Производство компактного титана

⇐ ПредыдущаяСтр 16 из 16

Получение компактного титана можно осуществить переплавкой губчатого или порошкового титана в дуговых печах. Вакуумные дуговые печи для получения компактного титана работают на переменном или постоянном токе (чаще). Расходуемый электрод является катодом, расплав — анодом. Выпрямление тока осуществляют с помощью кремниевых или германиевых выпрямителей. Наибольшее распространение в титановой промышленности получили печи, в которых расходуемый электрод готовят вне печи прессованием титановой губки или порошка. Готовый электрод приваривают к электрододержателю (штанге) и помещают в печь, в которой находится водоохлаждаемый медный кристаллизатор (тигель). С помощью электрододержателя к электроду подводят ток и осуществляют его перемещение (рис. 155).

1 — камера для расходуемого электрода; 2 — подвижный шток; 3 — электрододер-жатель; 4 — корпус печи; 5 — расходуемый электрод; 6 — медный кристаллизатор, охлаждаемый водой; 7 — подвижный поддон; 8 — шток; 9 — вакуумное уплотнение; 10 — токоподвод к кристаллизатору; — соленоид; 12 — окошко для наблюдения; 13 — токоподвод к электроду

Рисунок 155. Схема электродуговой печи с расходуемым электродом

1 — корпус; 2 — молибденовая сетка; 3 — подвеска; 4 — токоподводы; 5 — термостат с ампулой вода; 6 — вакуумный затвор; 7-патрубок вакуумной системы; 8 - крышка; 9 - молибденовые крючки; 10 — титановая нить; 11 -титановая губка

Рисунок 156. Аппарат для нодидного рафинирования титана

Металл плавится в пламени дуги, возникающей между верхним расходуемым электродом и нижним электродом— расплавленным металлом в медной изложнице. При плавке в дуговых электрических печах получают слитки титана диаметром 350—500 мм, массой до 10 т. Для этого используют силу тока 8000—9000 А при напряжении 25—30 В. Скорость плавки колеблется от 3, 7 до 4, 5 кг/мин. Выплавленный в дуговых печах титан содержит не менее 99, 8 %Ti.

Компактный титан может быть получен также методами порошковой металлургии. Механические свойства титана, полученного этим способом, практически не отличаются от титана, выплавленного в дуговых печах. Однако ввиду ограниченности размеров заготовок метод порошковой металлургии перспективен для производства титана и его сплавов только в случае массового изготовления изделий небольших размеров.

Рафинирование титана

Для получения титана высокой чистоты в ограниченных масштабах используют метод термической диссоциации иодида титана. Сравнительный состав иодидного и магнийтермического титана приведен в таблице 33.

Таблица 33. Состав иодидиого и магниетермического титана, %

Элемент	Иодидный титан	Губчатый титан
Титан	99, 9—99, 95	99, 8
Углерод	0, 01—0, 03	0, 01—0, 03
Кислород	0, 005—0, 01	0, 05—0, 15
Азот	0, 001—0, 004	0, 01—0, 05
Магний	0, 0015—0, 002	0, 04—0, 12

Иодидный способ очистки титана основан на обратимости реакции образования и термического разложения газообразного иодида (Til₄) по схеме

200-500^оС 1300—1500°С
Тi(губка) + 2I₂(пар) → TiI₄(пар) → Тi(_Чист) + 2I₂(пар)

Процесс заключается в следующем: сырой (загрязненный) титан, реагируя при повышенной температуре с парами иода, образует иодид; последний, находясь в парообразном состоянии (Тi₄ кипит при 337°С), приходит в соприкосновение с раскаленной титановой нитью (проволокой) и диссоциирует на титан и иод. При этом титан отлагается на проволоке, а иод вновь вступает во взаимодействие» с рафинируемым титаном и т.д. На поверхности проволоки постепенно наращивается титан. В зависимости от режима проведения процесса получают плотные прутки или крупнокристаллические, менее плотные отложения.

В производственных масштабах иодидную очистку титана ведут в аппаратах, изготовленных из хромоникелевого сплава, устойчивого против действия паров иода и ТiI₄. Загрязненный титан в виде губки или порошка загружают в кольцевой зазор между стенкой реактора и молибденовой сеткой. Титановая проволока диаметром 3— 4 мм (нить накала) с помощью растяжек из молибденовых крючков в форме v-образных петель закреплена на изоляторах. Общая длина нити около 11 м. Иод помещают в стеклянной ампуле. Вначале подготовленный к процессу реактор вакуумируют. После создания вакуума его отсоединяют от вакуумной системы и впускают иод. Для подачи иода специальным устройством разбивают ампулу. Пары иода распространяются по всему объему реактора и начинают взаимодействовать с титаном. Образующийся при этом иодид титана также занимает весь объем рабочей камеры. Когда через нить начинают пропускать электрический ток, она раскаляется и на ней начинается процесс термической диссоциации TiI₄. В одном аппарате за полный цикл получают до 24 кг рафинированного титана(Ti=99.9-99.99%), или около 10 кг за сутки. Иодидный титан очень дорог.

