Отримання губчастого титану магнієтермічним способом

Размещено на http://www.allbest.ru/

РЕФЕРАТ

Курсова робота: с.30, табл. 10., 8 джерела.

Об'єкт дослідження - металургія титану.

Предмет дослідження - хлорування титану.

Мета роботи - проаналізувати основні стадії переробки титанвмісної сировини та отримання губчастого титану.

У першому розділі описано властивості, історія відкриття титану, технологічна схема переробки ільменітового концентрату та отримання губчастого титану магнієтермічним способом, області застосування титану і сплавів на його основі.

У другому розділі виконано розрахунок складу шихти та зведений матеріальний баланс для одержання титанового шлаку.

ТЕТРАХЛОРИД ТИТАНУ, ТИТАНОВА ГУБКА, ТУГОПЛАВКІСТЬ, ТИТАНОВИЙ ШЛАК, ХЛОРУВАННЯ, ПРОДУКТИ ХЛОРУВАННЯ, МАТЕРІАЛЬНИЙ БАЛАНС.

ВСТУП

У першому розділі розглядається таке питання як теоретичні особливості вироблення титану, а саме: фізико-хімічні властивості та історія відкриття титану, основні області застосування, технологічна схема отримання губчастого титану магнієтермічним способом, теоретичні основи хлорування і технологія та обладнання для отримання тетрахлориду титану.

Хлорування в кольоровій металургії - технологічний процес нагріву матеріалів, що містять кольорові метали, в атмосфері хлору, хлорвмісних газів або у присутності хлористих солей з метою витягання і розділення кольорових металів.

У основі процесу лежить взаємодія оксидів або сульфідів металів з хлором або хлоридом водню по оборотних реакціях. Оксиди, у яких гиббсова енергія цих реакцій має великі негативні значення (PbO, ZnO, Ag2O та ін.), хлоруються при малих концентраціях хлору в газовому середовищі і у присутності кисню; оксиди з великими позитивними значеннями гиббсовой енергії (SiO2, TiO2, Al2O3) практично не взаємодіють з газоподібним хлором, оскільки навіть сліди кисню в газовому середовищі перешкоджають утворенню хлоридів. Хлорування оксидів полегшується у присутності речовин, що зв'язують вільний кисень і зменшують його концентрацію в газовій фазі, наприклад вуглецю, водню, сірчистого ангідриду. В якості хлоруючих агентів, окрім елементарного хлору і HCl, застосовують дешеві солі - кам'яну сіль (NaCl), сильвініт, хлорид кальцію (CaCl2 ) та інші.

У другому розділі виконано розрахунок матеріального балансу руднотермічної відновної плавки ільменітового концентрату з одержанням титанового шлаку й чавуна.

1. ВИРОБНИЦТВО ГУБЧАСТОГО ТИТАНУ

1.1 Фізико-хімічні властивості титану. Історія відкриття

Титан був відкритий в 1791 р. англійським мінералогом У. Грегором, а в металевому вигляді добутий лише в 1910 р. Проте практичне використання розпочалося лише в 40-х роках з появою технологій, які забезпечували на стадії виробництва ефективний захист титану від взаємодії з воднем, киснем та азотом. Температура плавлення титану - 1668 оС, кипіння - 3300 оС. Питома густина 4,5 г/см3. Титан має дві алотропні модифікації: низькотемпературний титан (щільно упакована гексагональна ґратка з параметрами а = 0,29 нм, с = 0,467 нм.) і високотемпературний (882 оС) - бета-титан (об'ємно центрована кубічна ґратка з параметром 0,331 нм). Механічна міцність титану приблизно вдвічі більша за чисте залізо i в 6 разів перевищує міцність алюмінію. Титан сприятливо поєднує високу механічну міцність, корозійну стійкість, жароміцність i порівняно малу густину. Питома міцність (відношення міцності до густини) кращих титанових сплавів досягає 30...35 i більше, що майже вдвічі перевищує питому міцність легованих сталей. Такі властивості зумовлюють особливий інтерес до титану як матеріалу для літако- та ракетобудування. Сплави на основі титану все більше використовуються при будівництві морських суден, автомобільного та залізничного транспорту.

Підвищена корозійна стійкість зумовлює використання титану та його сплавів у хімічному та металургійному машинобудуванні, при виготовленні медичних приладів та в інших галузях техніки. Діоксид титану ТіО2 застосовують для виготовлення титанових білил i емалей, які вигідно відрізняються високою корозійною стійкістю та теплостійкістю.

3 числа відомих мінералів титану головне промислове значення мають два: рутил - природний діоксид титану ТіО2 та ільменіт FeTiO2, який входить до складу титаномагнієвих залізних руд. До перспективних руд належать також офен CaO·TіO2·SiO2 та перовскіт CaO·TіO2.

Відкриття TiO зробили практично одночасно і незалежно один від одного англієць У. Грегор і німецький хімік М. Г. Клапрот. У. Грегор, досліджуючи склад магнітного залозистого піску (Крід, Корнуолл, Англія, 1789), виділив нову "землю" (окис) невідомого металу, яку назвав менакеновой. У 1795 р. німецький хімік Клапрот відкрив у мінералі рутил новий елемент і назвав його титаном. Через два роки Клапрот встановив, що рутил і менакеновая земля - оксиди одного і того ж елемента, за яким і залишилася назва "титан", запропоноване Клапротом. Через 10 років відкриття титану відбулося втретє. Французький вчений Л. Воклен виявив титан в анатазі і довів, що рутил і анатаз - ідентичні оксиди титану.

Перший зразок металевого титану отримав у 1825 Й. Я. Берцеліус. Через високу хімічну активність титану та складності його очищення чистий зразок Ti отримали голландці А. ван Аркелем і І. де Бур в 1925 термічним розкладанням парів йодида титану TiI.

