2.2.1 Отримання титану з ільменітових руд

                               Сировиною для отримання титану є титано-магнетитові руди, з яких виділяють ільменітовий концентрат, що містить 40-45% ТіО2, близько 30% FeO, 20 % Fe2О3 і 5-7 % пустої породи. Назву цей концентрат одержав за наявності у ньому мінералу ільменіту FeO·TiO2. Важливим джерелом ільменіту є титаномагнетит FeTiO2.

                               В Україні титанові руди розвідані в межах Українського кристалічного щита. Іршанське родовище (Житомирська область), на базі якого працює Іршанський комбінат із збагачення ільменіту, є одним з наймогутніших. Значний інтерес становить родовище титанових руд у Дніпропетровській області (у басейні р. Самоткан), де запаси їх практично необмежені.

                               Відомо декілька способів отримання титану з руд. Одна з часто застосовуваних схем наведена на рис. 2.4.

                               Основним матеріалом для виробництва титану є ільменітова руда.

                               Титанові руди піддають збагаченню, в результаті якого одержують концентрати з підвищеним вмістом TiО2. При переробці ільменітових руд кількість TiО2 в концентратах досягає 60%. Зразковий склад ільменітового концентрату: 50,8 % TiО2,  36,40 % FeO, 7,86 % Fe2O3, 1,18 % А12О3, 0,05 % Cr2O3, 1,86 % SiO2, 0,69 % МаО, 0,68 % МnО, 0,18 % СаО.

 

 

                               Одержаний після збагачення руди електромагнітним або гравітаційним способом концентрат у суміші з деревним вугіллям, антрацитом піддають відновному плавленню в  електродуговій печі з метою видалення оксидів заліза. Для цього концентрат суміші з коксом плавлять і витримують в печі при 17000С.  У результаті зіткнення з вуглецевомістким і матеріалами оксиди заліза і титана відновлюються за реакцією

               3(FeO·TiO2)+ 4С = 3Fe + Ti3O5 + 4CO.             (2.5)

                               При цьому залізо відновлюється, навуглецьовується і утворює побічний продукт - чавун, який збирається на дні ванни печі, відділяючись від решти маси шлаку, внаслідок відмінності їх питомої ваги, а оксид титану TiO2 переходить у шлак. Чавун і шлак розливають окремо у виливниці. Основний продукт цього процесу - титановий шлак – містить 80-90 % ТiO2,2-5 % FeO і домішки - SiO2, Al2O3, СаО та ін. Побічний продукт цього процесу – чавун – використовують у металургійному виробництві.

                               Одержаний титановий шлак брикетують з коксом і піддають хлоруванню у спеціальних шахтних печах електроопору (рис. 2.5) при температурі 600°С.

 

 

                               У нижній частині печі розташовують вугільну насадку, що нагрівається при пропусканні через неї електричного струму. У піч подають брикети титанового шлаку, а через фурми всередину печі - хлор.

                               За наявності вугілля титан з діоксиду переходить в тетрахлорид:

                 TiO2 + 2Сl2 + С = TiCl4 + СО2.                           (2.6)

                               Тетрахлорид титану плавиться при температурі - 23°С і кипить при +136°С. Тому в умовах печі він інтенсивно випаровується і, захоплюючи за собою летючі хлориди домішок (SiCl4, MgCl2, FeCl3 та ін.), прямує в конденсаційну установку.  Наявність   в  установці ряду  секцій    з   різним

перепадом температур дозволяє розділити хлориди завдяки відмінності температур кипіння і таким чином виділити чотирихлористий титан, який далі піддають очищенню методом ректифікації у спеціальних установках.

                               Малолеткі хлориди магнію, кальцію та інших металів утворюють рідину, з якої електролізом одержують магній і хлор.

                               Найважливішу технологічну операцію - отримання металевого титану – здійснюють такими методами: розкладанням чотирихлористого титану натрієм або магнієм; відновленням двоокису і тетрахлориду титану кальцієм; електролізом хлористих і фтористих сполук титану.

                               У даний час металевий титан досить часто одержують відновленням чотирихлористого титану магнієм.

                               Чотирихлористий титан T1CI4 відновлюють у сталевих ретортах діаметром до 1,5 і заввишки до 3 м. Реторта  встановлюється в електропіч опору, з неї відкачується повітря і замість нього подається аргон. Потім піч нагрівають до 750-800°С і в реторту заливають рідкий тетрахлорид титану і магній.

                               Титан відновлюється за реакцією

                              TiCl4 + 2Mg = Ti + 2MgCl2.                        (2.5)

                Після інтенсивного розвитку реакції вимикають нагрів і підтримують температуру в межах 750-850°С, регулюючи швидкість подачі тетрахлориду титану. Тверді частинки відновленого титану спікаються в пористу масу - губку, що відкладається на стінках реторти. Рідкий хлористий магній періодично випускають через патрубок у днищі реторти, оскільки його об'єм в 10 разів перевищує об'єм одержуваної титанової губки. За один раз зливають 100-200 кг хлористого магнію, який направляють в електролізний цех для отримання металевого магнію.

                Після введення розрахункової кількості ТіСl4 і загасання реакції включають обігрів і витримують реторту ще протягом 1 години при температурі 900°С для завершення відновлення.

                Весь процес відновлення, у заводських умовах займає 30-35 годин. Потім реторту витягують з печі краном і охолоджують на окремому стенді декілька годин до температури 20-40°С.

                Для розділення продуктів реакції, що складаються з титанової губки (50-70%), залишку хлористого магнію (15-20%), що заповнює пори губки, і надлишку магнію (30-35%), користуються різницею тиску їх пари при температурі 900°С у вакуумі.

                У цих умовах тиск пари титану дуже малий; тиск пари хлориду магнію - близько 1 кПа, металевого магнію – близько 10 кПа. Кришку реторти знімають і укріплюють замість неї охолоджуваний водою конденсатор.

                   Дистиляцію магнію і хлориду магнію проводять при температурі 900°С і залишковому тиску близько 0,1 Па протягом декількох десятків годин. Потім реторту знову повільно охолоджують, відкривають і пневматичними зубилами вибивають з неї титанову губку, оскільки вона часто щільно приварюється до стінок реторти. Відокремлений дистиляцією магній знову використовують як відновник титану.

               

               

                Титанову губку дроблять і ретельно сортують. Найчистішу губку спрямовують на переплавлення; низькосортну, що містить включення, хлоридів, брикетують і використовують як розкиснювач сталі у чорній металургії. Для отримання з титану і його сплавів відповідальних виробів дуже важливі його хороша пластичність і зварюваність, а також термостійкість. Тому в титановій губці не повинно бути більше 0,012 Cl2, 0,1% О2 і 0,04% N2.