КОМПЛЕКС ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА МАГНИЯ И МАГНИЕТЕРМИЧЕСКОГО ПОЛУЧЕНИЯ ТИТАНОВОЙ ГУБКИ

Предлагаемая полезная модель относится к области металлургии, в частности металлургии цветных металлов и может быть использована на титано-магниевых предприятиях для производства магния и хлора из карналлитового и хлормагниевого сырья и получения металлического титана - титановой губки магниетермической обработкой тетрахлорида титана металлическим магнием. Разработанное техническое решение может быть использовано также для создания малоотходной и безотходной технологии получения титана и магния.
2
2
3
3
2
Известные и существующие в настоящее время в России и ряде зарубежных стран комплексы технологического оборудования для производства магния и титана основаны на использовании в качестве исходного магниевого сырья карналлита (MgCl·KCl·6HO), ильменитовых (FeTiO) и/или ильмено-рутиловых (FeTiO·TiO) концентратов и включают в себя следующее основное технологическое оборудование: печи кипящего слоя и карналлитовые хлораторы для обезвоживания карналлита, отделения 1 и 2 - для электролитического производства металлического магния и анодного хлора из обезвоженного карналлита (отделение 1) и электролиза расплава хлорида магния (отделение 2).
2
В состав «Комплексов» входят руднотермические печи для восстановительной электроплавки титансодержащих концентратов с получением чугуна - товарного продукта и титанового шлака (80-90% TiO), солевые хлораторы для хлорирования анодным хлором титановых шлаков в расплаве хлоридов, в частности в отработанном электролите магниевых электролизеров, питаемых карналлитовым сырьем, устройства для конденсации легколетучих хлоридов, удаляемых из солевых хлораторов в
виде парогазовой смеси, систему очистки (химической и ректификационной) технического тетрахлорида титана от примесей, передел магниетермического получения металлического титана - титановой губки:
(1)
с получением оборотного хлорида магния, используемого в отделении электролиза-2 для производства металлического магния:
(2)
2
и анодного хлора, направляемого на хлорирование титановых шлаков (82-88% TiO и 12-18% оксидов других металлов):
(3)
(См.: Стрелец Х.Л. Электролитическое получение магния. - М.: Металлургия, 1972. - 336 с.; Эйдензон М.А. Металлургия магния и других легких металлов. - М.: Металлургия, 1974. - 200 с.; Лебедев О.А. Производство магния электролизом. - М.: Металлургия, 1988. - 288 с.; Сергеев В.В., Галицкий Н.В., Киселев В.П., Козлов В.М., Металлургия титана. М.: Металлургия, 1971. - 320 с.; Гармата В.А., Петрунько А.Н., Галицкий Н.В., Олесов Ю.Г., Сандлер Р.А., Титан. Свойства, сырьевая база титана, физико-химические основы и способы получения. М.: Металлургия, 1988. - 559 с.и др.).
Известные - описанный в технической литературе, освоенный и успешно эксплуатируемый в настоящее время комплекс технологического оборудования обеспечивает получение высококачественного металлического магния и губчатого титана по своему составу и физико-химическим свойствам удовлетворяющим всем современным требованиям.
Недостатком известных и описанных в книжной, журнальной и патентной литературе технических решений является отсутствие в их составе комплекса технологического оборудования для переработки и обезвреживания различных отходов, в частности: отработанного расплава солевых титановых хлораторов, хлоридно-оксидных шламов карналлитовых хлораторов, отработанных электролитов магниевых электролизеров и др.
2
2
3
Из известных аналогов наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемой полезной модели является известный (см. Набойченко С.А., Агеев Н.Г., Дорошкевич А.Л. и др. Процессы и аппараты цветной металлургии. Екатеринбург: УГТУ, 1997. - 648 с.) Комплекс технологического оборудования для электролитического производства магния и магниетермического получения металлического титана - титановой губки на основе использования в качестве исходного сырья карналлита - MgCl·KCl·6HO и ильменита - FeTiO - принят за ПРОТОТИП.