Метал отримав свою назву на честь титанів, персонажів давньогрецької міфології, дітей Геї. Назву елементу дав Мартін Клапрот, у відповідності зі своїми поглядами на хімічну номенклатуру у протихід французької хімічної школі, де елемент намагалися називати по його хімічним властивостям. Оскільки німецький дослідник сам відзначив неможливість визначення властивостей нового елемента тільки за його оксиду, він підібрав для нього ім'я з міфології, за аналогією з відкритим ним раніше ураном.

Найважливішою особливістю титану як металу є його унікальні фізико-хімічні властивості: низька щільність, висока міцність, твердість і ін. Головне ж, що ці властивості не змінюються істотно при високих температурах.

Чистий титан придатний для будь-яких видів обробки в гарячому і холодному стані: його можна кувати, як залізо, витягати і навіть робити з нього дріт, прокочувати в аркуші, стрічки, у фольгу товщиною до 0,01 мм.

Цікаво відзначити, що титан довгі роки, аж до одержання чистого металу, розглядали як дуже тендітний матеріал. Пов'язано це було з наявністю в титані домішок, особливо водню азоту, кисню, вуглецю й ін. Якщо збільшення змісту кисню й азоту відразу позначається на їхніх механічних властивостях, то вплив водню більш складний і може виявлятися не відразу, а в процесі експлуатації виробу. Недооцінка цього впливу при перших кроках застосування титану привела до серйозних аварій. Численні випадки несподіваних тендітних руйнувань готових титанових конструкцій в авіації США навіть стали причиною деякої кризи у виробництві титану в 1945...1955 р. Сьогодні ж водень спеціально вводять у титанові сплави, як тимчасовий чи постійний легуючий елемент. Це дозволяє сильно спростити багато технологічних операцій при виготовленні титанових виробів (гарячу обробку тиском, різання, зварювання, формування) і поліпшити їхньої властивості. При необхідності водень видаляють випалюванням у вакуумі.

Титан має ще одну чудову властивість - виняткову стійкість в умовах кавітації, тобто при посиленій «бомбардуванні» металу в рідкому середовищі пухирцями повітря, що утворяться при швидкому чи русі обертанні металевої деталі в рідкому середовищі. Ці пухирці повітря, лопаючись на поверхні металу, викликають дуже сильні мікроудари рідини об поверхню тіла, що рухається. Вони швидко руйнують багато матеріалів, і метали в тому числі, а от титан прекрасно протистоїть кавітації. Іспиту в морській воді швидкообертаючихся дисків з титану й інших металів показали, що при обертанні протягом двох місяців титановий диск практично не втратив у масі. Зовнішні краї його, де швидкість обертання, а отже, і кавітація максимальні, не змінилися. Інші диски не витримали іспиту: у всіх зовнішні краї виявилися ушкодженими, а багато хто з них і зовсім зруйнувалися.

Титан володіє ще однією дивною властивістю - «пам'яттю». У сплаві з деякими металами (наприклад, з нікелем, і особливо з нікелем і воднем) він «запам'ятовує» форму виробу, що з нього зробили при визначеній температурі. Якщо такий виріб потім деформувати, наприклад, згорнути в пружину, зігнути, то воно залишиться в такім положенні на довгий час. Після нагрівання до тієї температури, при якій цей виріб був зроблений, воно приймає первісну форму. Ця властивість титану широко використовується в космічній техніці (на кораблі розвертаються винесені в космічний простір великі антени, до цього компактно складені). Нещодавно цю властивість титану стали використовувати медики для безкровних операцій на судинах: у хворій, звужений судина вводиться дротик з титанового сплаву, а потім вона, розігріваючи до температури тіла, скручується в первісну пружинку і розширює судину.

Титан має порівняно низьку теплопровідність, всього 22,07 Вт/(м·К), що приблизно в 3 рази нижче теплопровідності заліза, у 7 разів - магнію, у 17...20 - алюмінію і міді. Відповідно і коефіцієнт лінійного термічного розширення в титану нижче, ніж в інших конструкційних матеріалів: при 20 ?С він у 1,5 рази нижче чим у заліза, у 2 - у міді і майже в 3 - в алюмінію. Таким чином, титан - поганий провідник електрики і тепла. Проводів з нього не зробиш, а от те, що він один з далеко не всіх металів є при низьких температурах надпровідником електрики, відкриває йому великі перспективи в електричній техніці, передачі енергії на великі відстані. Титан - парамагнітний метал: він не намагнічується, як залізо, у магнітному полі, але і не виштовхується з нього, як мідь. Його магнітна сприйнятливість дуже слабка, ця властивість можна використовувати при будівництві, наприклад, немагнітних кораблів, приладів, апаратів.

На відміну від більшості металів титан володіє значним електроопором: якщо електропровідність срібла прийняти за 100, то електропровідність міді дорівнює 94, алюмінію - 60, заліза і платини - 15, а титану - всього 3,8.

1.2 Основні області застосування титану і його сплавів

Титан завдяки хорошому поєднанню механічних і технологічних властивостей і високої корозійної стійкості знаходить широке застосування в найрізноманітніших галузях промисловості: авіакосмічної, хімічному і нафтовому машинобудуванні, чорної і кольорової металургії, харчової промисловості і в інших галузях.

Авіаційна промисловість була першим споживачем титану. Створення літальних апаратів зі швидкостями, близькими до швидкості звуку і переважаючими її, визначило ряд технічних та економічних вимог доконструкційних матеріалів, що йдуть на виготовлення корпусу літака і його обшивки, а також двигунів, які неможливо було задовольнити без застосування матеріалів на основі титану. Авіаційно-космічна техніка і зараз визначає темпи розвитку титанової промисловості, хоч частка її взагальному обсязі споживання титану поступово знижується.

