Курсовая работа (т): Матеріальний баланс одержання титанових шлаків

Матеріальний баланс одержання титанових шлаків

РЕФЕРАТ

Курсова робота: 37 с., 2 рис., 10 табл., 7 джерел.

Об¢єкт дослідження - металургія титана.

Предмет роботи - технологія отримання титанового шлаку.

Мета роботи: вивчити властивості титана, його практичне застосування, магнієтермічне виробництво титанової губки. технологічний процес виробництва титанового шлаку та обладнання для його отримання. Зробити розрахунок матеріального балансу для одержання титанових шлаків.

У першому розділі розглянуто властивості титана, області застосування титана і сплавів на його основі, технологію отримання губчастого титана магнієтермічним способом, технологію отримання титанової губки.

У другому розділі розраховано склад шихти для виплавки титанового шлаку, складено матеріальний баланс виплавки 1 т титанового шлаку. Складено зведений матеріальний баланс одержання титанового шлаку, визначена витрата сировини, матеріалів на 1 т ільменітового концентрату на 1 т шлаку.

ТИТАН, МАГНІЙ, ТИТАНОВА ГУБКА, ТИТАНОВИЙ ШЛАК, МАГНІЄТЕРМІЯ, ІЛЬМЕНІТОВИЙ КОНЦЕНТРАТ, ВИПЛАВКА ШЛАКУ.

ЗМІСТ

Вступ

. Виплавка титанового шлаку

.1 Властивості та застосування титана

.2 Магнієтермічний спосіб отримання титанової губки

.3 Технологія отримання титанового шлаку

.4 Обладнання для отримання титанового шлаку

. Матеріальний баланс одержання титанових шлаків

.1 Розрахунок складу шихти для плавки

.2 Зведений матеріальний баланс одержання титанистого шлаку

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

Висновок

Література

ВСТУП

На сьогодні титан - один з найважливіших конструкційних матеріалів. Для цього йому на протязі 200 років довелося пройти шлях від визнання його непридатним у конструкційних цілях до загального поклоніння як перед одним з найперспективніших і вічних металів.

Однак промисловий спосіб добування титану був розроблений лише у 40-х рр. ХХ століття. Завдяки прогресу у сфері авіа- та ракетобудування виробництво титану та його сплавів інтенсивно розвивалося. Це пояснюється сполученням таких цінних властивостей титану, як: мала щільність, висока міцність, корозійна стійкість, технологічність при обробці тиском та зварюваність, холодостійкість, немагнітність та інші цінні фізико-механічні характеристики.

Титан отримують магнієтермічним, натрійтермічним та електрохімічним методами з титанової губки, яка є напівфабрикатом. Найбільш освоєним та експлуатованим в промислових умовах є магнієтермічне відновлення TiСl4. Сутність його полягає в збагаченні титанових руд, виплавки з них титанового шлаку з подальшим отриманням з нього тетрахлориду титану і відновленні з останнього металевого титану магнієм.

Незважаючи на порівняно високу вартість, застосування його все більш поширюється у різних галузях промисловості. Відкриваються нові можливості. Так, наприклад, таку дивну властивість, як «пам'ять» стали використовувати медики для безкровних операцій на судинах. Ця ж властивість титану широко використовується в космічній техніці (на кораблі розвертаються винесені в космічний простір великі антени, до цього компактно складені).

1. ВИПЛАВКА ТИТАНОВОГО ШЛАКУ

1.1 Властивості та застосування титана

Титан - Ti, хімічний елемент IV групи періодичної системи Менделєєва; атомний номер 22, атомна маса 47,90; має сріблясто-білий колір, відноситься до легким металів. Природний титан складається з суміші п'яти стабільних ізотопів: 46Ti (7,95 %), 47Ti (7,75 %), 48Ti (73,45 %), 49Ti (5,51 %), 50Ti (5,34 %). Відомі штучні радіоактивні ізотопи 45Ti (T½ = 3,09 год), 51Ti (Т½ = 5,79 хв) та інші.

