Магнитермическое востановление титана

 

 

 

 

 

1.2.1 Подготовка сырья

Титановые шлаки, поступающие  в цех хлорирования, дробят сначала  в щековой, а затем в конусной дробилках. Более мелкий шлак размалывают  в шаровых мельницах, работающих на сухом или мокром помоле. После  конусной дробилки шлак имеет примерно следующий гранулометрический состав:

Крупность фракции, мм   +1,0          -1,00 +0,31   -0,31 + 0,16       -0,16

Количество фракции, %   41,0        22,0                19,0           18,0

После размола в шаровых  мельницах измельченный шлак должен содержать не менее 90% фракции — 0,105 мм. Измельчение менее 0,05 мм нежелательно, так как это, с одной стороны, приводит к увеличению пылеуноса, а с другой — к непроизводительным затратам на переизмельчение.

Содержание металлического железа в измельченном шлаке составляет 2—4%.

После измельчения шлак подвергают магнитной сепарации и направляют в бункера для хранения. Нефтяной кокс, так же как и шлак, дробят сначала в щековой дробилке, а затем в молотковой. Более тонкий размол производят либо в шаровых, либо в молотковых мельницах с воздушной сепарацией. Размолотый кокс имеет более крупный гранулометрический состав, содержание фракции, прошедшей через сито с отверстиями 0,150 мм, должно составлять 90—92%.

Брикетирование.

Аппаратурно-технологическая  схема передела брикетирова ния  показана на рис. 2.

При брикетировании в качестве связующего применяют различные материалы: сульфитцеллюлозные щелоки, каменноугольный пек, патоку. Наиболее широкое распространение получили сульфитцеллюлозные щелоки.

Оптимальное содержание щелоков  в шихте при брикетировании на ячейковом прессе должно составлять 12—14%. При этом содержание влаги в готовой шихте составит 1—3%. Продолжительность перемешивания шихты в смесителе колеблется от 10 до 30 мин.

Достаточно прочные брикеты, пригодные для прокаливания и  хлорирования, могут быть получены при концентрации щелоков 11 —12% и  содержании углерода в шихте 25%. При  использовании шихты с 20% углерода концентрация щелоков может быть снижена до 10%.

К качеству шихты предъявляются  следующие требования:

- шихта должна быть сухой, сыпучей, хорошо прогретой и не содержать комков размером более 60 мм;

- шихта не должна пылить;

- содержание влаги в  готовой шихте должно быть  равно 1,5—3%.

При давлении греющего пара 5 ат и концентрации щелоков 10—12% время  перемешивания и сушки шихты  в смесителе должно составлять не менее 15 мин.

 

 

Рис. 2. Аппаратурно-технологическая схема брикетирования титановых шихт:

1, 2 — бункера для хранения размолотого шлака и кокса; 3, 4 — приемные бункера кокса и шлака; 5 — мерник; 6 — напорный бак; 7 — дроссельная заслонка с пневмодви- гателем; 8 — весы-дозаторы; 9 ~ шнековый питатель; 10 — смеситель; 11 — бункер шихты; 12 — тарельчатый транспортер; 13 — ячейковый пресс; 14 — ленточный транспортер; 15 — колосниковая решетка; 16 — элеватор; 17 — центробежный насос; 18 —приемный бак насоса

 

Сырые брикеты должны удовлетворять  следующим условиям: влажность не более 2,5%, форма брикетов должна быть яйцевидной с толщиной кольцевого выступа  не более 4 мм.

Прокалка брикетов

Сырые брикеты, полученные в  отделении брикетирования, непосредственно хлорировать нельзя, так как они содержат значительное количество влаги (до 4%) и 2—5% летучих фракций углеводородов, которые входят в состав связующего. При хлорировании влага и летучие взаимодействуют с четыреххлористым титаном и хлором, что приводит к снижению выхода титана и повышенному расходу хлора. Образующийся в результате хлорирования летучий хлористый водород разбавляет паро-газовую смесь, разрушает аппаратуру и усложняет тем самым процесс конденсации и газоочистки. Кроме хлористого водорода при хлорировании летучих образуются различные хлорпроизводные углеводородов и углеводов (ацетилхлорид, гексахлорбензол, четыреххлористый углерод, хлороформ и др.). Все эти продукты содержат углерод и должны быть удалены из четыреххлористого титана, что усложняет его очистку. Поэтому перед хлорированием для удаления летучих фракций углеводородов брикеты прокаливают в прокалочных (коксовальных) печах. Для прокалки брикетов в промышленной практике применяют несколько типов печей. Наибольшее распространение получили имные печи с разъемным сводом и ретортные печи. В зарубежной практике (японской и американской) применяют также и туннельные печи. В последнее время успешно разрабатывается аппаратура и технология высокотемпературной прокалки брикетов в шахтных печах в токе нагретых до 1200—1300° С топочных газов, полученных сжиганием природного газа при недостатке воздуха. Последний способ является наиболее перспективным вследствие простоты аппаратурного оформления и более высокой производительности.