Завдяки високій корозійної стійкості титан і його сплави широко використовуються в хімічній промисловості: теплообмінники та випарна апаратура, реактори, скрубери, сушарки, розділові колони, ємності, насоси, інше обладнання. Приблизно 30 % титану витрачається на виготовлення комунікацій з титану, які використовуються в хімічній промисловості.

Широке застосування титан знаходить у виробництві штучного волокна, барвників, азотної кислоти, синтетичних жирних кислот, хлорованих вуглеводнів, кальцинованої соди, в хлорорганічному синтезі, у багатьох агресивних середовищах.

Великий інтерес викликає застосування фасонного лиття для виготовлення титанових насосів і запірної арматури.

У світовій практиці труби з титану широко застосовують у нафтовій промисловості

У суднобудуванні зі збільшенням розмірів кораблів потрібні все більше потужні турбінні двигуни, парові котли та конденсатори.

За обсягом застосування титану кольорова металургія займає друге місце серед цивільних галузей промисловості. Найбільше поширення титанове обладнання отримало на підприємствах кобальтово-нікелевої і титано-магнієвої промисловості, а також у виробництві міді, цинку, свинцю, ртуті та інших металів.

Титан застосовується як елемент, що підвищує твердість алюмінієвих сплавів, і модифікатора, що дозволяє отримувати дрібнозернисту структуру металу.

Добавки титану підвищують якість чавуну і сталі. Окремо або зіншими елементами титан застосовується як розкислювач при виробництві багатьох низьколегованих і вуглецевих сталей.

1.3 Технологічна схема отримання губчатого титану магнієтермічним способом та її опис

Для отримання титану застосовують магній, при цьому в якості побічного продукту виходить хлористій магній, є сировиною для виробництва магнію. Разом з тим при виробництві магнію побічним продуктом є хлор, який необхідний для отримання чотрихлористого титану, тому виробництво титану і магнію зазвичай поєднують на одному заводі.

Титаномагнієві заводи отримують в якості сировини для титану ільменітовий концентрат зі збагачувальних фабрик.

Для заповнення втрат магнію, які неминучі в процесі виробництва титану, використовують зазвичай магнієву сировину.

Розглядається тільки частина технологічної схеми, що відноситься до отримання титану.



Рисунок 1.1 - Технологічна схема отримання губчастого титану магнієтермічним способом

Титан випускають у вигляді губки або злитків, які потім на інших заводах переробляють на лист, профілі, труби, поковки та інші напівфабрикати. Технологічна схема виробництва складається з шести основних переділів.

1. Відновлювальна плавка ільменітових концентратів в руднотермической печі. Продуктами плавки є чавун і титанвмісткі шлаки, які після відповідної підготовки надходять на наступний переділ.

2. Хлорування титанових шлаків і очищення при цьому одержуваного чотирихлористого титану. Хлор для хлорування шлаків надходить у вигляді анодного газу з магнієвих електролізерів.

3. Відновлення тетрахлориду титану магнієм. При цьому утворюється реакційна маса (~ 60% Ti, 15% MgCl2 і 25% Mg) і хлористий магній, який відокремлюється протягом всього процесу. Останній надходить у цех електролізу для виробництва магнію і хлору, а реакційна маса надходить на наступний переділ.

4. Вакуумна сепарація. Титанову губку відокремлюють від магнію та хлористого магнію. Магній повертають на відновлення, хлористий магній - в електроліз або разом з магнієм в наступний процес, блок титанової губки надходить на наступний переділ.

5. Дроблення, оброблення на певні сорти і фракції сортуванням титанової губки.

6. Плавка злитків в електродугових печах.

Титанова губка в чистому вигляді або змішана з легуючими добавками переплавляється на злитки.

1.4 Теоретичні основи процесу хлорування

Хлорування в кольоровій металургії - технологічний процес нагріву матеріалів, що містять кольорові метали, в атмосфері хлору, хлорвмісних газів або у присутності хлористих солей з метою витягання і розділення кольорових металів.

У основі процесу лежить взаємодія оксидів або сульфідів металів з хлором або хлоридом водню по оборотних реакціях. Оксиди, у яких гиббсова енергія цих реакцій має великі негативні значення (PbO, ZnO, Ag2O та ін.), хлоруються при малих концентраціях хлору в газовому середовищі і у присутності кисню; оксиди з великими позитивними значеннями гиббсовой енергії (SiO2, TiO2, Al2O3) практично не взаємодіють з газоподібним хлором, оскільки навіть сліди кисню в газовому середовищі перешкоджають утворенню хлоридів. Хлорування оксидів полегшується у присутності речовин, що зв'язують вільний кисень і зменшують його концентрацію в газовій фазі, наприклад вуглецю, водню, сірчистого ангідриду. Таким чином, змінюючи склад газової фази і температуру процесу, можна підібрати умови селективного хлорування; зокрема, у присутності кисню і пари води можна прохлорировать ряд кольорових металів, залишивши в окисленій формі залізо, а у відновній атмосфері перевести у форму хлоридів оксиди заліза. В якості хлоруючих агентів, окрім елементарного хлору і HCl, застосовують дешеві солі - кам'яну сіль (NaCl), сильвініт, хлорид кальцію (CaCl2 ) та ін. При цьому Х., особливо при використанні малолеткого CaCl2 , йде переважно через розкладання солі парами води з утворенням HCl; розкладанню соли-хлоринатора сприяє присутність SO2 або SO2 , CaSO4 , що утворюють, CaSiO3 і тому подібне.

Різновиди хлорування : хлоруюче випалення, хлоридовозгонка і сегрегація. Хлоруюче випалення проводять при відносно низькій температурі, при якій хлориди, що утворюються, ще нелетучи. Х. здійснюють в електропечах, печах киплячого шару, трубчастих або багаточереневих обпалювальних печах. Процес застосовується у виробництві магнію для перекладу окислу магнію в хлорид, який потім піддають електролізу, а також для витягання кобальту і міді з бідних матеріалів, найчастіше з піритових огарків і кобальт-никелевых штейнов; кобальт, мідь, цинк переходять у форму хлоридів і вилуговуються водою або слабкою кислотою, а залізо не хлорується і залишається у формі оксидів в твердому залишку.

Хлоридовозгонка, на відміну від хлоруючого випалення, ведеться при більш високих температурах, що забезпечують звітрювання хлоридів металів; процес більше універсальний: дозволяє витягати більше різних кольорових і рідкісних металів, а також золото і срібло. Сегрегація, на відміну від хлоридовозгонки, вимагає меншої витрати хлоринаторов і ведеться при нижчій температурі, але для отримання концентрату потрібна додаткова операція - флотація або магнітна сепарація.

Хлорування застосовується також для рафінування розплавлених металів від домішок: алюмінію - від натрію і кальцію, свинцю - від цинку, олова - від свинцю. Розробляються процеси видалення міді і кобальту з нікелевого файнштейна хлоридными розплавами.

1.5 Технологія та обладнання для отримання тетрахлориду титана

Отримання тетрахлориду титана TiCl4 здійснюють дією газоподібного хлору на TiO2 при температурах 700-900 °C, при цьому протікає реакція: TiO2 + 2Cl2 + 2С = TiCl4 + 2СО. Початковою титаносодержащим сировиною при цьому є титановий шлак. Хлорування здійснюють в шахтних хлораторах безперервної дії або в сольових хлораторах. Шахтний хлоратор - це футерований циліндр діаметром до 2 і заввишки до 10 м, в який згори завантажують брикети з подрібненого титанового шлаку і знизу вдувають газ магнієвих електролізерів, що містить 65-70 %% Cl2. Взаємодія TiO2 брикетів і хлору йде з виділенням тепла, що забезпечує необхідні для процесу температури (~ 950 °C в зоні реагування). Що утворюється в хлораторі газоподібний TiCl4 відводять через верх, залишок шлаку від хлорування безперервно вивантажують знизу. Сольовий хлоратор для виробництва титану є футерованою шамотом камерою, наполовину заповненою відпрацьованим електролітом магнієвих електролізерів, що містить хлориди калію, натрію, магнію і кальцію. Згори в розплав завантажують подрібнені титановий шлак і кокс, а знизу вдувають хлор. Температура 800-850 °З, необхідна для інтенсивного протікання хлорування титанового шлаку в розплаві, забезпечується за рахунок тепла протікаючих екзотермічних реакцій хлорування. Газоподібний TiCl4 з верху хлоратора відводять на очищення від домішок, відпрацьований електроліт періодично замінюють. Основна перевага сольових хлораторів полягає в тому, що не потрібно дороге брикетування шихти. Що відводиться з хлораторів газоподібний TiCl4 містить пил і домішки газів - CO, СO2 і різні хлориди, тому його піддають складному очищенню, що проводиться в декілька стадій.

Рис 1. Схема шахтного хлоратора безперервної дії : 1 - водоохолоджуваний конус; 2 - фурма; 3 - хлорний колектор; 4 - корпус хлоратора; 5 - водоохолоджуване зведення; 6 - бункер; 7 - золотниковий живильник; 8 - редуктор; 9 - електродвигун; 10 - збірка огарка; 11 - розвантажувальний шнек.

Шахта хлоратора (внутрішній діаметр 1,8 м, висота 10 м) футерована динасним і щільною шамотною цеглиною. Брикети подають з бункера через золотник, живильник, залишок вивантажують шнеком. Фурми подання хлору розташовуються на висоті близько 2 м від місця вивантаження залишку. Хлорування йде при 900-1000 °Із за рахунок теплоти реакцій; питома продуктивність 1,8 - 2 тонни TiCl4 /сут. на 1 м об'єму хлоратора; хлоратор з сольовим розплавом (конструкція і спосіб хлорування розроблені в Росії). У шахту хлоратора заливають сольовий розплав, наприклад, відпрацьований електроліт Mg- електролізерів. Розмолоту шихту подають на дзеркало розплаву, хлор - фурмами в нижню частину хлоратора.

2. МАТЕРІАЛЬНИЙ БАЛАНС ОДЕРЖАННЯ ТИТАНОВИХ ШЛАКІВ

2.1 Розрахунок складу шихти для плавки

Відновлюваній електроплавці піддається шихта, що складається з концентрату і твердого відновника (антрациту).

Розрахунок матеріального балансу плавки ільменітового концентрату виконаний за методикою [3], в основу якого покладений принцип розподілу складових концентрату по продуктах плавки. У тому випадку, коли ці дані точно відомі, тобто дані по знятих матеріальних балансах, вони дають невеликі похибки по складу шлаку й чавуні.

У дійсному розрахунку прийнятий принцип, заснований на конкретно заданому змісті FeO у шлаку, наприклад, 5 % [2], що дозволяє уникнути відзначених недоліків.

Склад концентрату (Малишевського), що надходить на плавку, приведений у таблиці 1.1.

Таблиця 2.1 - Хімічний склад концентрату, %

Компоненти	TiO2	Fe2O3	FeO	SiO2	Al2O3	MgO	MnO	V2O5	Cr2O3	P2O5	CaO
Вміст	49,4	17,00	25,3	2,63	1,5	0,45	1,14	0,12	0,2	0,26	2

Склад антрациту приведений у таблиці 1.2.

Таблиця 2.2 - Склад антрациту, %

Компоненти	C	H2O	Летучі (CH4)	Зола
Вміст	88,00	1,50	2,50	8,00

Зола антрациту містить, %: 35,0 Fe2O3; 45,0 SiO2; 20,0 Al2O3.