Известный - по прототипу «Комплекс» включает следующее основное технологическое оборудование:
- передел обезвоживания карналлитового сырья, состоящий из печей кипящего слоя, карналлитовых хлораторов и миксеров для сбора хлоридных шламов;
- отделение-1 электролиза обезвоженного карналлита с получением товарного металлического магния, анодного хлора и отработанного электролита, собираемого в транспортируемую емкость;
- отделение-2 электролиза хлорида магния с получением оборотного металлического магния, используемого для магниетермического получения титановой губки и анодного хлора, направляемого на хлорирование титановых шлаков;
- руднотермическую печь для восстановительной электроплавки титансодержащих концентратов, например, ильменитовых и/или ильмено-рутиловых с получением товарного чугуна и титановых шлаков;
- солевой хлоратор, снабженный устройством для слива отработанного расплава, системой конденсации хлоридов и очистки технического тетрахлорида титана от примесей;
- передел магниетермического получения титановой губки с образованием расплава хлорида магния, направляемого в отделение 2 электролиза.
Известный - по прототипу «Комплекс», хорошо освоенный отечественной титано-магниевой промышленностью (филиал «АВИСМА» ОАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА», г.Березники, Пермский край), обеспечивает получение высококачественной титановой губки и металлического магния, используемых для производства сплавов авиакосмического назначения.
2
2
2
Недостатком известного - по прототипу «Комплекса» является то, что в его составе не предусмотрено оборудования, участков, отделений и переделов для переработки и утилизации хлоридных отходов, образующихся на различных стадиях производства металлического магния и при получении тетрахлорида титана и титановой губки. Не предусмотрено также оборудования для утилизации и переработки части (5-10%) расплава хлорида магния (см. уравнение реакции 1), образующегося в процессе получения титановой губки. Многолетний опыт эксплуатации оборудования для магниетермического восстановления титановой губки показал, что в оборотном расплаве MgCl от процесса к процессу происходит накопление примесей тяжелых металлов (преимущественно никеля), проникающих в расплав хлорида магния со стенок оборудования. В связи с этим периодически этот расплав необходимо выводить из производственного цикла, в противном случае эти примеси при электролизе расплава MgCl переходят в металлический магний и затем при магниетермической обработке тетрахлорида титана попадают в титановую губку, что существенно ухудшает ее качество и, по существу, препятствует использованию такой губки для последующего производства конструкционных материалов авиакосмического назначения. Вместе с тем в составе существующего и известного по прототипу комплекса отсутствует необходимое оборудование для подготовки и утилизации части (5-10%) хлоридного расплава - расплава MgCl - в связи с чем этот расплав обычно вывозят в отвал - на свалку.
Задачей предлагаемой полезной модели является создание такого комплекса технологического оборудования для электролитического
2
производства магния из карналлитового сырья и расплавов MgCl и титановой губки из ильменитовых и/или ильмено-рутиловых концентратов, совокупность которого смогла бы обеспечить возможность переработки и утилизации хлоридных отходов.
Технический результат, который может быть получен при реализации предлагаемой полезной модели, заключается в предотвращении сброса в окружающую среду отходов производства и получение на их основе карналлитового сырья, пригодного для утилизации непосредственно в существующем «Комплексе» с получением дополнительного количества товарного металлического магния и анодного хлора, также реализуемых в общей технологической схеме производства титана и магния.