Возможно также электролитическое рафинирование титана. При электролизе анодом служит загрязненный примесями титан, погруженный в расплавленный электролит из хлоридов щелочных металлов (NaCl или смесь NaCl+ +КС1). В процессе электролиза титан электрохимически переходит в электролит и осаждается на стальном катоде. Электролиз ведут в атмосфере аргона при 850°С и катодной плотности тока 0, 5—1, 5 А/см². На катоде выделяется крупнокристаллический осадок титана. Электролитическое рафинирование титана представляет большой интерес для очистки чернового титана, получаемого непосредственно восстановлением титановых шлаков.

Контрольные вопросы:

1. Рассказать о металлургии титана.

2. Объяснить производство тетрахлорида титана.

3. Объяснить металлотермическое восстановление тетрахлорида титана.

4. Объяснить производство компактного титана.

5. Объяснить рафинирование титана.

Лекция 15. Основы производства металлического вольфрама Технология выплавки вольфрама. Перспективы развития производства цветных металлов. Новые направления в технологии

План лекции:

1. Металлургия вольфрама

2. Разложение вольфрамсодержащих концентратов

3. Переработка растворов вольфрамита натрия на вольфрамовый концентрат

4. Производство вольфрамового порошка

5. Производство компактного вольфрама

Металлургия вольфрама

Свойства, применение, сырье

Вольфрам является тугоплавким металлом (Тпл=3395+15°C), уступая по этому параметру только углероду. Металл отличается очень высокой точкой кипения (> 5500°С) и весьма малой скоростью испарения даже при температуре 2000°С. Вольфрам наиболее прочныйм из известных металлов и сохраняет свою прочность при высоких температурах. Механической обработке (ковке, прокатке и волочению) вольфрам поддается только при нагреве. В обычных условиях вольфрам весьма стойкий металл, но при нагреве на воздухе до 400—500°С окисляется с образованием WO₃, Кроме WО₃, известны три других оксида: WО₂ и промежуточные WО₂, ₇₂и WO₂, ₉₀. Пары воды интенсивно окисляют вольфрам при температуре выше 600 °С с образованием WО₃ и WО₂. С галоидами при нагреве он может соединяться непосредственно с образованием соединений WC1₆, W0₂C1₂ и WOCl₄. В присутствии воздуха или других окислителей вольфрам растворяется в расплавленных щелочах, образуя вольфраматы, и разъедается горячими водными растворами щелочей. Вольфрам слабо поддается действию кислот и царской водки, но быстро растворяется в смеси плавиковой и азотной кислот.

В чистом виде вольфрам в виде проволоки, ленты и различных деталей применяют в электротехнической и радиоэлектронной промышленности, где используют низкую упругость его паров при высоких рабочих температурах (2200—2500 °С). Его применяют для изготовления нитей накаливания в электролампах, катодов, подогревателей и контактов в радиоэлектронных приборах, рентгеновских и газоразрядных трубках. Вольфрамовые проволоку, трубки и прутки используют для изготовления элементов сопротивления в нагревательных печах, работающих в атмосфере водорода, нейтрального газа или в вакууме при температурах до 3000 °С. Еще шире вольфрам применяют в виде сплавов и в первую очередь при производстве специальных сталей. На их изготовление расходуется до 50 % вольфрамовых концентратов. Наиболее важными вольфрамсодержащими сталями являются быстрорежущие (8—20%W), инструментальные (1—6% W и 0, 4—2% Сг), магнитные (5—9% W и 30— 40% Со). Твердые сплавы на основе карбида вольфрама WC обладают высокой твердостью, износостойкостью и тугоплавкостью. На основе карбида созданы самые производительные инструментальные сплавы (85—95 % WC и 5— 10 % Со).

Особое значение твердые сплавы на основе карбида вольфрама приобрели при изготовлении режущих и буровых инструментов и фильер для волочения проволоки. Находят применение также литые карбиды вольфрама.

К распространенным жаропрочным и износостойким сплавам относятся сплавы вольфрама с кобальтом и хромом— стеллиты. Их применяют главным образом для покрытий быстроизнашивающихся деталей, например клапанов двигателей для самолетов, лопастей турбин, штампов и др.

Известно около 15 минералов вольфрама, представляющих, собой соли вольфрамовой кислоты. Из них только Два — вольфрамит (Fe, Мn) W0₄ и шеелит CaWО₄ — имеют промышленное значение. Вольфрамит является изоморфной смесью вольфраматов железа и марганца переменного состава. Наиболее богатые вольфрамовые руды содержат обычно 0, 2—2 % W. В СНГ месторождения вольфрамовых руд имеются в Забайкалье, Средней Азии и Казахстане, на Кавказе, Урале, Алтае и на Дальнем Востоке.

Для обогащения вольфрамовых руд применяют гравитацию и флотацию, магнитную и электростатическую сепарацию. Вольфрамит флотируется значительно хуже шеелита. По этой причине основным способом обогащения вольфрамитовых руд является гравитация. При обогащении вольфрамовых руд получают концентраты с содержанием 55—65 °/о WО₃.

Все используемые в промышленности способы переработки вольфрамовых концентратов включают следующие основные технологические стадии:

1) вскрытие (разложение) концентратов;

2) выщелачивание сплава или спека;

3) очистку растворов вольфрамата натрия от примесей;

4) получение технической вольфрамовой кислоты;

5)очистку технической вольфрамовой кислоты; -

6) получение вольфрамового ангидрида (трехокисивольфрама).

⇐ Предыдущая 7 8 9 10 11 12 13 14 1516