Содержание

1. Введение. 1

2. Свойства и применение титана. 2

Физико-химические и механические свойства губчатого и пластичного титана. 2

Способы получения титана. 3

Применение титана. 4

3. Аппаратурно-технологическая схема получения титана. 7

4. Основы процесса восстановления тетрахлорида титана магнием. 9

Влияние температуры.. 10

Влияние давления. 10

Влияние скорости подачи TiCl₄ 11

Периодичность слива хлористого магния. 11

Механизм восстановления и формирования блока титановой губки. 11

5. Устройство и работа аппарата восстановления и печи. 13

6. Порядок слива хлористого магния. 15

7. Контроль за процессом.. 16

8. Основные правила по безопасности труда в отделении. 18

9. Расчёт заработной платы печевого 4 разряда. 21

10. Используемая литература. 22

1. Введение

Много лет считалось, что металлический титан был получен в 1825 году президентом Шведской академии наук Берцелиусом путем восстановления фтортитаната калия (К₂TiF₆) металлическим натрием. По описанию самого Берцелиуса полученный им металл не растворялся даже в плавиковой кислоте (HF). Однако утверждения Берцелиуса, как показали последующие исследования учёных, были ошибочными, ибо чистый титан хорошо реагирует с этой кислотой. В действительности титан был впервые получен в 1875 году нашим соотечественником русским учёным Д.К. Кирилловым, работавшим в Московском университете. Результаты его труда изложены в брошюре «Исследования над титаном», но они , как и многие другие выдающиеся достижения того времени, остались незамеченными в царской России. И только в 1910 году американцу М. Хантеру удалось выделить несколько граммов титана чистотой около 99%. С этого времени начались интенсивные исследования свойств титана, приведшие к разработке в 1940 году У. Кролем промышленного магниетермического способа получения титана. Этот способ основан на следующей реакции:

TiCl_4(Г) + 2Mg_(Ж) = Ti_(ТВ) + 2MgCl_(Ж) + 519кДж*.

Магний, как более активный металл, в этом процессе играет роль восстановителя. На 1 кг титана расходуется около 4 кг TiCl₄ и 1 кг магния. Сырьем для производства титана служит TiCl₄, который получают хлорированием титансодержащих соединений, и магний, производимый обычно электролизом MgCl. Таким образом, подобно получаемый по реакции безводный MgCl пригоден для производства магния электролизом, а выделяемый при электролизе хлор - для производства TiCl₄. Следовательно, целесообразно совместить производство магния и титана. Поскольку на практике TiCl₄ восстанавливают магнием при температуре 750-850°С, т.е. при температуре ниже температуры плавления титана (~1670°С), то металл получается в виде спеченных кристаллов - губки. Титановая губка является готовой продукцией титаномагниевых комбинатов и в то же время основным сырьём для металлообрабатывающих предприятий, где из неё различными методами готовят слитки пластичного титана, а затем и прокат.

2. Свойства и применение титана

Физико-химические и механические свойства губчатого и пластичного титана

Губчатый титан представляет собой пористый кристаллический конгломерант с чрезвычайно развитой поверхностью пор. Активная удельная поверхность губки в зависимости от крупности кусков изменяется от 100 до 400 м/кг. Имея большую удельную поверхность пор, губчатый титан способен адсорбировать из воздуха газы и, прежде всего, пары воды. Влагонасыщение губки зависит от её температуры и условий хранения: продолжительности, относительной влажности воздуха, температуры. Насыпная масса губки зависит от способа комплектации товарной партии .У кричной (т.е. основной части блока губки, не соприкасающейся со стенками реактора) фракции -70+12 мм насыпная масса изменяется от 930 до 1050 кг/м и составляет в среднем 960 кг/м . Боковая губка характеризуется большей пористостью и меньшей насыпной массой                    (600-650 кг/м). Более мелкая губка фракции -12+2 мм (кричная часть) и                     -12+5 мм (боковая часть) имеет насыпную массу 900-1050 кг/м , а в среднем 990 кг/м.

Плотность губчатого титана составляет 800-3500 кг/м и также зависит от способа комплектации партии.

Теплопроводность губки очень низка (в 13 раз меньше, чем у пластичного титана) и составляет 1,26 Вт/(м*С). Плохая теплопроводность губки значительно затрудняет ее обработку резанием.

