СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГУБЧАТОГО ТИТАНА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF PRODUCING TITANIUM SPONGE AND DEVICE TO THIS END

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к получению губчатого титана термическим восстановлением тетрахлорида титана магнием.
Известны способ и устройство для получения губчатого титана восстановлением тетрахлорида титана магнием (см. кн. «Титан» Гармата В.А. и др. М. «Металлургия», 1983 г., с.372-373; 407-409). Способ получения губчатого титана восстановлением тетрахлорида титана магнием включает герметизацию аппарата восстановления, заполнение аппарата инертным газом - аргоном, заливку жидкого магния, разогрев аппарата, подачу жидкого тетрахлорида титана на поверхность магния, периодический слив соли - хлорида магния.
Для осуществления данного способа получения губчатого титана известен аппарат восстановления, включающий реторту, герметичную крышку с патрубками для подачи аргона и тетрахлорида титана и с центральным патрубком для заливки магния, ложное днище и сливное устройство.
Зоной реакции восстановления является газовая фаза над поверхностью жидкого магния и поверхность жидкого магния. Основная масса соли, образующейся в процессе восстановления тетрахлорида титана магнием, в жидком состоянии накапливается в нижней части аппарата восстановления и периодически сливается по ходу процесса восстановления. Другим продуктом восстановления тетрахлорида титана магнием является губчатый титан, который в современных промышленных аппаратах восстановления накапливается частично на боковой поверхности реторты аппарата восстановления на уровне расплава (гарнисажный губчатый титан) и в виде компактного блока, лежащего на ложном днище в объеме реторты. Губчатый титан, насыщенный жидкими компонентами реакции восстановления, называется титановой реакционной массой. Он насыщен в основном магнием и хлоридом магния. Титановая реакционная масса в промышленных аппаратах восстановления к концу процесса восстановления состоит из 60% титана, 20-30% магния, 10-20% хлорида магния. На следующем переделе, процессе сепарации, реакционную массу подвергают очистке термовакуумной возгонкой магния и хлорида магния, где основную трудность представляет очистка губки от соли, поскольку давление насыщенных паров хлорида магния при температуре сепарации в 14 раз меньше давления насыщенных паров магния.
Недостатком данного способа и устройства является высокое остаточное содержание хлорида магния в реакционной массе, полученной в процессе восстановления, что является причиной низкой производительности последующего самого затратного передела магниетермии титана - процесса вакуумной сепарации. Опыт промышленный эксплуатации современных большегрузных аппаратов сепарации показывает, что последний период процесса сепарации, удаление остатков хлорида магния, занимает 75% общего времени сепарации.
Известны способ получения губчатого титана восстановлением тетрахлорида титана магнием и устройство для его осуществления (Авт. свид. СССР №1256427, опубл. 22.05.1999, бюл. №15), по количеству общих признаков принятые за ближайшие аналоги-прототипы.
2
Предложен способ получения титана магниетермическим восстановлением тетрахлорида титана, с периодическим сливом хлористых солей и последующей термовакуумной очисткой, отличающийся тем, что, с целью повышения качества реакционной массы за счет снижения в ней содержания хлорида магния, восстановление проводят при сообщении реакционной массе колебательного движения с ускорением 4-100 м/с.
Для осуществления данного способа предложено устройство для получения титана магниетермическим восстановлением, включающее реторту, крышку, патрубки для подачи аргона и тетрахлорида титана, центральный патрубок для заливки магния, сливное устройство, вибратор, трубу, соединенную с вибратором и проходящую через центральный патрубок, и реакционную камеру с отверстиями сбоку и снизу, нижняя часть которой выполнена в виде усеченного конуса, а верхняя часть приварена к трубе.
Зоной реакции восстановления тетрахлорида титана магнием является поверхность жидкого магния и газовая фаза внутри реакционной камеры. Газовая фаза состоит из паров продуктов реакции. Боковые отверстия реакционной камеры назовем прорезями.
Способ и устройство позволяют повысить качество титановой реакционной массы за счет снижения содержания в нем хлорида магния.
