СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ТИТАНОВОЙ ГУБКИ
PROCESSING METHOD OF TITANIC JAW

Изобретение относится к цветной металлургии и может быть использовано в металлургии титана, в частности при получении губчатого титана, получаемого магниетермическим восстановлением тетрахлорида титана, и к методам его очистки от примесей.
По мере совершенствования конструкции аппаратов, повышения циклового съема губчатого титана и производительности магниетермического процесса проблема снижения общего количества примесей в губке и повышения извлечения металла более высокого качества приобрела достаточную остроту. Губчатый титан низкого качества образуется на боковой, верхней, нижней частях блока губчатого титана и внутри его, а также в гарниссаже (наросты на боковых стенках реторты и ее крышке). Во всех случаях причинами образования такой губки являются существенные отклонения от параметров магниетермического процесса, некачественное выполнение отдельных технологических операций, повышенное содержание примесей в магнии-восстановителе. Причиной образования титановой губки низкого качества в верхней части блока является также образование мелкодисперсного титана на заключительной стадии процесса восстановления в результате превышения дозирования восстановителя или тетрахлорида титана, попадание остатков губки от предыдущего процесса с плохо очищенной крышки аппарата, а также из-за горения конденсатного магния при подготовке аппарата. В таких процессах губка в верхней части блока содержит низшие хлориды титана, а неполная сепарация верхней части блока приводит к повышенному содержанию металлического магния и хлорида магния. Верхняя часть губчатого титана низкого качества по своему химическому составу может быть использована в качестве сортового металла, но для этого необходима дополнительная доочистка его от примесей (кн. Магниетермическое производство губчатого титана. - Родякин В.В., Гегер В.Э., Скрыпнюк В.М. - М.: Металлургия, 1971 - стр.80, 189-195).
Известны различные способы переработки титановой губки низкого качества (кн. Металлургия титана. - под ред. Гарматы В.А. - М.: Металлургия, 1983, стр.523-530), переплавкой и изготовлением полуфабрикатов, термическим и электролитическим методами рафинирования, вакуум-дуговой плавкой и др.
Известен способ переработки титановой губки (кн. Металлургия титана. - под ред. Гарматы В.А. - М.: Металлургия, 1983, стр.523-530), получаемого в процессе натрие- или магниетермического восстановления тетрахлорида титана. Способ включает переработку губчатого титана, т.е. очистку его от примесей так называемой реакционной массы, полученной термическим восстановлением тетрахлорида титана щелочными или щелочно-земельными металлами гидрометаллургическим методом, а именно извлечение губки из реторты восстановления и обработку первоначально слабокислым раствором, затем измельчение реакционной массы до 3-10 мм и выщелачивание ее в две стадии: сначала 1% раствором соляной кислоты при соотношении Т:Ж=1:4, затем - 0,5% раствором при том же соотношении Т:Ж. Выщелачивание ведут при перемешивании при температуре 20-30°С. После выщелачивания получают мелкодисперсный порошок титана, который загружают в центрифугу, промывают дистиллированной или фильтрованной водой, загружают в горизонтальную вакуум-сушильную печь и сушат при перемешивании при температуре 80-110°С. Высушенный порошок усредняют и рассеивают.
Недостатком данного способа переработки губчатого титана является низкое качество получаемого металла (стр. 415 там же). Кроме того, большое количество применяемого оборудования для выщелачивания приводит к большим трудозатратам.
Известен способ переработки титановой губки (кн. Гидрометаллургия титана. Олесов Ю.Г., Дрозденко В.А., Бабич Д.Д. - М.: Металлургия, 1983, стр.12-13 и 60-70), по количеству общих признаков принятый за ближайший аналог-прототип и включающий восстановление тетрахлорида титана магнием, предварительную вакуумную сепарацию, извлечение реакционной массы из реторты, разделение, дробление, гидрометаллургическую переработку титановой губки выщелачиванием соляной кислотой, обезвоживание, промывку и сушку. При этом после окончания сепарации реторту охлаждают и демонтируют, извлекают реакционную массу (недосепарированную титановую губку), измельчают на щековой дробилке и выщелачивают в емкости - чане с мешалкой импеллерного типа. Для наиболее полного удаления примесей губку последовательно обрабатывают двумя растворами соляной кислоты, затем промывают водой, отжимают на нутч-фильтре и сушат на воздушном калорифере при 80-90°С. Титановую губку до и после выщелачивания подвергают анализу на содержание магния и хлора. Данный способ позволяет удалить из губки основные примеси - магний и хлорид магния.
Известный способ имеет ряд недостатков, из которых главным является низкое качество титана. Так, при увеличении цикловой производительности аппаратов, структура губки изменяется и выщелачивание не проходит до конца, находящийся в порах хлорид магния гидролизуется, что ухудшает качество губки. Кроме того, из-за длительности и многостадийности процесса гидрометаллургической переработки снижается его производительность. Из-за применения большого количества оборудования - аппаратов для выщелачивания - агитаторов с мешалками, центрифуг - увеличиваются материальные затраты и затраты на электроэнергию, что в конечном итоге приводит к удорожанию продукта. Кроме того, извлечение губки из аппарата выщелачивания приводит к увеличению затрат на выгрузку и погрузку, то есть также приводит к увеличению материальных затрат.