При прокалке в ямных и  туннельных печах сырые брикеты  загружают в печь в специальных  контейнерах из дорогой дефицитной жаропрочной стали. Прокалку ведут при 650—800° С в течение 12—16 ч. Конец прокалки в ямных печах определяют по прекращению выделения из-под крышки контейнеров летучих углеводородов, которые горят голубоватым пламенем. После прокалки свод ямной печи раскрывают и мостовым краном извлекают контейнеры с брикетом. В качестве топлива используют природный газ и мазут. Ямные и туннельные печи имеют важное преимущество перед остальными печами, заключающееся в том, что брикеты в этих печах в процессе прокалки неподвижны и практически не образуется мелочи вследствие их истирания. Общим их недостатком является применение дорогостоящей жаропрочной стали для контейнеров, Наиболее существенным недостатком ямной печи является периодичность процесса и очень низкий коэффициент использования тепла.

Более экономичны и производительны ретортные прокалочные печи, обычно состоящие из нескольких секций. В каждой секции имеются обычно четыре керамические реторты. В верхней части реторт происходит сушка и нагрев брикетов, в нижней — прокалка и удаление летучих. На работе таких печей значительно сказывается влажность «сырых» брикетов. При влажности более 3% происходит размягчение («запарка») брикетов в верхней части реторты. По мере продвижения вниз размягченные брикеты слипаются и затем спекаются в плотные комки «козлы», затрудняющие равномерный сход брикетов.

Сырые и прокаленные брикеты  анализируют на содержание влаги, углерода, летучих, двуокиси титана и определяют механическую прочность. Обычно сырые брикеты имеют прочность 150—400 кг/брикет, содержание влаги у них колеблется в интервале 1,5—1,6%, летучих 5,8—5,3%, углерода 18—22%, 50—60%. После прокалки прочность брикетов и содержание углерода несколько увеличивается. Прочность прокаленных брикетов колеблется в интервале 350—600 кг/брикет, содержание летучих не должно превышать 0,2%, а углерода 20—28%. При температуре выгружаемых брикетов до 300° С горение их не наблюдается. Также не происходит горения брикетов, нагретых до более высоких температур, если они не соприкасаются между собой. [3]

 

1.2.2 Хлорирование в шахтных электропечах

 

Конструкция шахтной электропечи, применяемой для хлорирования титансодержащего сырья, аналогична конструкции ШЭП, применяемых в магниевой промышленности. В титановом производстве она подверглась значительным изменениям. По характеру работы шахтную электропечь (рис. 3) можно разбить на две зоны: верхнюю и нижнюю. В верхнюю зону через свод печи загружают шихту, а из нижней зоны поступает нагретый хлор.

Нижняя зона печи, заполненная  угольной насадкой, служит приемником и копильником расплавленных  хлоридов, кальция магния и др. В  эту же зону через фурмы поступает  холодный хлор или разбавленный воздухом холодный хлоргаз. Кислород воздуха, содержащийся в анодном хлоргазе, полностью  связывается угольной насадкой с образованием СО₂ и СО. Количество тепла, выделенного в результате этих реакций, невелико. Поэтому для возмещения потерь тепла этой зоной в окружающую среду и поддержания в жидком состоянии поступающих расплавленных жидких хлоридов, а также для подогрева хлора до температуры 750—800° С в нижнюю зону необходимо подводить тепло. Для этой цели нижняя часть печи заполнена насадкой из угольных цилиндров удельным сопротивлением 50—75 ом*мм/м. Насадка служит электрическим сопротивлением. При пропускании электрического тока она разогревается. Для подвода электроэнергии в цилиндрическом корпусе нижней зоны имеется шесть электродов, расположенных в один или два яруса, по три в каждом ярусе. Нижние электроды расположены непосредственно над подиной, а верхние сдвинуты в горизонтальной плоскости по отношению к нижним на 60°. Каждый ярус электродов питается от отдельного трехфазного одиннадцати или девятиступенчатого автотрансформатора с дистанционным управлением. Максимальное напряжение низкой стороны 36 в, минимальное 15 в. В качестве материалов для электродов применяют графит или уголь.