Розрахунок матеріального балансу проводимо на 1000 кг концентрату. Діоксид титану відновлюється до Ti3O5, оксиди алюмінію, магнію, кальцію цілком переходять у шлак, інші елементи - відновлюються, %: до 7,5 SiO2; до 21,0 Cr2O3; до 30,0 V2O5; до 6,0 MnO; до 46,0 P2O5 та усі переходять у чавун, інше - у шлак. Сірка елементарна переходить у чавун 15 %, у пил газів, що відходять - 2,6 %, механічні витрати - 2,5 %, інше переходить у шлак.

На підставі досліджень [2] перехід титану в чавун складає 0,01 - 0,06 %; утрати з пилом газів, що відходять - 2,3 - 5,45 %; механічні втрати й нев'язання балансу 2,15 - 3,7 %. При розрахунку матеріального балансу приймаємо, %: 0,05; 2,6; 2,5.

Склад пилу газів, що відходять, і механічні утрати відповідають складу концентрату.

Таким чином, кількість пилу дорівнює:

(1000 2,6) / 100 = 26 кг.

механічні втрати

(1000 2,5) / 100 = 25 кг.

Склад компонентів пилу газів, що відходять, і механічні утрати пропорційний їхній кількості в концентраті:

TiO2 (26 49,4) / 100 = 12,844 кг і т.д.

Результати розрахунку приведені в таблиці 1.3.

Таблиця 2.3 - Кількість і склад пилу газів, що відходять та механічні втрати, кг

Сполука	Пил газів	Механічні втрати	Сума	На плавку
TiO2	12,844	12,35	25,194	468,806
Fe2O3	4,42	4,25	8,67	165,75
SiO2	0,683	0,658	1,342	24,959
Al2O3	0,39	0,375	0,765	14,235
MgO	0,117	0,112	0,229	4,271
Cr2O3	0,052	0,05	0,102	1,898
MnO	0,296	0,285	0,582	10,819
V2O5	0,031	0,03	0,061	1,139
P2O5	0,067	0,065	0,132	2,468
FeO	6,578	6,325	12,903	240,097
CaO	0,52	0,5	1,02	18,98
Разом:	26,000	25,00	51,00	949,00

У процесі плавки беруть участь компоненти концентрату, кг:

TiO2: 494 - 25,194 = 468,806;

Fe2O3: 170 - 4,25 = 165,75;

SiO2: 26,3 - 1,341 = 24,959;

Al2O3: 15 - 0,765 = 14,235;

MgO: 4,5 - 0,229 = 4,271;

Cr2O3: 2 - 0,102 = 1,819;

MnO: 11,4 - 0,581 = 10,819;

V2O5: 1,2 - 0,061 = 1,139;

P2O5: 2,6 - 0,132 = 2,468;

FeO: 253 - 12,903 = 240,097;

СаО: 20 - 1,02 = 18,98;

Разом: 1000 - 51 = 949.

При руднотермічній плавці Fe2O3 відновлюється до FeO:

Fe2O3	+ C	= 2 FeO	+ CO	(1.1)
160	12	144	28
165,75	а	б	в
а = 12,431;	б = 149,175;	в = 29,006 кг.

При плавці шлаку протікають реакції:

TiO2	+	2 C	=	Ti	+	2 CO	(1.2)
MnO	+	2 C	=	Mn	+	2 CO	(1.3)
SiO2	+	2 C	=	Si	+	2 CO	(1.4)
V2O5	+	5 C	=	V	+	5 CO	(1.5)
3TiO2	+	C	=	Ti3O5	+	CO	(1.6)
Cr2O3	+	3C	=	2Cr	+	3CO	(1.7)
FeO	+	C	=	Fe	+	CO	(1.8)
Fe2O3	+	3C	=	2Fe	+	3CO	(1.9)

Кількість компонентів, що вступають у хімічні реакції (1.2), (1.3), (1.4), (1.5), (1.7), кг:

TiO2 (468,806 0,05) / 100 = 0,234;

MnO (10,819 6) / 100 = 0,649;

SiO2 (24,959 7,5) /100 = 0,187;

V2O5 (1,139 30) / 100 = 0,342;

Cr2O3 (1,898 · 21) / 100 = 0,399;

P2O5 (2,468 • 46) / 100 = 1,135

Визначаємо витрату вуглецю й кількість одержуваних продуктів по реакції (1.2):

TiO2 + 2C = Ti + 2CO

80 24 48 56

0,234 а б в

а = 0,07 кг С; б = 0,14 кг Ti; в = 0,16 кг СО.

Вступить у реакцію (1.2) 468,806 - 0,234 = 468,572.

По реакції (1.3):

MnO + C = Mn + CO

71 12 55 28

0,649 а б в

а = 0,11 кг С; б = 0,502 кг Mn; в = 0,256 кг СО.

У шлак перейде 10,819 - 0,649 = 10,17 кг MnO.

По реакції (1.4):

SiO2 + 2C = Si + 2CO

60 24 28 56

1,871 а б в

а = 0,748 кг С; б = 0,873 кг Si; в = 1,746 кг СО.

У шлак перейде 24,959 - 1,871 = 23,088 кг SiO2.

По реакції (1.5):

V2O5 + 5C = 2V = 5CO

182 60 102 140

0,342 а б в

а = 0,113 кг С; б = 0,192 кг V; в = 0,263 кг CO.

У шлак перейде 1,139 - 0,342 = 0,797 кг V2O5.

По реакції (1.6):

3TiO2 + С = Ti3O5 + CO

240 12 224 28

468,806 а б в

а = 23,44 кг С; б = 437,552 кг Ti3O5; в = 54,694 кг СО.