Технический результат направлен на устранение недостатков прототипа и заключается в повышении производительности способа переработки титановой губки низкого качества за счет совмещения в одном агрегате операций выщелачивания и промывки при перемешивании сжатым воздухом и обезвоживания, а также в снижении затрат на оборудование и электроэнергию.
3
Для осуществления технического результата предложен способ переработки титановой губки, включающий вакуумную сепарацию, извлечение блока титановой губки из аппарата и его разделку, отличающийся тем, что при разделке отделяют от блока часть титановой губки низкого качества, измельчают титановую губку низкого качества, выщелачивают ее путем загрузки на нутч-фильтр с одновременной подачей раствора соляной кислоты и перемешиванием противоточно подаваемым сжатым воздухом, обезвоживают и сушат, при этом операции выщелачивания, промывки и обезвоживания проводят последовательно на нутч-фильтре при расходе сжатого воздуха, равном 500-1500 нм на 1 тонну сухой губки.
Кроме того, губку низкого качества измельчают до размеров не более 20 мм.
Кроме того, промывку ведут водой при соотношении расхода воды к сухой титановой губке, равном (30-70):1.
Кроме того, губку сушат в печи с кондуктивным подводом тепла.
Кроме того, титановую губку сушат при температуре 100-110°С в течение 1-2 часов.
Кроме того, титановую губку обезвоживают на нутч-фильтре до содержания влаги в губке 18-20%.
Кроме того, фильтрат и промывные воды смешивают и обрабатывают известковым молоком.
Кроме того, температуру в зоне выщелачивания на нутч-фильтре поддерживают 20-30°С.
Кроме того, в качестве титановой губки низкого качества используют титановую губку, получаемую при разделке блока из верхней части блока титановой губки.
Кроме того, в качестве титановой губки низкого качества используют отделенную после вакуумной сепарации титановую губку от нижней части крышки после демонтажа аппарата сепарации.
В основе изобретения лежат следующие положения. Патентуемый способ основан на выщелачивании титановой губки низкого качества (с высоким содержанием низших хлоридов титана, магния и хлорида магния) после процесса вакуумной сепарации и извлечения блока губчатого титана из реторты. Предложенный способ по изобретению позволяет перевести титан низкого качества в титан, соответствующий требованиям стандарта. Это позволяет использовать готовый продукт для получения изделий из титана. Так установлено, что все указанные недостатки устраняются, если применить стадию гидрометаллургической обработки для переработки губчатого титана низкого качества, получаемого при разделке верхней части блока губчатого титана и осажденного на крышке аппарата. При этом все стадии процесса гидрометаллургической переработки титановой губки - выщелачивание, промывку, перемешивание - проводят в одном устройстве - на нутч-фильтре. Гидрометаллургическая обработка титановой губки известна из уровня техники и используется для очистки губчатого титана от примесей, однако изобретением предложено введение нового действия - обработку сжатым воздухом в процессе выщелачивания соляной кислотой и промывки водой и новая совокупность действий во времени. В изобретении гидрометаллургическую обработку титановой губки проводят на нутч-фильтре при перемешивании сжатым воздухом с последующей промывкой водой при перемешивании сжатым воздухом. Такая последовательность действий во времени позволяет получить новый технический результат: снизить затраты на переработку титановой губки низкого качества и получить титановую губку, пригодную для дальнейшего применения.
Обработка сжатым воздухом на нутч-фильтре позволяет интенсифицировать процессы выщелачивания и промывки за счет лучшего перемешивания, и уменьшить температуру выщелачивания. Все это приводит к повышению сортности титановой губки. Кроме того, данный способ переработки титановой губки низкого качества позволяет дополнительно получить титан, пригодный для дальнейшей переработки и получения готовой продукции.
3
3
Эксперименты показали, что подбор расхода сжатого воздуха в количестве 500-1500 нм на 1 тонну сухой титановой губки позволяет снизить температуру в зоне выщелачивания до оптимальной 20-30°С, то есть до температуры, при которой исключается гидролиз хлорида титана с образованием оксида титана, перегрев титановой губки и ухудшение ее качества. При этом при расходе, большем чем 1500, происходит окисление поверхности губки кислородом воздуха, а при соотношении, меньшем 500 нм на 1 тонну сухой титановой губки, не достигается оптимальная температура в зоне реакции.
Экспериментально установлено, что подбор массового соотношения воды и сухой титановой губки (30-70):1 позволяет полностью удалить магний из губчатого титана без повышения температуры. При этом при соотношении, большем чем 70:1, наблюдается непроизводительный расход воды, а при соотношении, меньшем 30:1 титановая губка не отмывается от примесей, происходит перегрев раствора.