Недостатками данных способа и устройства являются низкая скорость процесса восстановления из-за сокращения площади поверхности магния, используемой в реакции восстановления, до площади, ограниченной стенками реакционной камеры, и неустойчивость восстановления, из-за отсутствия инертного газа в газовой фазе реакционной камеры. Увеличение размера реакционной камеры для увеличения скорости реакции восстановления приводит к увеличению силы сопротивления жидкого магния колебательному движению реакционной камеры, что вызывает необходимость увеличивать мощность вибратора и прочность реакционной камеры, а также приводит к увеличению вибрационной нагрузки на реторту.
Технический результат направлен на устранение недостатков прототипа, он позволяет стабилизировать и повысить производительность процесса восстановления тетрахлорида титана магнием, повысить качество реакционной массы.
Технический результат достигается тем, что заявлено устройство для получения губчатого титана восстановлением тетрахлорида титана магнием, содержащее реторту, оснащенную сверху крышкой с центральным патрубком и патрубком для подачи аргона, ложным днищем, сливным устройством снизу и вибрирующим устройством, установленным в центральном патрубке, состоящим из трубы, с прикрепленной снизу реакционной камерой, с прикрепленным сверху вибратором и с патрубком подачи аргона и тетрахлорида титана в реакционную камеру, при этом труба выполнена с возможностью заливки жидкого магния через верхний ее конец, реакционная камера размещена в реторте ниже уровня заливки магния, выполнена из верхнего усеченного конуса с отверстием вверху и нижнего перевернутого усеченного конуса с отверстием внизу, скрепленных между собой основаниями посредством вставки с прорезями и отверстиями, выполненными выше прорезей.
Заявлен способ получения губчатого титана восстановлением тетрахлорида титана магнием в устройстве, характеризующийся тем, что реторту с установленным в ней вибрирующим устройством герметизируют и заполняют аргоном с одновременным ее прогревом до 800°C, заливают в нее жидкий магний, вибрирующее устройство заполняют аргоном до давления, превышающего давление аргона в реторте на 20-100 гПа, нагревают реторту до 850°C, загружают тетрахлорид титана в реакционную камеру и проводят восстановление тетрахлорида титана магнием под воздействием вибрации реакционной камеры с накоплением губчатого титана на ложном днище.
В устройстве реакционная камера заполняется аргоном, поскольку в отсутствии аргона пары магния и пары тетрахлорида титана находятся в прямом контакте, реакция между ними идет лавинообразно и обедняется, прежде всего, магнием. В условиях нехватки магния в газовой фазе возникает множество побочных реакций с участием титана и хлоридов титана, что ухудшает качество губчатого титана, соприкасающегося с газовой фазой. В среде аргона реагенты вынуждены тратить время на диффузию, прежде чем они прореагируют, что гасит лавинообразный ход химической реакции и стабилизирует реакцию восстановления в газовой фазе. В результате сохраняется слой с избытком паров магния над поверхностью вновь образованной реакционной массы, что изолирует губчатый титан от вредного воздействия хлоридов титана и тем самым улучает качество губчатого титана, следовательно, реакционной массы.
Выполнение дополнительных отверстий на боковой поверхности реакционной камеры, во вставке выше прорезей, позволяет обеспечить дополнительный подвод магния в зону реакции. Особенность боковой поверхности, в отличие от горизонтальной, в том, что хлорид магния, который получается в результате химической реакции на боковой поверхности, стекая вниз, не изолирует магний от реагентов. Это позволяет повысить скорость реакции восстановления и тем самым производительность процесса восстановления. Опыт эксплуатации промышленных аппаратов восстановления для получения губчатого титана восстановлением тетрахлорида титана магнием показывает, что химическая реакция в условиях недостатка магния ведет к образованию губчатого титана с развитой поверхностью с множественными дефектами кристаллов титана. Это в свою очередь приводит к трудности очистки губчатого титана от остатков хлорида магния на следующем переделе -процессе сепарации («Металлургия титана», Сергеев В.В. и др. М. «Металлургия», 1971, с.202). Таким образом, наличие дополнительных отверстий на боковой поверхности реакционной камеры в зоне реакции, создавая дополнительный доступ магния в зону реакции, не только увеличивает производительность процесса восстановления, но и, подготавливая более совершенные кристаллы титана, ускоряет в дальнейшем процесс сепарации, по сравнению прототипом, за счет уменьшения остаточного, связанного с дефектами кристаллов титана, хлора в конечном продукте - губчатом титане.