Свойства пластичного титана. По внешнему виду титан похож на сталь; он обрабатывается резанием, пластичен, трудно полируется и долго сохраняет блеск. На воздухе металл благодаря оксидно-нитридной пленке устойчив до 430°С. Высока коррозионная стойкость титана в воде, в том числе и в морской. Титан существует в двух кристаллических модификациях - низкотемпературной (до 882,5°С) и высокотемпературной (выше 882,5°С); титан имеет гексагональную плотноупакованную (г.п.) решетку, - титан - объемно-центрированную кубическую (о.ц.к.) решетку. Атомная масса титана 47,9, плотность 4510 кг/м, температура плавления ~ 1670°С, температура кипения 3260°С, теплота плавления 437 Дж/кг, удельная теплоемкость (в интервале 0-100°С) 678Дж/(кг*С), теплопроводность (в интервале 0-200°С) 213,6 Вт/(м*С), температурный коэффициент линейного расширения (в интервале 290-570°С) 8,2 10°С, удельное электросопротивление (при 20°С) 42 10 Ом м, магнитная проницаемость 1,00005 Г/м (титан парамагнитен, т.е. он способствует усилению окружающего его внешнего магнитного поля). Твердость по Бринеллю НВ 90-130. Титан является хорошим геттером, т.е. обладает способностью активно поглощать газы, в особенности кислород, азот и водород. Примеси кислорода и азота снижают пластические свойства титана, а водород делает титан хрупким.

Хлор и другие галогены взаимодействуют с титаном при низких температурах (100-200°С) с образованием лёгколетучих галогенидов титана. Титан обладает высокой коррозионной стойкостью во многих средах. В холодной и кипящей воде металл не корродирует. Он практически стоек против действия азотной кислоты любой концентрации на холоде и при нагревании вследствие образования защитной окисной пленки. В разбавленной серной кислоте                    (до 5% H₂SO₄) при комнатной температуре титан стоек, в других условиях H₂SO₄ разрушает титан. Подобное действие на титан оказывает соляная кислота, которая начинает реагировать с ним при концентрации HCl более 10% и температура выше 25°С. В растворах щелочей (концентрации до 20%) на холоде и при нагревании титан стоек. Титан не корродирует в среде расплавов некоторых соединений. Высокая коррозионная стойкость титана обусловливает широкое применение его в химико-металлургических производствах.

Способы получения титана

Помимо магниетермического способа получения титана в аппаратах периодического действия, широкого применяемого в мировой практике, существуют и другие. Важным является производство титана натриетермическим способом, используемым за рубежом, в частности в Англии . Этот способ обоснован на следующей экзотермической (т.е. проходящей с выделением тепла) реакции:

TiCl_4(Г) + 4Na_(Ж) = Ti_(ТВ)+ 4NaCl_(Ж)+Q.

Натриетермический способ имеет определенные преимущества перед магниетермическим (легкость транспортировки натрия вследствие низкой (98°С) температуры его плавления; высокая скорость реакции восстановления и прохождение ее со 100%-ным коэффициентом использования натрия; отсутствие сложного и энергоемкого передела вакуумной дистилляции; возможность ведения полунепрерывного процесса и др.). Вместе с тем этому методу свойственны существенные недостатки. Натрий - очень высокоактивное вещество: на воздухе он быстро окисляется, а с водой реагирует со взрывом. Всё это требует соблюдения специальных мер безопасности. Отрицательными сторонами метода также являются высокая экзотермичность процесса восстановления, большой объем восстановителя и продуктов реакции, что приводит к необходимости применения громоздкой аппаратуры. Из других способов производства титана известны восстановление двуокиси титана кальцием по реакции

TiО₂ + 2Са = Ti + 2СаО,

гидридом кальция по реакции

TiО₂ + 2СаО + 2Н₂.

Интересен йодный метод, с помощью которого может быть получен высокочистый титан

TiJ₄ = Ti + 2J₂.

Все эти способы применяются ограниченно и по своим масштабам значительно уступают магние- и натриетермическому способам. Весьма перспективным является электролитический способ получения титана. Главное его преимущество - отсутствие металлического восстановителя. Достигнуты значительные успехи по разработке и совершенствованию этого метода. Идея метода уже используется в промышленной практике при электролитическом рафинировании титана (например, некачественного губчатого титана, отходов плавки титана и его сплавов).

В этом процессе анодом служит загрязненный титан, погруженный в расплав электролита. Последний содержит хлориды щелочных металлов и низшие хлориды титана (TiCl₂, TiCl₃). При электролизе, проходящем при 800-850°С, титан переходит в электролит и осаждается на катоде. Катодный осадок после гидрометаллургической обработки, просеивания служит отличным сырьем для порошковой металлургии.

