УСТРОЙСТВО ДЛЯ АЛЮМОТЕРМИЧЕСКОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ ТИТАНА ИЗ ЕГО ТЕТРАХЛОРИДА
DEVICE FOR ALUMOTHERMAL RECOVERY OF TITANIUM FROM ITS TETRACHLORIDE

Настоящее изобретение относится к области металлургии цветных металлов применительно к металлотермическим способам и устройствам для получения титана.
Уровень техники
Известны методы восстановления титана из тетрахлорида металлическим натрием, магнием, кальцием и алюминием. При этом в промышленности используются только первые три металла-восстановителя. Однако наиболее экономичным и перспективным представляется применение алюминия. По этому направлению нами получены патенты РФ на изобретения для низкотемпературного способа и устройства [Бегунов А.И., Бегунов А.А. - №2549795] и высокотемпературного способа [те же, №2559075]. Последнее изобретение относится только к способу и не содержит устройства для его реализации. В устройстве, предназначенном для низкотемпературного способа (-23÷+37°C), предусмотрено использование жидкого тетрахлорида титана и твердофазного дисперсного порошка алюминия. Для высокотемпературного способа [Пат. РФ 2559075 - 1100 К] и газового состояния тетрахлорида титана это устройство неприменимо.
В магнийтермическом способе «устройство поочередно выполняет роль реактора (в процессе восстановления), муфеля и конденсатора - в вакуумной сепарации». К тому же реактор периодически охлаждается и разгерметизируется для извлечения титановой губки [А.В. Тарасов. Металлургия титана. ИКЦ. М., Академкнига, 2003, 327 с.; с. 202]. Для высокотемпературного алюмотермического процесса оно также по этим причинам не приспособлено и не применимо, т.к. процесс планируется как непрерывный.
Наиболее близким аналогом и прототипом предложенного технического решения является устройство для металлотермического восстановления алюминия из его трихлорида магнием [Бегунов А.И., Пат. РФ 2476613 с приор. от 21.01.2011 г.]. Однако в этом устройстве оба продукта реакции - алюминий и хлорид магния являются жидкостями, самопроизвольно стекающими в его конусную часть и далее - в приемник продуктов. Магний подается в реакционную зону в виде пара.
В задачах алюмотермического восстановления титана алюминий может и должен вводиться в реактор при заданной температуре только в жидком дисперсном состоянии с использованием распыления струй металла инертным газом. К тому же температуры процесса алюмотермического восстановления титана (750-1100 К) значительно ниже, чем при использовании устройства-прототипа [по Пат. РФ №2478126 для способа это 1173-1423 К].
Сущность изобретения
В отличие от прототипа здесь не нужны насадки типа колец Рашига, способствующие коалесценции компонентов жидких фаз. В заявленном устройстве требуется наоборот диспергировать исходный жидкий металл-восстановитель и это вполне возможно, т.к. алюминий имеет очень высокую температуру кипения при огромном диапазоне жидкого состояния от 660°C до 2497°C [K. Grjotheim and Q. Zhuxian. Molten salt Technology, China, Shenyang, 1991, 435 c.].
3
Способы получения порошков металлов в техническом отношении хорошо разработаны и одним из основных среди них является распыление жидкого металла сжатым газом. При этом поток газа может подаваться под углом от 30 до 90° к оси струи металла при расходе газа (0,7-1,2) м на 1 кг металла [В.А. Струк, Л.С. Пинчук и др. Материаловедение в машиностроении и промышленных технологиях. ИДИ, Долгопрудный, 2010, 535 с., с. 238]. В условиях ссылки после распыления жидкого металла получают твердые порошки при соответствующих температурах, в условиях же нашего устройства распыленный металл должен оставаться преимущественно в жидком дисперсном состоянии. Кроме того, при распылении металла с целью получения дисперсий в твердофазном состоянии используют смесь инертного газа с воздухом и некоторая часть металла окисляется. В нашей задаче распыление должно выполняться с использованием потока инертного газа, не содержащего кислорода и водяного пара. Очевидно, это вполне возможно, как и обеспечение в зоне распыления температуры выше 660°C - температуры плавления алюминия.