При подаче тетрахлорида титана в реакционную камеру, хлориды титана вступают в реакцию как с магнием на горизонтальной поверхности реакционной камеры, так и с магнием, выступающим через боковые отверстия вставки. В результате образуется губчатый титан, как на горизонтальной поверхности магния, так и гарнисажный губчатый титан на стенках реакционной камеры.
Под действием вибрации губчатый титан и, соответственно, реакционная масса не успевает упрочниться, попадает в нижнюю конусную часть реакционной камеры, там она уплотняется под воздействием вибрации, из нее выдавливается значительная часть хлорида магния. Очищенная от хлорида магния реакционная масса опускается вниз и накапливается на ложном днище. Образующийся в процессе реакции восстановления хлорид магния непрерывно стекает через прорези в реакционной камере под ложное днище и периодически сливается из аппарата восстановления через сливное устройство.
Предложенные устройство и способ получения губчатого титана не нарушают условия единства изобретения, так как служат единому замыслу и полученному техническому результату. Это позволяет повысить производительность процесса восстановления титана, качество реакционной массы и стабилизировать процесс восстановления.
Проведенный заявителем поиск не обнаружил источники информации своими признаками, соответствующими отличительным признакам изобретения, что соответствует условию «новизна». Проведение дополнительного поиска для установления соответствия заявленной группы изобретения условию «изобретательский уровень» не выявил источники, совпадающие по техническому результату с отличительными признаками заявленного изобретения.
На фиг. 1 показано устройство для получения губчатого титана восстановлением тетрахлорида титана магнием, на фиг. 2 показан вид реакционной камеры. Устройство состоит из реторты 1, крышки 2 с центральным патрубком 3 и патрубком для подачи аргона 4, ложного днища 5, сливного устройства 6 и вибрирующего устройства 7, установленного в центральном патрубке 3. Вибрирующее устройство 7 состоит из трубы 8, реакционной камеры 9, вибратора 10, патрубков 11 и 12 для подачи аргона и тетрахлорида титана в реакционную камеру 9, соответственно. Реакционная камера 9, размещена в реторте ниже уровня заливки магния 13 и выполнена из верхнего усеченного конуса 14 с отверстием вверху 15 и нижнего, перевернутого усеченного конуса 16 с отверстием внизу 17, которые скреплены между собой основаниями посредством вставки 18 с прорезями 19 и отверстиями 20, выполненными выше прорезей. Труба 8 прикреплена к центральному патрубку 3 устройством 21.
2
2
Пример осуществления способа и работы устройства для получения губчатого титана восстановлением тетрахлорида титана магнием. Предварительно осуществляют монтаж аппарата восстановления для получения губчатого титана. Для этого в реторту 1 устанавливают ложное днище 5, снизу приваривают сливное устройство 6, сверху устанавливают герметично крышку 2, собранную с патрубком 4, для подачи аргона в аппарат восстановления, и вибрирующим устройством 7. Вибрирующее устройство 7 готовят следующим образом. Листы из нержавеющей стали сваривают в виде конусов с диаметром отверстий 100 мм на вершине с получением верхнего усеченного конуса 14 с верхним отверстием 15 и нижнего усеченного конуса 16 с нижним отверстием 17, которые скрепляют основаниями с вставкой 18 с прорезями 19 высотой 40 мм на нижней части вставки 18 и отверстиями 20 диаметром 5 мм, выполненными выше прорезей 19 вставки 18. Трубу 8, с фланцем, патрубками для подачи аргона 11 и терахлорида титана 12 в реакционную камеру 9, свободным концом пропускают через центральный патрубок 3 крышки 2 и крепят к центральному патрубку 3 при помощи устройства 21. Подготовленную реакционную камеру 9 приваривают к трубе 8 с внутренним диаметром, равным 100 мм. На трубу 8 через фланцевое соединение устанавливают вибратор 10. Собранное устройство устанавливают в печь восстановления. Через патрубок 4 последовательно вакуумируют и задают аргон внутрь устройства через патрубок 4 до давления 1250 гПа с одновременным прогревом реторты 1. После прогрева реторты 1 до 800°C убирают вибратор 10 и через верхний