Фізичні властивості титана. Титан існує у вигляді двох алотропічних модифікаціях: нижче температури 882,5 °С стійка α-форма з гексагональною щільноупакованою решіткою (а = 2,951 нм, с = 4,679 нм), a вище цієї температури перетворюється у β-форму з кубічною об’ємоцентрованою граткою а = 3,269 нм. Домішки і легуючі добавки можуть істотно змінювати температуру α / β перетворення.

Щільність α-форми при 20 °С 4,505 г/см3, a при 870 °С 4,35 г/см3; β-форми при 900 °С 4,32 г/см3; атомний радіус Ti 1,46 нм, Тпл 1668 °С, Ткип 3227 °С; титан є парамагнетиком, питома магнітна сприйнятливість 3,2 · 10-6 при 20 ° С.

Хімічні властивості титана. Титан - хімічно активний перехідний елемент, в з'єднаннях має ступені окислення + 4, рідше + 3 і + 2. При звичайній температурі і аж до 500...550 °С корозійно стійкий, що пояснюється наявністю на його поверхні тонкої, але міцної оксидної плівки.

З киснем повітря помітно взаємодіє при температурі вище 600 °С з утворенням ТiO2. Титан має здатність поглинати атмосферні гази і водень, при наявності активованої поверхні поглинання водню відбувається вже при кімнатній температурі з невеликою швидкістю, яка значно зростає при 400 °С і вище. Розчинність водню в титані є оборотною, і цей газ можна видалити майже повністю відпалом у вакуумі. З азотом титан реагує при температурі вище 700 °С, утворюються нітриди типу TiN; у вигляді тонкого порошку або дроту титан може горіти в атмосфері азоту.

Метал стійкий в азотній кислоті всіх концентрацій, в слабких розчинах сірчаної кислоти (до 5 % по масі). Соляна, плавикова, концентрована сірчана, а також гарячі органічні кислоти: щавлева, мурашина і трихлоруксусна реагують з титаном.

Титан корозійно стійкий в атмосферному повітрі, морській воді і морській атмосфері. Титан утворює з С, В, Se, Si металоподібні з'єднання, що відрізняються тугоплавкістю і високою твердістю. При температуpax 400...600 °C титан поглинає водень з утворенням твердих розчинів і гідридів (TiH, TiH2). Всі титанати малорозчинні у воді. Оксид титана (IV), титанові кислоти (опади), а також титанати розчиняються в сірчаній кислоті з утворенням розчинів, що містять титанілсульфат TiOSO4 [1].

Механічні властивості титану характеризуються хорошим поєднанням міцності і пластичності. Наприклад, технічно чистий титан марки ВТ 1-0 має: σв = 375...540 МПа, σ0,2 = 295...410 МПа, δ ≥ 20 %, і за цими характеристиками не поступається ряду вуглецевих і Сr-Ni корозійностійких сталей.

Висока пластичність титану в порівнянні з іншими металами, що мають ГЩУ-решітку (Zn, Mg, Cd), пояснюється великою кількістю систем ковзання і двійникування завдяки малому співвідношенню с/а = 1,587. Мабуть, з цим пов'язана висока холодостійкість титану і його сплавів.

При підвищенні температури до 250 °С міцність титану знижується майже в 2 рази. Однак жароміцні Ti-сплави за питомою міцністю в інтервалі температур 300…600 °С не мають рівних; при температурах вище 600 °С сплави титану поступаються сплавам на основі заліза і нікелю.

Титан добре обробляється тиском в гарячому стані і задовільно в холодному. Він легко прокочується, кується, штампується. Титан і його сплави добре зварюються контактною і аргонодуговою зваркою, забезпечуючи високу міцність і пластичність зварного з'єднання. Недоліком титану є погана оброблюваність різанням через схильність до налипання, низької теплопровідності і поганих антифрикційних властивостей [2].

Основна частина титану витрачається на потреби авіаційної та ракетної техніки і морського суднобудування. Титан (феротитан) використовують як леговані добавки до якісних сталей і як розкислювач. Технічний титан йде на виготовлення ємностей, хімічних реакторів, трубопроводів, арматури, насосів, клапанів та інших виробів, що працюють в агресивних середовищах.