Поставленная задача решается с достижением вышеуказанного технического результата, предлагаемой полезной моделью - «Комплексом технологического оборудования для электролитического производства магния и магниетермического получения титановой губки», включающим передел обезвоживания карналлитового сырья, состоящий из печей кипящего слоя (1), карналлитовых хлораторов (2) и миксеров (3) для сбора хлоридных шламов; отделение-1 электролиза обезвоженного карналлита (4) с получением товарных металлического магния, анодного хлора и отработанного электролита, собираемого в транспортируемую емкость (5); отделение-2 электролиза хлорида магния (6) с получением оборотного металлического магния, используемого для магниетермического получения титановой губки и анодного хлора, направляемого на хлорирование титановых шлаков, руднотермическую печь (7) для восстановительной электроплавки титансодержащих концентратов, например, ильменитовых и/или ильмено-рутиловых с получением товарного чугуна и титановых шлаков, солевой хлоратор (8), снабженный устройством для слива отработанного расплава (9), системой конденсации хлоридов (10), отделения очистки технического тетрахлорида титана от примесей (11) и передел магниетермического получения титановой губки (12) с образованием расплава хлорида магния, направляемого в отделение-2 электролиза.
Новым в разработанном техническом решении является то, что магниетермический передел оборудован остывочными площадками (13), снабженными устройствами для слива отработанных хлоридных расплавов в охлаждаемые изложницы (14) и установками (15) для дробления хлоридных расплавов, имеющими функционально-технологические соединения с обогреваемыми реакторами (16) с мешалками внутри реакторов, ниже уровня мешалок расположены ложные днища с отверстиями, на крышке реакторов имеется загрузочный люк (18) для хлоридных расплавов и патрубок (19) для подвода оборотных промывных растворов с фильтр-прессов 1 и 2, патрубок (20) нижнего слива хлоридной суспензии из реактора для выщелачивания имеет соединение с реактором (21) для очистки хлоридных растворов от примесей, на крышке этого реактора имеется патрубок (22), подсоединенный к баку-дозатору (23) раствора щелочного реагента, имеющего соединение с расходным баком (24), патрубок нижнего слива суспензии имеет соединение с фильтр-прессом-1 (25), выход из которого очищенного от твердой фазы раствора направлен в сборник (26) очищенных растворов хлорида магния и калия, солевой хлоратор (8) снабжен ванной гидроудаления, имеющей соединение с циркуляционным баком, нижний слив из которого направлен в реактор с мешалкой для нейтрализации и осаждения суммы оксигидратов металлов, на крышке реактора имеется люк с загрузочным конусом (30), соединенным с бункером-дозатором (31) порошкообразных магнийсодержащих оксидных материалов, например, каустического магнезита и/или серпентинита, патрубок нижнего слива реактора для нейтрализации соединен с фильтр-прессом-2 (32), выход очищенного от оксигидратов металлов раствора направлен в сборник (26) очищенных растворов хлоридов магния и калия, соединенный с выпарным аппаратом (33), выход из которого направлен в печь кипящего слоя (1) для обезвоживания карналлитового сырья.
РЕАЛИЗАЦИЯ ПРЕДЛАГАЕМОЙ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Разработанное техническое решение - «Комплекс технологического оборудования для электролитического производства магния и магниетермического получения титановой губки» работает и эксплуатируется следующим образом.
2
2
2
Исходное карналлитовое сырье (MgCl·KCl·6HO) подают на передел обезвоживания, в частности сначала в печь кипящего слоя (1), затем в карналлитовый хлоратор (2). Хлоридные шламы, образующиеся в карналлитовом хлораторе (2) собирают в миксере (3) и передают на остывочную площадку (13-1). Обезвоженный карналлит подают в отделение-1 электролиза. Отработанный электролит (70-80% KCl, остальное MgCl, NaCl, MgO и др.) собирают в транспортируемую емкость (5) и передают на остывочную площадку (13-2).
3
3
2
Образующийся в процессе электролиза металлический магний подают на передел магниетермического получения титановой губки, избыток получаемого металлического магния реализуют как товарный продукт (в форме «чушек»). Выделяющийся при электролизе анодный хлор направляют в солевую печь (8) для хлорирования титановых шлаков, получаемых в руднотермической печи (7) при восстановительной электроплавке титансодержащих концентратов, в качестве которых используют ильменитовые (FeTiO) и/или ильмено-рутиловые концентраты (FeTiO·TiO).
Легколетучие хлориды металлов в виде парогазовой смеси направляют из солевого хлоратора (8) в систему конденсации (10), откуда технический тетрахлорид титана поступает на передел очистки от посторонних примесей. Очищенный тетрахлорид титана направляют на передел (12) магниетермического получения титановой губки, куда одновременно поступает металлический магний из отделения-1 и отделения-2 электролиза магнийсодержащих хлоридных расплавов.
Отработанный хлоридный расплав из солевого хлоратора (8) периодически сливают через специальное устройство (9) в ванну гидроудаления (27), куда непрерывно подают воду и/или оборотные хлоридные растворы из циркуляционного бака (28). Циркуляцию ведут до получения насыщенных по сумме хлоридов металлов растворов, после чего эти растворы подают в реактор (29) с мешалкой для нейтрализации раствора и осаждения из него суммы оксигидратов металлов. В реактор (29) при непрерывном перемешивании порциями - через загрузочный люк (30) вводят - из бункера-дозатора (31) порошкообразные магнийсодержащие материалы, в качестве которых используют каустический магнезит и/или серпентинит и/или другие магнийсодержащие оксидные порошкообразные материалы - отходы и/или промпродукты.
Образующуюся в реакторе (29) оксигидратную пульпу тщательно перемешивают и подают на фильтр-пресс 2. Очищенный от примесей тяжелых металлов и твердой фазы раствор хлоридов калия и магния с фильтр-пресса 2 закачивают в сборник (26).
4
2
Хлорид магния, образуемый по уравнениям реакции (1) при магниетермическом получении титановой губки направляют в отделение 2 электролиза (6) с получением металлического магния, используемого на переделе (12) для очередной операции магниетермической обработки TiCl с получением титановой губки. Периодически, по мере накопления в расплаве хлоридов тяжелых металлов, этот расплав выводят из технологического цикла, для чего расплав MgCl собирают в специальную емкость и помещают на охлаждаемой площадке (13-3). На охлаждаемых площадках (13-1, 13-2, 13-3) хлоридные расплавы сливают с помощью устройств (14) из сборных миксеров и/или транспортируемых емкостей в охлаждаемые изложницы. После охлаждения и кристаллизации этих расплавов, их выгружают из изложниц в установки для дробления. Откуда дробленный расплав подают через загрузочный люк (18) в обогреваемый реактор (16), снабженный мешалкой и оборудованный ложным днищем (17) с отверстиями. В этот реактор перед загрузкой расплава предварительно подают или закачивают
2
3
промводы с фильтр-прессов ФП-1 и ФП-2 (25) и (32). Суспензию в реакторе (16) перемешивают, периодически измеряют плотность образующегося раствора MgCl+КСl. Процесс выщелачивания с периодической загрузкой в реактор (16) через загрузочный люк (18) дробленного расплава ведут до получения концентрированно-насыщенного по сумме хлоридов металлов раствора, после чего раствор из реактора (16) через патрубок нижнего слива (20) подают в реактор (21) с мешалкой. Для очистки от примесей посторонних металлов в объединенный хлоридный раствор в реакторе (26) через патрубок (22), помещенный на крышке реактора (16) подают из дозатора (23) раствор (70-150 г/дм) NaOH. После обработки раствором гидроксида натрия суспензию из реактора (16) закачивают на фильтр-пресс (1), где происходит отделение твердой фазы от растворов хлорида магния и калия, который направляют в сборник (26). Очищенный от примесей раствор хлорида магния из сборника (26) подают в выпарной аппарат (32), откуда синтетическое карналлитовое сырье направляют в печь кипящего слоя (1).