Другим источником образования дисперсного алюминия в устройстве является отстойник, от ударов о который, а также о другие элементы конструкции дополнительно дробятся дисперсные капельки жидкого алюминия.
Наконец, существует и третий путь. Это диспропорционирование образующегося монохлорида алюминия на трихлорид и наиболее тонкие частицы алюминия:
Сущность изобретения заключается в том, чтобы в заявленном устройстве получить и поддерживать облако металлического тумана из дисперсного, преимущественно жидкого, состояния алюминия и обеспечить эффективное проведение реакции восстановления в псевдосжиженной среде с получением порошка титана, адсорбируемого капельками алюминия и седиментирующих вместе с ними в нижнюю часть реактора:
Здесь нижние индексы означают: г - газовое; ж, д - жидкое дисперсное и тв, д - твердое дисперсное состояния.
Дисперсный алюминий играет, таким образом, в заявленном устройстве роль как восстановителя, так и металла-носителя титанового порошка, что необходимо для непрерывного или повторно-периодического вывода этих компонентов из реактора.
Предложенное устройство показано в вертикальном разрезе на Фиг. 1 и в плане при виде сверху на Фиг. 2. Здесь 1 - цилиндрическая и 2 - конусная часть реактора, выполненного из стали, защищенной рубашкой из листового титана 3. Реактор снабжен термостатирующей оболочкой 4.
Важнейшей особенностью устройства реактора является то, что вовнутрь него вводят узел распыления металла-восстановителя в виде форсунок 5, по которым подается жидкий расплавленный алюминий и расположенные под углом к оси потока металла штуцера 6 для подачи осушенного и не содержащего кислорода инертного газа. В нижних горизонтах цилиндрической части реактора устанавливают фурмы 7 для подачи в реакционное пространство газообразного тетрахлорида титана.
Конусная часть реактора снабжена запорным устройством 8, позволяющим периодически или непрерывно выпускать из реакционной зоны избыточный жидкий алюминий 11 вместе с порошком полученного титана 10 в приемник 9.
Для выпуска из реактора полученного газообразного трихлорида алюминия вместе с избыточным тетрахлоридом титана и инертным газом предназначен штуцер 12. Ниже, но в непосредственной близости к нему располагают титановый отбойник 13, снижающий возможности выноса вместе с газообразными хлоридами дисперсных частиц алюминия и титана. Вместе с тем, нижняя поверхность отбойника предназначена также для дополнительного дробления дисперсных капель алюминия, которые непрерывно ее атакуют.
Реактор устройства сверху закрыт массивной крышкой 14. Форсунки 5, штуцеры 6 и фурмы 7 располагаются под углом 120° в горизонтальных сечениях реактора (Фиг. 2). Штуцер 12 для вывода избыточной газовой смеси размещен по вертикальной оси симметрии в верхней части реактора. На том же рисунке Фиг. 2 пунктиром показано расположение отстойника 13 и внутренние размеры цилиндрической части реактора по рубашке 3.
Для уменьшения объема и массы избыточно подаваемых в реактор жидкого алюминия и инертного газа форсунки 5 и штуцеры 6 снабжены синхронно и импульсно работающими прерывателями потоков этих материалов.
Технический результат
Основным техническим результатом является возможность реализации Способа алюмотермического получения титана по нашему патенту РФ №2559075. Устройство может работать в непрерывно или повторно-периодическом режимах без его разгерметизации и без использования ручного труда. В результате снижаются энергоемкость и расход энергии при соблюдении современных требований герметичности аппаратуры, условий экологической чистоты производства. Кроме того, конструкция устройства благоприятствует использованию автоматических режимов контроля и регулирования основных параметров его работы - температуры, давления, расхода потоков жидкого металла, сжатого газа, тетрахлорида титана и трихлорида алюминия как на входе, так и на выходе из системы.