За використанням в якості конструкційного матеріалу титан знаходиться на четвертому місці, поступаючись лише Al, Fe і Mg. Біологічна нешкідливість титану робить його чудовим матеріалом для харчової промисловості і відновної хірургії. Титан і його сплави знайшли широке застосування в техніці. Висока вартість титану і його сплавів в багатьох випадках компенсується їх більшою працездатністю, а в деяких випадках вони є єдиним матеріалом, з якого можна виготовити обладнання або конструкції, здатні працювати в даних конкретних умовах.

Титанові сплави відіграють велику роль в авіаційній техніці, де прагнуть отримати найбільш легку конструкцію в поєднанні з необхідною міцністю. Титан легкий в порівнянні з іншими металами, але в той же час може працювати при високих температурах, використання в конструкціях авіаційних реактивних двигунів дозволяє зменшити їхню масу на 10…25 %. У ракетобудуванні через короткочасну роботу двигунів і швидкого проходження щільних шарів атмосфери значною мірою знімаються проблеми втомної міцності, статичної витривалості і почасти повзучості.

Технічний титан завдяки виключно високому опору корозії в ряді випадків незамінний у хімічній промисловості та суднобудуванні. Так його застосовують при виготовленні компресорів і насосів для перекачування таких агресивних середовищ, як сірчана і соляна кислота та їх солі, різного роду ємностей, фільтрів і т. п. З титану роблять теплообмінники, що працюють в корозійно активних середовищах, наприклад в азотній кислоті (не димить). У судновиробництві титан використовується для виготовлення гребних гвинтів, обшивки морських суден, підводних човнів, торпед і т.д. [3].

1.2 Магнієтермічний спосіб отримання титанової губки

Проводити відновлення титану вуглецем не можна, через утворення міцних з'єднань металу з вуглецем - карбіду титану. Тому доводиться переводити титан з його оксидів в хлориди, очищати від домішок і відновлювати іншим елементом. Титанову губку отримують декількома способами: магнієтермічним (відновлення TiСl4 магнієм), натрійтермічним (відновлення TiСl4 натрієм) і електрохімічним методами. Найбільш поширеним є магнієтермічне відновлення TiСl4. Титан випускають у вигляді губки або злитків, які потім на інших заводах переробляють на лист, профілі, труби, поковки та інші напівфабрикати.

Технологічна схема виробництва титанової губки включає наступні операції:

виробництво титанового шлаку методом плавки ільменітового концентрату в рудно-термічних печах;

отримання титановмісного шлаку;

отримання тетрахлориду титана технічного;

ректифікаційна очистка тетрахлориду титану технічного;

відновлення титану із тетрахлориду титану технічного;

вакуумна сепарація;

переробка блоків титану губчатого.

Виробничий процес складається з окремих операцій, які періодично повторюються для кожного циклу. Закриту кришкою і перевірену на герметичність реторту встановлюють в розігріту піч, відкачують і заповнюють аргоном. До реторти під’єднують вузол живлення тетрахлориду титана і вузол управління зливом хлориду магнію. Після заливки магнію і розігріву його до 800…850 °С в реторту подають тетрахлорид титана.

Взаємодія тетрахлориду титана з магнієм починається при 300 °С, але при цій температурі реакція протікає з невеликою швидкістю. Прийнятною для промислових умов є така швидкість початку процесу, яка розвивається при температурах > 800 °С.

Рисунок 1.1 - Технологічна схема магнієтермічного виробництва титана

При таких температурах магній і утворений хлорид магнію протягом всього процесу знаходяться в рідкому стані, в цьому випадку можливий поділ цих речовин і нормальне проведення процесу.

Процес протікає по реакції:

ТiСl4 + 2Мg → Тi + 2МgСl2.                                     (1.1)

Проведення процесу у великій ванні розплаву, в якій встигають відновлюватися нижчі хлориди титана, сприяє протіканню реакції до кінця, металевий титан виходить з майже стехіометричним виходом. Звідси випливають переваги періодичного способу, реалізованого на практиці.