По реакції (1.7):

Cr2O3 + 3C = 2Cr + 3CO

152 36 104 84

0,399 а б в

а = 0,095 кг С; б = 0,273 кг Cr; в = 0,22 кг СО.

У шлак перейде 1,898 - 0,399 = 1,499 кг Cr2O3.

По реакції (1.8)

P2O5 + 5С = 2Р + 5СО

42 50 62 140

1,135 а б в

а = 1,621кг С; б = 1,675 кг Р; в = 3,783 кг СО.

У шлак перейде 2,468 - 1,135 = 1,333 кг P2O5.

У шлаку залишається, кг: 14,235 Al2O3; 4,271 кг MgO; 18,98 СаО.

Таким чином, склад шлаку, кг:

437,55 Ti3O5; 23,088 SiO2; 14,235 Al2O3; 4,271 MgO; 1,499 Cr2O3; 10,17 MnO; 0,797 V2O5; 1,333 P2O5; 18,98 СаО

Разом: 511,779 кг.

Якщо плавку проводити до одержання в шлаку 5 % FeO, то його кількість складе:

FeO (511,799 • 5) / 95 = 26,936 кг.

Кількість FeO, що вступає в реакцію (1.8):

389,272 - 26,936 = 362,336 кг.

FeO + C = Fe + CO

титан сплав хлорування плавка

72 12 56 28

362,336 а б в

а = 60,389 кг С; б = 281,817 кг Fe; в = 140,908 кг СО.

Кількість компонентів чавуна, кг: 0,14 Ti; 0,502 Mn; 0,873 Si; 0,192 V; 0,273 Cr; 282,594 Fe.

Разом: 286,249 кг.

Зміст вуглецю в чавуні складає 2%:

(286,249 • 0,02) / 0,98 = 5,842 кг.

Загальна витрата вуглецю складає:

12,431 + 0,07 + 0,11 +0,748 + 0,113 + 23,44 + 0,095 + 1,621 + 60,389 + 5,842 = 104,869 кг.

Визначаємо кількість активного вуглецю в 100 кг антрациту.

Оксид Fe2O3 золи антрациту цілком відновлюється до металу, Al2O3 цілком переходить у шлак, SiO2 на 75% відновлюється до кремнію і переходить у чавун.

По реакції (1.9):

Fe2O3 + 3С = 2Fe + 3CO

160 36 112 84

8,0 • 0,35 = 2,80 а б в

а = 0,630 кг С; б = 1,960 кг Fe; в = 1,470 кг СО.

По реакції (1.4):

SiO2 + 2С = Si + 2CO

60 24 28 56

8,0 • 0,45 • 0,75 = 2,70 а б в

а = 1,080 кг С; б = 1,260 Si; в = 2,520 CO.

Загальна витрата вуглецю на відновлення складових золи:

0,630 + 1,080 = 1,710 кг.

У 100 кг антрациту залишається активного вуглецю

88,0 - 1,710 = 86,290 кг.

Таким чином, для відновлення концентрату необхідно антрациту:

104,869 / 0,8629 = 121,531 кг.

З обліком пиловиносу антрациту 1,43 % [13] витрата його складе:

121,531 / 0,9857 = 123,294 кг.

Пиловинос антрациту складе 123,294 - 121,531 = 1,766 кг,

у ньому: 1,766 • 0,880 = 1,554 кг С;

1,766 • 0,025 = 0,044 кг летучих;

1,766 • 0,015 = 0,026 кг вологи;

1,766 • 0,080 = 0,141 кг золи.

В антрациті міститься

123,294 • 0,880 = 108,499 кг С;

123,294 • 0,025 = 3,082 кг летучих;

123,294 • 0,015 = 1,849 кг вологи;

123,294 • 0,080 = 9,864 кг золи.

Пішло на реакції:

108,499 - 1,554 = 106,945 кг С;

3,082 - 0,044 = 3,038 кг летучих;

1,848 - 0,026 = 1,824 кг вологи;

9,864 - 0,141 = 9,723 кг золи.

У 8,137 кг золи міститься;

9,723 • 0,35 = 3,403кг Fe2O3;

9,723 • 0,45 = 4,375 кг SiO2;

9,723 • 0,2 = 1,945 кг Al2O3.

Кількість SiO2 золи антрациту по реакції (1.4):

4,375 • 0,75 = 3,281 кг.

Перейшло в шлак 4,375 -3,281 = 1,095 кг.

Утвориться Si (3,281 • 28) / 60 = 1,531 кг;

СО (3,281 • 56) / 60 = 3,062 кг.

По реакції (1.8) утвориться:

Fe (3,403• 112) / 60 = 6,352 кг;

СО (3,403• 84) / 160 = 1,787 кг.

Летучі антрациту взаємодіють із киснем повітря по реакції (1.10):

СН4 + 1,5 О2 = СО + 2 Н2О (1.10)

16 48 28 36

3,043 а б в

а = 9,129 кг О2; б = 5,325 кг СО; в = 6,847 кг Н2О.

Кількість і склад товарного чавуну приведений у таблиці 1.4.

Витрату електродів приймаємо рівним 25 кг на 1 т шлаку. Отже, витрата електродів на процес складе:

521,922 • 0,025 = 13,048 кг.

Таблиця 2.4 - Кількість і склад товарного чавуна

Елемент	кг	%
Ti	0,14	0,047
Mn	0,502	0,168
Si	0,873 + 1,534 = 2,407	0,806
V	0,192	0,064
Cr	0,273	0,091
Fe	282,594 + 6,362 = 288,956	96,738
C	5,842	1,956
Разом:	298,699	100,000

Кількість і склад шлаку приведені у таблиці 1.5

Таблиця 2.5 - Кількість і склад шлаку

Сполуки	кг	%
Ti3O5	437,55	83,834
MnO	10,17	1,949
SiO2	23,088 + 1,095 = 24,183	4,633
V2O5	0,797	0,153
Al2O3	14,235 + 1,947 = 16,182	3,1
MgO	4,271	0,818
Cr2O3	1,499	0,287
FeO	25,937	0,255
СаО	18,98	0,195
P2O5	1,333	4,969
Разом:	521,922	100,000

Вуглець електрода згоряє по реакції (1.11):

2 C + O2 = 2 CO (1.11)

24 32 56

13,048 а б

а = 17,397 кг O2; б = 30,445 кг С.

Витрата кисню на реакцію (1.11):

9,129 + 17,397 = 26,526 кг.

З киснем повітря надходить в азот

(26,526 • 77) / 23 = 88 кг,

де 77 і 23 - склад повітря (азот і кисень).

Витрата повітря:

26,526 + 88 = 114,526 кг.

Склад газів:

СО = 29,006 + 0,16 + 0,256 + 1,746 + 0,263 + 54,694 + 0,22 + 3,783 + 141,297 + +3,068 + 2,386 + 5,325 + 30,445 = 272,049 кг.

Н2О = 1,852 + 6,847 = 8,699 кг.

N2 = 88 кг.

Усього: 369,348 кг.

За результатами розрахунку складаємо матеріальний баланс плавки ільменітових концентратів у таблиці 1.6

Таблиця 2.6 - Матеріальний баланс плавки ільменітового концентрату

Завантажено	Отримано
Продукт	кг	Продукт	кг
1	2	3	4
Концентрат, у т.ч.:	1000	Шлак, у т.ч.:	521,92
TiO2	494,000	Ti3O5	437,55
Fe2О3	170,000	MnO	10,17
FeO	253,000	SiO2	24,183
SiO2	26,300	V2O5	0,797
Al2О3	15,000	Al2О3	16,182
MgO	4,500	MgO	4,271
Cr2O3	2,000	Cr2O3	1,499
MnO	11,400	FeO	25,937
V2O5	1,200	СаО	18,98
P2O5	2,600	P2O5	1,333
СаО	20,000
Антрацит, у т.ч.:	123,294	Чавун, у т.ч.:	298,99
C	108,499	Ti	0,14
Летючі	3,082	Mn	0,502
H2O	1,849	Si	2,407
Зола	9,864	V	0,192
Електроди	13,048	Cr	0,273
Повітря, у т.ч.:	114,526	Fe	288,956
О2	26,526	C	5,842
N2	88	Пил газів, у т.ч.:	27,765
		TiO2	12,844
		Fe2О3	4,42
		SiO2	0,683
		Al2О3	0,39
		MgO	0,117
		Cr2O3	0,052
		MnO	0,296
		V2O5	0,031
		P2O5	0,067
		FeO	6,578
		CaO	0,52
		С	1,554
		Летучі	0,044
		Волога	0,026
		Зола	0,141
		Механічні утрати, у т.ч.:	25,000
		TiO2	12,350
		Fe2О3	4,250
		SiO2	0,658
		Al2О3	0,375
		MgO	0,112
		Cr2O3	0,05
		MnO	0,285
		V2O5	0,030
		P2O5	0,065
		FeO	6,325
		СаО	0,500
		Гази, у т.ч.:	369,348
		CO	272,049
		H2O	8,699
Разом	1250,9	N2	88
		Разом	1243,023
		Нев'язання	7,277

Нев'язання балансу складає +0,38 %, що допускається при розрахунках.

При контакті шлаку з повітрям після випуску з печі відбувається окислювання Ti3O5 до TiO2 по реакції (1.12):

Ті3О5 + 0,5 О2 = 3 TiО2 (1.12)

224 16 240

437,55 а б

а = 31,254 кг О2; б = 468,804 кг TiО2.

Товарний шлак має склад, що представлений у таблиці 2.7.

Таблиця 2.7 - Кількість і склад товарного шлаку

Сполука	кг	%
TiО2	468,804	86,628
MnO	10,17	0,419
SiO2	24,183	4,405
V2O5	0,797	0,395
Al2О3	16,182	2,038
MgO	4,271	0,297
Cr2O3	1,499	0,352
P2O5	1,333	0,241
FeO	25,937	4,691
СаО	18,98	0,195
Разом:	553,176	100,000

Матеріальний баланс окислювання шлаку при обробленні наданий у таблиці 2.8.

Таблиця 2.8 - Матеріальний баланс окислювання шлаку при обробленні

Завантажено	Отримано
Продукт	кг	Продукт	кг
Шлак, у т.ч:	521,922	Шлак, у т.ч:	553,176
Ti3O5	437,55	TiO2	468,804
MnO	10,17	MnO	10,17
SiO2	24,183	SiO2	24,183
V2O5	0,797	V2O5	0,797
Al2O3	16,182	Al2O3	16,182
MgO	4,271	MgO	4,271
Cr2O3	1,499	Cr2O3	1,499
FeO	25,937	FeО	25,937
P2O5	1,333	P2O5	1,333
СаО	18,98	СаО	18,98
Кисень повітря	31,254
Разом:	553,176	Разом:	553,176

2.2 Зведений матеріальний баланс одержання титанового шлаку

На основі даних, наданих у таблицях 1.6, 1.7, 1.8, представляємо зведений матеріальний баланс одержання титанового шлаку в таблиці 1.9.

Таблиця 2.9 - Зведений матеріальний баланс одержання титанистих шлаків.

Завантажено	Отримано
Продукт	кг	Продукт	кг
Концентрат	1000,0000	Шлак	553,176
Антрацит	123,294	Чавун	298,99
Електроди	13,048	Гази	369,348
Повітря	145,78	Пил газів	27,765
		Механічні утрати	25,000
Разом:	1282,122	Разом:	1248,637

Нев'язання складає: (1282,122 • 100) / 1248,637 = 102,681, тобто 2,681 %, що цілком припустимо при ручному рахуванні (припускаючи округлення).