Описание взаимодействия
До пуска устройства в эксплуатацию необходимо прогреть его с подачей в термостатирующую оболочку разогретого до 800°C воздуха или непосредственно с введением в нее слабонапорных факелов газового топлива или с размещением в ней электрических нагревателей. Последнее представляется предпочтительней.
После прогрева реактора до заданных температурных режимов и удаления из него под собственным избыточным давлением и затем под вакуумом воздуха реактор продувается горячим инертным газом до небольшого остаточного давления. Далее через фурмы в реактор подается тетрахлорид титана до достижения заданного давления.
После этого задействуется узел распыления металла при синхронизированной импульсной подаче в реакционную зону по форсункам струй жидкого алюминия и по штуцерам инертного газа как основного носителя металла. В качестве инертного газа могут использоваться подогретые аргон или азот, не содержащие примесей влаги и кислорода.
В реакционном пространстве в стационарном рабочем режиме формируется турбулентное облако жидкометаллического алюминиевого тумана, дисперсные частички которого взаимодействуют также с турбулентными потоками тетрахлорида титана при получении дисперсного порошка твердометаллического титана и газообразного трихлорида алюминия. Верхняя часть реактора, в которую вводятся потоки алюминия и инертного газа, является более холодной и по вертикальной оси симметрии реактора за счет этого формируется нисходящий поток газовой смеси, направленный вниз. После достижения конусной части реактора потоки газовой смеси поворачивают вертикально вверх. При этом скорость потоков в нижней части снижается, из них укрупняются и выпадают капли алюминия, формирующие жидкометаллический слой как в конусной части, так и в приемнике. Другим слоем при выводе дисперсных капель алюминия вместе с адсорбированным на нем дисперсным титаном является порошок титана. Слои алюминия и титана в приемнике, конечно, должны быть защищены инертным газом.
Смесь аргона с полученным трихлоридом алюминия и остаточным тетрахлоридом титана подвергается переработке с извлечением из нее в холодильнике-конденсаторе трихлорида алюминия при равновесной температуре его возгонки-сублимации около 180°C, после чего аргон с остаточным тетрахлоридом титана возвращается в устройство на распыление алюминия или в реакционную зону через фурмы.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Экономические предпосылки
Переход на восстановление титана из тетрахлорида алюминием обеспечивает снижение затрат по сравнению с применением в качестве восстановителя магния на 1000 USD/t Ti.
Термодинамические возможности
По результатам соответствующих расчетов изменение энергии Гиббса в системе при реализации реакции составляет от (-100 до -200) КДж, т.е. процесс возможен как самопроизвольный.
Кинетические условия
В устройстве реализуется процесс восстановления титана из турбулентных потоков в облаке металлического алюминиевого тумана с достижением высоких значений скоростей реакции при весьма умеренных для металлургии температурах 750-1100 К (или 477-827°C).
Дополнительные преимущества
В устройстве не используются солевые компоненты с температурами плавления в пределах указанного диапазона, оба хлорида, как алюминия, так и титана, легко возгоняются, что предоставляет хороший шанс избавиться от титановой губки, переработка которой в существующих условиях натрий - и магнийтермических процессов исключительно трудоемка.
Экологические преимущества
Устройство является герметичным и не предусматривает поступления вредностей в среду, а также использования какого либо ручного труда. Работа устройства может быть полностью автоматизирована при непрерывном контроле и регулировании температуры, парциальных и суммарного давлений, расхода потоков исходных и полученных продуктов.
Психологические трудности
По А. Эйнштейну «легче расщепить атом, чем преодолеть предубеждение». Задача овладения энергией атома несопоставимо сложней, но ведь она была успешно решена. В заявленном же устройстве и близко нет угроз и трудностей такого характера, как в атомной энергетике. Таким образом, заявленное устройство вполне может быть реализовано, что позволит существенно снизить энергоемкость, трудовые, материальные затраты, стоимость титана.