Механізм формування блоку реакційної маси можна представити таким чином. У перший період титанова губка утворюється в основному на поверхні розплаву і опускається на дно разом з хлоридом магнію. Утворюючись на поверхні, губка «вбирає» в себе і магній, і хлорид магнію, конденсується внаслідок інтенсивного відводу тепла губкою в розплав. Тепло конденсації витрачається на випаровування магнію. Потрапляючи під верхні шари реакційної маси, губка зустрічає потік магнію, спрямований в зону реакції. Магній відновлює дихлорид титана і витісняє хлорид магнію з дрібних пір губки. Таким чином формується дрібнопориста губка. Незважаючи на наявність дрібних пор, реакційна маса із середньої зони сепарується швидше, ніж з верхньої зони. Дрібні пори в середній зоні заповнені в основному магнієм, а у верхній зоні ‒ хлоридом магнію.

При ущільненні губки в результаті вторинної реакції доступ магнію в зону реакції утруднюється, і процес поступово сповільнюється, переходячи в другу стадію. Крім того, на затухання впливає ще й та обставина, що до кінця процесу майже весь магній знаходиться в порах губки і утримується в ній силами змочування.

Блок губки займає майже весь перетин реактора. У центрі - це монолітна маса, біля стінок - більш рихла, шарувата. Це означає, що процес протікає не тільки в центрі, а по всьому перетину. Периферійні зони блоку формуються за тією ж схемою, що і центральні, тільки магнію сюди надходить зазвичай менше. У цих зонах розташовані основні русла, по яких стікає хлорид магнію [4]. Після закінчення процесу відновлення реакційну масу встановлюють в холодильник для охолодження. Блок витягують цілком. У центральній його частині висвердлюють 4...5 отворів на всю висоту блоку. У такому вигляді він надходить до відділення сепарації.

Процес вакуумної сепарації здійснюється наступним чином. Реакційну масу нагрівають в герметичному апараті, в якому був створений вакуум. Хлорид магнію і магній випаровуються й осаджуються в конденсаторі. Реактор з реакційною масою стикується безпосередньо з конденсатором. Змінюючи інтенсивність його зовнішньої теплопередачі, можна управляти процесом конденсації. Регульованим параметром зазвичай є температура стінки конденсатора, характер зміни якої подібний до зміни швидкості конденсації [4].

Титанову губку в чистому вигляді або змішану з легуючими добавками використовують як готову продукцію або переплавляють у злитки.

1.3 Технологія отримання титанового шлаку

Найважливішою умовою успішного проведення процесу плавки залізо-титанових концентратів при будь-яких способах підготовки шихти є вибір відновника і його правильна дозування. Основний відновник при виробництві титанових шлаків - антрацит.

Процес плавки залізотитанових концентратів дуже чутливий до змісту вуглецю в шихті. Зазвичай кількість вуглецю, що вводиться в шихту, розраховують, виходячи з отримання після розплавлення шихти первинного шлаку з концентрацією 8...10 % FеО і у кінці плавки додають решту вуглецю (доведення шлаку) для отримання шлаку, що містить < 5 % FеО.

При виробництві титанового шлаку використовують зазвичай порошкову шихту, але придатна і попередньо брикетована або гранульована.

В даний час виплавку титанових шлаків виробляють у відкритих і закритих руднотермічних печах періодичним способом, тобто шляхом проплавлення всієї завантаженої в піч шихти і наступного випуску продуктів плавки. Періодичність процесу обумовлена необхідністю отримання титанових шлаків з мінімальним вмістом оксидів заліза, для чого в кінці плавки у ванну печі занурюють відновник (операція доведення шлаку).

Використання закритих склепінь руднотермічних печей для виплавки шлаків дозволяє значно поліпшити техніко-економічні показники процесу, оскільки підвищується продуктивність печі, знижується питома витрата електроенергії, зменшуються втрати концентрату (пилевинос) з газами внаслідок значно меншого (у кілька разів) кількості утворюються відхідних газів, знижуються втрати тепла.

При відновленні метатитаната заліза вуглецем в різних температурних інтервалах протікають наступні основні реакції: