Современная металлургическая промышленность производит почти все известные металлы

1 - кожух; 2 - футеровка (магнезитовый кирпич); 3 - электроды; 4 - токопод-водящие щеки; 5 - водоохлаждаемый свод; 6 - вентиляционная труба; 7 - бунке­ра с шихтой; 8 - система подвески и перепуска электродов; 9 - труботечки для подачи шихты; 10 - гарниссаж; 11 - шлак; 12 - летка; 13 - чугун
Для защиты подины от разъедания на ней постоянно поддер­живают высокий слой чугуна (~0,5 м). Внутренние размеры плавильного пространства печи: диаметр 4,55м, глубина ванны 2,175м.
Охлаждаемый свод печи - съемный. Герметизация печи осуществляется с помощью песочного затвора между оа нием свода и кожухом печи. Через отверстия в своде ванну вводят закрепленные в электрододержателях три графитированных электрода (диаметром 0,5м), связанные с системой их перепуска. Перепуск электродов приводится в действие по мере их выгорания при отключенной печи высоту примерно 100-150 мм.


Плавку ведут с закрытым колошником, т.е. с дугами, закрытыми шихтой (электроды глубоко погружены в шихту). Ши­хту (концентрат в смеси с коксом) из бункеров по труботечкам загружают возле электродов и между ними. Плавку ведут на порошковой или брикетированной шихте. Применяют также комбинированную шихту из смеси брикетов и порошковой шихты.
При восстановлении ильменита в различных температурных интервалах протекают следующие реакции:
примерно до 1240 ⁰С:
FеО • ТiO₂ + С = Fе + ТiO₂ + СО,


3 ТiO₂ + С = Тi₃O₅ + СО;
при 1270-1400°С
2 Тi₃0₅ + С = 3 Тi₂0₃ + СО;
при 1400-1600°С
Тi₂0₃ + С = 2 ТiO + СО.
В процессе плавки образуются сложные соединения, крис­таллизующиеся при затвердевании шлака. Главное из них аносовит, в основе которого промежуточный оксид Тi₃0_5.
Продукты плавки (чугун и шлак) обычно выпускают вместе через одну летку в общую изложницу. Температура шлака на выпуске 1570-1650 °С. После расслаивания и затвердевания чугун и шлак разделяют.
Расход электроэнергии при плавке в закрытых печах ра­вен 1900 кВт • ч/т шлака.
Примерный состав шлаков, %: ТiO₂ 82-87; FеО 3-6,5; SiO₂ 2,8-5,6; СаО 0,3-1,2; А1₂О₃ 2-6; МgО 2-5,6; МnО 1—1,5; V₂О₅ 0,15; Сг₂О₃ 0,2-1,7. Выплавить шлаки с содер­жанием FеО ниже 3 % трудно без добавок флюсов вследствие их тугоплавкости, обусловленной присутствием оксикарбида. При достаточном содержании FеО оксикарбид взаимодействует с ним по реакции:
ТiC* ТiO + 3 FеО = Тi₂0₃ + 3 Fе + СО.
Характерная особенность блока титанового шлака состоит в том, что он рассыпается в процессе охлаждения на возду­хе; это объясняется окислением низших оксидов с образова­нием рутила. Данное явление облегчает переработку блока.
Производство тетрахлорида титана
Физико-химические основы процесса
Диоксид титана реагирует с хлором по эндотермической реакции:
ТiO₂ + 2 С1₂ = ТiС1₄ + 0₂; АH°_{1000 к} = 192 кДж,
АG°_1000к = 127,5 кДж.
Равновесное парциаль­ное давление Т1С1₄ для реакции равно 47,8 Па, что отвечает объемной концентрации 0,05 %. Из этого следует, что реакция протекает в малой степени.
С достаточными для практических целей скоростью и вы­ходом продукта при температурах 700-900^oС хлорирование диоксида титана протекает в присутствии углерода. В этом случае хлорирование ТiО₂ описывается суммарной реакцией:
ТiO₂ + С + 2 С1₂ = ТiС1₄ + СО₂. реакция экзотермическая.
В интервале 600-900 °С равновесное давление хлора малое, что говорит о практической необра­тимости реакции хлорирования ТЮ₂ в присутствии углерода. Равновесное давление фосгена на 2-3 порядка ниже давления хлора.
Исследования кинетики хлорирования ТiO₂ показали, что роль углерода не сводится лишь к связыванию кислорода в СО₂ и СО. Молекулы хлора, сорбируясь на поверхности угле­родистого материала (угля, кокса), активизируются - пере­ходят в атомарное состояние. Возможно также образование радикалов (С1₂ и др.) и хлороуглеродных нестойких комп­лексов С_хС1_У. Участие атомарного хлора, радикалов или хлороуглеродных комплексов в реакциях хлорирования уско­ряет их протекание.