конец трубы 8 заливают жидкий магний в количестве 2300 кг. Указанного количества магния достаточно для того, чтобы реакционная камера 9 была полностью погружена в магний ниже его уровня 13 на 50 мм. После этого на трубу 8 вновь устанавливают вибратор 10 и подают внутрь реакционной камеры 9 порцию аргона через патрубок 11 и трубу 8 до давления, превышающего давление под крышкой 2 на 40 гПа. Под давлением аргона уровень магния внутри реакционной камеры 9 опускается до уровня отверстий 20. Затем продолжают разогрев аппарата до 850°C и при достижении заданной температуры через патрубок 12 начинают подавать тетрахлорид титана со скоростью 280 кг/час в реакционную камеру 9. Температура внутри реакционной камеры 9850°C, а тетрахлорид титана кипит в нормальных условиях при температуре 136,4°C, поэтому тетрахлорид титана в условиях реакционной камеры переходит в газовую фазу. Первые порции тетрахлорида титана имеют достаточно магния для химической реакции. Но образующий при этом хлорид магния, конденсируясь на горизонтальной поверхности магния внутри камеры 9, начинает изолировать горизонтальную поверхность магния от тетрахлорида титана и тормозить реакцию восстановления. Избыток газообразного тетрахлорида титана начинает выдавливать расплав из реакционной камеры 9 и обнажать верхние ряды отверстий 20. Магний с боковых отверстий 20 вступает в реакцию с тетрахлоридом титана и на внутренней боковой поверхности реакционнной камеры 9 начинает формироваться гарнисажный губчатый титан, покрывающий всю внутреннюю поверхность реакционной камеры в области обнаженных отверстий 20, что увеличивает площадь контакта магния с тетрахлоридом титана. Если магния недостаточно для данного количества тетрахлорида титана, обнажаются нижние ряды отверстий 20 в зоне реакции. На боковой поверхности реакционной камеры доступная для реакции площадь магния увеличивается, и процесс восстановления стабилизируется в зависимости от скорости подачи тетрахлорида титана. Подбор диаметра отверстий 20 для заданной интенсивности вибрации производится опытным путем. Диаметр отверстий 20 подбирают так, чтобы при подаче первых порций тетрахлорида титана гарнисажный губчатый титан перекрывал отверстия 20 так, чтобы при включении вибрации перекрытие не разрушалось. Поскольку губчатый титан пористый и не перекрывает отверстия полностью, он пропускает магний через свои поры, но из-за малости пор капиллярные силы удерживают жидкий магний внутри гарнисажного губчатого титана и позволяют магнию на поверхности гарнисажного губчатого титана поддерживать химическую реакцию восстановления титана. Этому способствует высокое поверхностное натяжение жидкого магния. Так, при температуре магния 850°C его коэффициент поверхностного натяжения равен 0,502 н/м, для сравнения у воды при 20°C коэффициент поверхностного натяжения равен 0,073 н/м, почти на порядок меньше чем у магния. После загрузки 30 кг тетрахлорида титана включают вибратор 10. Под воздействием вибрации вновь образованная реакционная масса не может упрочниться и стекает в нижний усеченный конус 16 и там уплотняется. Губчатый титан в реакционной массе насыщен жидким магнием и жидким хлоридом магния. Магний смачивает титан и обволакивает кристаллы титана, хлорид магния не смачивает титан в присутствии магния и собирается в капли. При уплотнении капли соли выдавливаются из реакционной массы и в дальнейшем хлорид магния не может внедриться в уплотненную титановую реакционную массу. Губчатый титан в виде обессоленной реакционной массы выходит через нижнее отверстие 17 усеченного конуса 16 и накапливается на ложном днище 5 реторты 1. Хлорид магния вытекает через боковые прорези 19 реакционной камеры 9. За пределами реакционной камеры хлорид магния опускается под ложное днище 5 и его периодически сливают через сливное устройство 6. Полученный губчатый титан в составе титановой реакционной массы направляют на процесс вакуумной сепарации.
Таким образом, предложенные устройство и способ получения губчатого титана восстановлением тетрахлорида титана магнием позволяют стабилизировать и повысить производительность процесса восстановления титана, повысить качество реакционной массы.