При сушке титановой губки во вращающейся печи с кондуктивным подводом тепла (через стенку) исключается перегрев титановой губки и соответственно снижается загрязнение губки примесями.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся признаками, тождественными (идентичными) всем существенным признакам изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил установить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков, изложенных в пунктах формулы изобретения.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна".
Для проверки соответствия заявленного изобретения условию "изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного устройства и способа его монтажа. В результате поиска было обнаружено обезвоживание осадков с помощью нутч-фильтров (см. кн. Зеликман А.Н., Вольдман Г.М., Беляевская Л.В. - Теория гидрометаллургических процессов. - М.: Металлургия, 1983 г. - стр.401-402). При этом обезвоживание проводят при продувке сжатым воздухом осадка. Это позволяет вытеснить из осадка промывную жидкость, а также уменьшить слеживаемость осадка. В заявленном изобретении сжатый воздух подают в процессе выщелачивания и промывки для перемешивания губки, для снижения температуры при выщелачивании и лучшего удаления солевых примесей из губки. Таким образом, заявленная совокупность признаков направлена на решение другой задачи и технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "изобретательский уровень".
Пример осуществления способа
3
3
3
3
Титановую губку получают путем взаимодействия тетрахлорида титана с магнием в герметичных аппаратах восстановления, установленных в электропечь. После проведения процесса восстановления проводят процесс вакуумной сепарации при температуре 1050°С и при продолжительности высокотемпературной выдержки не более 65 часов. Затем аппарат вакуумной сепарации охлаждают и демонтируют. Из реторты извлекают гарниссаж (наросты на боковых стенках и крышке) и блок губчатого титана, который направляют на переработку на товарную продукцию (дробление, рассев и сортировка). В результате разделки блока из верхней части блока отделяют часть губчатого титана низкого качества. Кроме того, для переработки используют срезы с крышки аппарата в виде губчатого титана, поры которого заполнены солью, которые имеют следующий состав, мас.%: титан - 65,7, хлор - 2,0, азот - 0,024, углерод - 0,28, железо - 2,8, никель - 0,08, хром - 0,5, магний 4,1, вода - 24,5. Все это образует титановую губку низкого качества, которая содержит также высокое содержание хлорида магния и металлического магния. Высокое содержание воды объясняется способностью титановой губки и примесей, содержащихся в ней, сорбировать влагу из воздуха при хранении и дроблении. Титановую губку низкого качества измельчают на щековой дробилке до крупности частиц не более 20 мм, сортируют, отделяют частицы губчатого титана хорошей сортности, а оставшиеся частицы губчатого титана в количестве 100 кг помещают в емкость нутч-фильтра открытого типа НФ-1000-01у на кислотостойкую фильтровальную полипропиленовую ткань типа КС-44. В отдельной емкости готовят раствор соляной кислоты концентрации 1-2%. На поверхность частиц губки заливают 900-1000 дм раствора соляной кислоты при соотношении Т:Ж=1:10. Одновременно с выщелачиванием под слой губки через устанавленный на фильтровальной ткани барботер подают сжатый воздух в течение 3 часов для осуществления перемешивания кусочков губки и ее охлаждения до температуры 20-30°С. Расход сжатого воздуха составляет 1050 нм на тонну получаемой сухой титановой губки. Затем удаляют (обезвоживают титановую губку) жидкую фазу из губки - фильтрат - с помощью вакуумного насоса. Фильтрат выводят из нутч-фильтра и направляют в отдельную емкость на смешивание с промывными водами и затем на обработку известковым молоком для получения гранулированного хлорида кальция. А кусочки губки на нутч-фильтре промывают водой в количестве 8 м/ч в течение 0,5 часа с одновременным перемешиваем суспензии губки с водой сжатым воздухом. Расход сжатого воздуха составляет 1050 нм на тонну получаемой сухой титановой губки. Затем снова удаляют промывные воды - обезвоживают - с помощью вакуумного насоса. Промывные воды смешивают с фильтратом и отправляют на обработку известковым молоком. Титановую губку обезвоживают на нутч-фильтре до содержания влаги в губке 18,2%. Для удаления остаточного количества влаги промытую титановую губку выгружают из нутч-фильтра и сушат в течение 1 часа во вращающейся трубчатой (барабанной) электропечи. При этом необходимо использовать печь с кондуктивным подводом тепла, чтобы исключить попадание в губку примесей из топлива. Температура материала на выгрузке из печи составляет 100-110°С. В отобранных пяти пробах получили титановую губку со следующим содержанием примесей, мас.%: хлор - 0,14, азот - 0,006, углерод - 0,014, железо - 0,52, вода - 0,003. Полученная титановая губка соответствует марке ТГ-ТВ.
Таким образом, данное изобретение позволяет повысить производительность способа переработки титановой губки низкого качества за счет совмещения в одном агрегате операций выщелачивания и промывки при перемешивании сжатым воздухом и обезвоживания, а также снизить затраты на оборудование и электроэнергию. Кроме того, данный способ позволяет снизить количество получаемой титановой губки низкого качества, то есть повысить выход готового титана в товарную продукцию.