Ниже приведена возможная схема процесса с участием атомарного хлора:

I стадия - сорбция молекул хлора на угле или коксе с образованием атомарного хлора
[Cl₂]_адс= 2 [С1]_адс = 2 С1_газ
II стадия - хлорирование ТiO₂ атомарным хлором при
участии СО
ТiO₂ + 4 С1 + 2 СО = ТiС1₄ + 2 СО₂;
III стадия - реакция газификации (реакция Будуара):
СО₂ + С = 2 СО.
Приведенная схема объясняет различия в скорости хлори­рования ТiО₂ смесью хлора с СО при отсутствии и наличии угля. Находит также объяснение наблюдаемое резкое разли­чие в соотношении СО/СО₂ в газовой фазе в зависимости от условий хлорирования. Когда скорость хлорирования лимити­рует стадия газификации состав газовой фазы будет близким составу для реакции хлорирования , т.е. в газовой фазе будет превалировать СО₂. Если же скорость процесса лимитируется стадией хлорирования, в со­ставе газовой фазы при 800-900 С будет преобладать СО в соответствии с равновесием реакции (см. табл. 7).



Парогазовая смесь

По убывающей способности к взаимодействию с хлором ок­сиды можно расположить в ряд: К₂О > Nа₂О > СаО > (МпО, FеО, МgО) > ТiO₂ > А1₂О₃ > SiO₂. Естественно, что оксиды, расположенные в ряду до ТiO₂, в процессе хлорирования при 800-900 С полностью переходят в хлориды, тогда как А1₂О₃ u SiO₂ хлорируются лишь частично (однако силикаты и алю­мосиликаты хлорируются активно).
Практика хлорирования
В производственной практике применяют три способа хло- рирования титансодержащих материалов: хлорирование брикетированной шихты, хлорирование в солевом расплаве и хлорирование в кипящем слое. Ниже рассмотрены первые два способа, используемые на отечественных предприятиях хлорирования титановых шлаков.
Хлорирование брикетировании ш и х т. В этом варианте брикеты шихты хлорируют в шахтном хлораторе непрерывного действия. Для приготовления брикетов компоненты шихты (измельченные титановый шлак и нефтяной кокс) смешивают, к смеси добавляют связку (сульфитно-целлюлозный щелок, каменноугольный или нефтяной пек). Смесь прессуют на вальцевых прессах в подушкообразные брикеты размером 50x40x35 мм. С целью повышения прочности и удаления летучих составляющих брикеты прокаливают без доступа воздуха при 850-950 С в прокалочных печах периодического или непрерывного действия. В шихту вводя примерно 20-25 % кокса (при содержании в шлаке 80-85 ТiO₂).
На рис. 41 приведена схема шахтного хлоратора непрерывного действия. Шахта хлоратора (внутренний диаметр 1,8 высота 10 м) футерована динасовым и плотным шамотным кирпичом. Брикеты подаются из бункера через золотниковый питатель, остаток выгружается шнеком или золотниковым устройством. Фурмы подачи хлора расположены на высоте ~2 м от выгрузки. Хлорирование проводят при 950—1000 С.
В печах подобного типа можно хлорировать шлаки с низ­ким суммарным содержанием СаО и МgО (не выше 4-5 %). При (более высоком содержании образующиеся жидкие хлориды CaCl₂ и МgС1₂ приводят к слипанию брикетов и нарушению схода шихты вдоль шахты печи.
Расход хлора составляет 0,85-0,9 т на 1 т тетрахлорида титана, что выше теоретического расхода (~0,75 т хлора) вследствие затрат хлора на хлорирование соединений приме­сей. В хлоратор подается анодный газ магниевых электроли­зеров, содержащий ~85-90 % хлора или испаренный хлор из цистерн с жидким хлором.
При температурах 900-1000 С хлорирование брикетов протекает во внешне диффузионной области, т.е. скорость процесса определяется скоростью подачи хлора. Энергия активации процесса хлорирования ~12-16 кДж/моль ТiO₂. Брикет приведенного выше размера полно хлорируется за 3-3,5 ч.