Применение титана

Титан применяют в виде губки и порошка. Губчатый титан, имеющий развитую поверхность, в небольших количествах используют для очистки и осушки различных газов. В последние годы ускоренными темпами развивается новая отрасль в промышленности - порошковая металлургия, в том числе порошковая металлургия титана. Изделия из высокопористых титановых порошков обладают всеми свойствами компактного титана: малой плотностью, высокой прочностью, высокой коррозионной стойкостью. Их получают прокаткой или прессованием с последующим спеканием. Эффективность от применения                 1 тонны титановых фильтрующих элементов, используемых в химической, пищевой и других отраслях промышленности, составляет несколько десятков тысяч рублей. Пластичность титана и его сплавы по сравнению с другими конструкционными металлами обладают более высокой удельной прочностью и исключительной коррозийной стойкостью в атмосферных условиях и агрессивных средах. Титан стоек в воде, в том числе и морской. Это ценное свойство металла широко используется в судостроении. Существенное значение имеют такие свойства титана, как высокая температура плавления, малый коэффициент термического расширения, стойкость против эрозии и кавитации, немагнитность, биологическая инертность. Хорошая растворимость многих элементов, образования химических соединений с переменной растворимостью позволяет на основе титана получать сплавы с разнообразной структурой и свойствами. Легированием и последующей термообработкой временное сопротивление сплава титана можно повысить до 1500 МПа и более, что характерно только для специальных сталей. Удельная прочность титановых сплавов высока, и это позволяет снизить массу конструкций. Преимущества титановых сплавов перед специальными сталями, алюминиевыми и магниевыми сплавами сохраняются при температурах до 400-500 и даже 600°С, когда алюминиевые и магниевые сплавы вообще не применимы. При 300-350°С титановые сплавы прочнее алюминиевых в 10 раз.

Эти уникальные свойства титана и его сплавов привлекли внимание конструкторов самолетов, ракет, подводных лодок, различных химических аппаратов и на длительный период определили главное применение проката из титана            в этих отраслях. Показательны в этом отношении данные по структуре потребления проката из титана и его сплавов в США по годам, приведенные ниже:

Эти данные показывают, что доля титана, используемого в промышленности, увеличивается, и сферы его применения расширяются. Титан и его сплавы подвергают различным видам механической, термической и химико-термической обработки. Они хорошо свариваются автоматической сваркой            в защитной среде инертных газов, электрошлаковой и контактной сваркой. Всё это способствует применению его в судостроении, химическом и нефтяном машиностроении, металлургии, химической, нефтехимической, целлюлозно-бумажной, пищевой промышленности.

Из титана и его сплавов в СССР серийно изготавливают теплообменные и колонные аппараты, детали электролизеров, фильтры, емкости, насосы, вентиляторы и газоходы, арматуру и трубопроводы. Известно применение титана          в прикладной электрохимии для изготовления гальванических ванн, анодов и других изделий. На Березниковском титано-магниевом комбинате изготовлена и работает 120-метровая титановая труба массой 200 т. Подобная труба из железобетона имела бы массу 4500 т. Медицинские инструменты, изготовленные из титановых сплавов, на 20-30% легче инструментов из нержавеющей стали, обладают высокой коррозионной стойкостью, более долговечны и удобны в работе. Титан хорошо вживается в организм человека, и этим пользуются врачи-травматологи.

Титановые емкости (бочки) для хранения и перевозки вина лучше дубовых и стальных: в них сохраняется аромат, цвет и вкус вин в течение многих лет и исключается появление металлического привкуса.

Титан используют как декоративный материал в архитектуре и монументальной скульптуре. Им облицован обелиск в ознаменование запуска первого искусственного спутника Земли, сооружений в Москве около ВДНХ , монумент "Штык" в Белоруссии, памятник к 100-летию организации Международного союза электросвязи в Женеве. Из титана изготовлен вымпел, доставленный          на Луну советской космической ракетой. Перечисление областей применения титана можно было бы продолжить, но в этом нет необходимости . По мере удешевления титана без сомнения будут появляться все новые и новые сферы потребления этого замечательного металла.

3. Аппаратурно-технологическая схема получения титана

Новые аппараты восстановления или находящиеся в эксплуатации,                 т.е. оборотные (с остатками конденсата), собирают на монтажном участке цеха, устанавливают на монтажную тележку и электровозом транспортируют на участок восстановления. Здесь аппарат восстановления мостовым краном устанавливают в электропечь и на этой установке осуществляют монтажные работы (присоединение к реторте линий очищенного аргона, дегазированного TiCl₄ вакуума, водоохлаждения, слива хлористого магния). Дальше последовательно проводят следующие технологические операции печного цикла: разогрев аппарата и расплавление конденсата, заливку магния; разогрев аппарата восстановления до температуры начала процесса; процесс восстановления – наиболее длительная и самая ответственная операция; демонтаж и извлечение реторты         из печи. Рафинированный жидкий магний на передел восстановления поступает из корпуса электролиза в вакуум - ковшах, транспортируемых электрокаром. Дальнейшее перемещение ковшей с магнием, заливаемым в аппарат восстановления, осуществляется мостовым краном. Магний в реактор восстановления сливают при подаче очищенного аргона в вакуум-ковш.

Очищенный TiCl₄ на переделе восстановления проходит дегазацию и затем из напорного бака по трубопроводам самотеком через приборы расхода, называемые ротаметрами, подается на восстановление.

Четыреххлористый титан в напорном баке хранится под защитой очищенного аргона, избыточное давление которого стравливается через "дыхательный" бак и ловушку в атмосферу.

Вакуумно...