2.3 Витрата сировини, матеріалів на 1 т ільменітового концентрату та 1 т титанистого шлаку

Витрата сировини, матеріалів на 1 т (1000 кг) ільменітового концентрату шлаку знаходимо з таблиці 1.9.

Витрата сировини й матеріалів на 1 т (1000 кг) титанистого шлаку визначаємо у відповідності з формулою:

Х = (А • Б) / У,

де А - кількість сировини чи матеріалу, що витрачається на 1 т концентрату, таблиця 1.9;

Б - кількість шлаку, 1 т;

В - кількість шлаку, що утвориться з 1 т шлаку, таблиця 1.9.

На 1 т шлаку витрата концентрату й матеріалів складає:

(1•1) / 0,553176 = 1,808 т;

антрациту - (0,123294 • 1) / 0,553176 = 0,223 т;

електродів - (0,015041 • 1) / 0,553176 = 0,024 т;

повітря - (0,157241 • 1) / 0,553176 = 0,264 т.

Утвориться:

пилу - (0,027765• 1) / 0,553176 = 0,050 т;

механічні втрати (у виді пилу)

- (0,025 • 1) / 0,553176 = 0,045 т;

газів - (0,369348 • 1) / 0,553176 = 0,668 т.

Результати розрахунку представляємо у зведеній таблиці 1.10.

Таблиця 2.10 - Витрата сировини та матеріалів на 1 т концентрату, а також продуктів, що утворяться на 1 т шлаку

На 1 т концентрату, т	На 1 т шлаку, т
Антрацита	0,123294	Концентрату	1,808
Електродів	0,013048	Антрацита	0,223
Повітря	0,14578	Повітря	0,264
		Утвориться:
		Газів	0,668
		Пилу	0,050
		Механічних утрат	0,045

ВИСНОВКИ

В першому розділі курсової роботи було розглянуто: технологію виробництва титану, його фізико-хімічні властивості та історію відкриття; основні області застосування титану та сплавів на його основі; технологічну схему отримання губчатого титану магнієтермічним методом та її опис; теоретичні основи хлорування і обладнання для отримання тетрахлориду титану.

Титан - тугоплавкий метал. Найважливішою особливістю титану як металу є його унікальні фізико-хімічні властивості: низька щільність, висока міцність, твердість і ін.

Титан завдяки хорошому поєднанню механічних і технологічних властивостей і високої корозійної стійкості знаходить широке застосування в найрізноманітніших галузях промисловості: авіакосмічної, хімічному і нафтовому машинобудуванні, чорної і кольорової металургії, харчової промисловості і в інших галузях.

Титанове виробництво засноване на переробці різних залізо титанових концентратів на багаті діоксидом титану шлаки в руднотермічних електропечах. В результаті рудновідновної плавки виходить титановий шлак і залізо близьке за складом до чавуну.

У другому розділі курсової роботи був проведений розрахунок матеріального балансу, до якого входило розрахунок складу шихти для плавки, розрахунок зведеного матеріального балансу та витрати сировини і матеріалів, у результаті отримано матеріальний баланс у кількості 1282,122 г.

На 1 т концентрату, т: 0,123294 антрациту, 0,013048електродів, 0,14578 повітря.

На 1 т шлаку, т: 1,808 концентрату; 0,223 антрациту; 0,264 повітря; 0,668 газів; 0,050 пилу; 0,045 механічних утрат.

ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ

1 Тарасов, A.B. Металлургия титана [Текст] : учебное пособие для студен-тов / A.B. Тарасов - М.: ИКЦ «Академкнига», 2003. - 328 с. - 400 экз.

2 Лебедєв, В.В. Металургія рідкісних металів [Текст] : конспект лекцій / В.В. Лебедєв - Запоріжжя : ЗДІА, 2006. - 100 с. - Бібліогр. : 98 . - 75 прим.

3 Байбеков, М.К. Производство четырёххлористого титана [Текст] : пособие молодого рабочего цветной металлургии / М.К. Байбеков, В.Д. Попов, И.М. Чеп-расов - 2-е изд., перераб. и доп. - М. : Металлургия, 1987. - 128 с. - 1900 экз.

4 Іващенко, В.І. Металургія рідкісних металів [Текст] : навчальний посібник для студентів ЗДІА спеціальності 7.090402 "Металургія кольорових металів" денної та заочної форм навчання / Укл.: В.І. Іващенко, О.В. Іващенко, В.В. Лебедєв. - Запоріжжя : ЗДІА, 2005. - 168 с. - 100 прим.

5 Надольский, А.П. Расчёты процессов и аппаратов производства тугоплавких металлов [Текст] : учебное пособие для студентов вузов / А.П. Надольский. - М. : Металлургия, 1980. - 128 с.

6 Иващенко, В.И. Методические указания к практическим занятиям, курсовому и дипломному проектированию по курсу "Металлургия тугоплавких редких металлов" [Текст] / Сост. В.И. Иващенко. - Запорожье : ЗИИ, 1989. - 45 с.

7 Іващенко, В.І. Металургія рідкісних металів : навчальний посібник для студентів ЗДІА спеціальності 7.090402 "Металургія кольорових металів" денної та заочної форм навчання / Укл.: В.І. Іващенко, О.В. Іващенко, В.В. Лебедєв. - Запоріжжя : ЗДІА, 2005. - 168 с.

8 Гармата, В.А. Титан : Свойства, сырьевая база, физико-химические основы и способы получения / В. А. Гармата, А. Н. Петрунько, Н. В. Галицкий. - М. : Металлургия, 1983. - 559 с.

Размещено на Allbest.ru