Реализация полезной модели в электролитическом производстве металлического магния и магниетермическом получении титановой губки с использованием совокупности технологического оборудования, предусмотренного в разработанном «Комплексе», обеспечивает практически полную утилизацию всех хлоридных расплавов, образующихся на различных стадиях общей технологической схемы производства, при этом на основе отходов производства получают синтетический карналлит, используемый для производства металлического магния и хлора, что позволяет организовать устойчивую и стабильную работу всего Комплекса - независимую от поставок карналлитового сырья с других предприятий (рудоуправления ОАО «Уралкалий» и ОАО «Сильвинит»).
КОМПЛЕКС ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА МАГНИЯ И МАГНИЕТЕРМИЧЕСКОГО ПОЛУЧЕНИЯ ТИТАНОВОЙ ГУБКИ
2
2
1 - печь кипящего слоя (I стадия обезвоживания карналлита MgCl·KCl·6H0);
2 - карналлитовый хлоратор (II стадия обезвоживания карналлита);
3 - миксер-сборник хлоридных шламов карналлитовых хлораторов;
4 - отделении-1 электролиза обезвоженного карналлита;
5 - транспортируемая емкость для отработанного электролита магниевых электролизеров;
6 - отделение-2 электролиза расплава хлорида магния;
3
3
2
2
7 - руднотермическая печь для восстановительной плавки титансодержащих концентратов (например, ильменитовых (FeTiO) и/или ильмено-рутиловых (FeTiO·TiO)) с получением товарного чугуна и титановых шлаков (82-88% Ti0);
8 - солевой хлоратор для хлорирования анодным хлором (от магниевых электролизеров) титановых шлаков в хлоридном расплаве - в отработанном электролите отделения-1 электролиза карналлита;
9 - устройство для слива отработанного хлоридного расплава из солевого хлоратора;
10 - система конденсации легколетучих хлоридов, выходящих из солевого хлоратора в форме парогазовой смеси;
11 - отделение очистки технического тетрахлорида титана от примесей;
4
2
12 - передел магниетермического получения титановой губки (TiCl+2Mg→Ti+2MgCl);
13 - остывочные площадки для охлаждения и кристаллизации шламов карналлитовых хлораторов (13-1), отработанного электролита отделения-1 электролиза карналлита (13-2) и части расплава хлорида магния, образующегося при магниетермическом получении титановой губки (13-3);
14 - устройство для слива хлоридных расплавов в охлаждаемые изложницы;
15 - установки для дробления охлажденных и закристаллизовавшихся расплавов;
16 - обогреваемые реакторы с мешалками для выщелачивания хлоридных расплавов;
17 - ложное днище реакторов для выщелачивания;
18 - загрузочный люк реактора для загрузки в него дробленных хлоридных расплавов;
19 - патрубок для подвода оборотных промывных растворов с фильтр-прессов (ФП-1 и ФП-2);
20 - патрубок нижнего слива хлоридной суспензии из реактора для выщелачивания;
21 - реакторы с мешалками для очистки хлоридных расплавов от примесей тяжелых металлов и твердых включений (оксиды и оксигидраты металлов);
22 - патрубок на крышке реактора (21), присоединенный к баку-дозатору раствора NaOH;
23 - бак-дозатор раствора гидроксида натрия;
24 - расходный бак с мешалкой для приготовления исходного раствора NaOH и его подачи в бак-дозатор (23);
25 - фильтр-пресс-1 для выделения из суспензии твердой фазы;
26 - сборник очищенных растворов хлорида магния и калия (с примесями NaCl);
27 - ванна гидроудаления отработанного хлоридного расплава из солевого хлоратора (8);
28 - циркуляционный бак;
29 - реактор с мешалкой для нейтрализации и осаждения оксигидратов металлов (Fe, Cr, Mn, Ae, Sc, Th, Ti, Zr и др.);
30 - загрузочный конус;
31 - бункер-дозатор порошкообразных магнийсодержащих оксидных материалов (каустический магнезит и/или серпентинит и др.);
32 - фильтр-пресс-2 для выделения из хлоридной суспензии осадка суммы оксигидратов металлов и их промывки;
33 - выпарной аппарат.