан имеют широкий набор зерен: от +2,4 до -0,07 мм. Основная фракция 0,2-2,4 мм. Примерное содержа­ние примесей в порошке, %: углерода 0,01-0,07; кислорода j 0,04-0,15; азота 0,001-0,02; водорода 0,005-0,019.

С точки зрения качества слитков, оцениваемого по твер­дости, - магние- и натриетермический процессы идентичны. Примерно одинакова стоимость сырьевых материалов по двум вариантам. Однако магниетермический способ при использо­вании вакуумной сепарации требует более высоких энергети­ческих и капитальных затрат по сравнению с натриетерми - ческим. К недостаткам натриетермического способа следует отнести необходимость утилизации большого объема раство­ров хлористого натрия.

Выбор магние - или натриетермического способа зависит от ресурсов по производству натрия и магния в данной стране, соотношения их стоимости, производственных мощ­ностей.