 

 

Рис. 3. Шахтная электропечь:

1 — тяги для крепления электродов; 2 — траверса; 3 — водоохлаждаемый кессон; 4 — электрод; 5 — сальниковое уплотнение; 6 — фурма; 7 — очистной лаз; 8 — угольная насадка; 9 — футеровка; 10 — шахта печи; 1! — хлорное кольцо; 12 — крышка печи; 13 — патрубок для отвода паро-газовой смеси; 14 — распределительный конус; 15 — взрывной клапан;

16 — летка для слива расплава.

Наибольшее распространение  получили графитированные электроды  круглого и прямоугольного сечения. Перед установкой в печь электроды  иногда протачивают на токарном станке, чтобы входящая в футеровку часть электрода имела конусность около 3°. Наружные концы электродов в корпусе печи уплотняют сальниковой набивкой из полусухой смеси асбеста, диабазового порошка, кремне- фтористого натрия и жидкого стекла. Электроды квадратного сечения обкладывают шамотным кирпичом с асбестовой прокладкой.

Угольную насадку загружают  навалом, а в местах контактов  с электродами для увеличения контактной поверхности подсыпают битую насадку. Уровень насадки на 400—700 мм выше уровня верхних электродов. Для удаления насадки и непрохлорированного остатка в нижней части корпуса имеются лазы, заделанные шамотным кирпичом; пространство между рядами кирпича засыпают шамотной крошкой.

Для контроля температуры внутри по высоте печи устанавливают три-четыре хромель-алюмелевые термопары. Первую термопару устанавливают на уровне летки, вторую — на уровне верхних электродов и последующие — одну над другой через 1200 мм.

Печь футерована специальным  низкопористым шамотным кирпичом класса А. Металлический кожух печи изготовлен из стали марки Ст. 3. Кожух внутри выкрашен и прошпаклеван диабазом на жидком стекле.

Свод шахтной электропечи изготовлен из стали марки Ст. 3 и армирован. Каркас свода залит диабазовым бетоном. После высушивания свод устанавливают на цилиндрическую шахту бетонированной стороной внутрь. В горловине свода укрепляют на специальной арматуре распределительный конус. После установки свода крепят загрузочное устройство. В крышке свода печи оставляют отверстия для шуровки, отвода парогазовой смеси и взрывных люков.

Загрузочное устройство должно обеспечивать надежную непрерывную загрузку шихты и высокую герметичность печи. Такое устройство, изображенное на рис. 4, состоит из герметичного приемного бункера, золотникового питателя и распределительного конуса. Наиболее ответственным узлом является золотниковый питатель, состоящий из стального корпуса цилиндрической формы с разгрузочным штуцером. В корпусе имеется карман для предотвращения защемления и измельчения загружаемых брикетов передней кромкой золотника. Внутри корпуса вращается стальной (иногда чугунный) цилиндр — золотник, в котором сделан продольный вырез шириной примерно 1/7 длины окружности. Наружный диаметр золотника должен быть на 4—5% больше внутреннего диаметра цилиндра неподвижного корпуса. Золотник вводят сжатонапряженном состоянии (этим достигается плотное его прижимание к поверхности корпуса и обеспечивается герметичность). На  торцах корпуса через крышки пропущены валики, на концах которых укреплены

Рис. 4. Золотниковый питатель:

1 — крышка; 2 — соединительный фланец; 3— разгрузочный штуцер золотника; 4 — корпус золотника; 5 — приводной поводок золотника; 6 — золотник; 7 — карман; 8 — бункер для брикетов; 9 — упорная рейка золотника; 10 — брикеты

 

поводки, упирающиеся в рейку, прикрепленную к передней кромке золотника шпильками. С наружной стороны на валики насажены приводные шестерни, соединяющиеся цепной передачей с червячным редуктором, приводимым движение электродвигателем.

Питатель работает следующим  образом: в приемный бункер сгружают прокаленные брикеты, включают привод питания и золотник начинает вращаться внутри корпуса. При совмещении цели в золотнике с отверстием в загрузочном штуцере в него просыпаются из бункера прокаленные брикеты. При дальнейшем движении корпус золотника перекрывает отверстие загрузочного штуцера. Когда отверстие золотника совмещается с нижним штуцером, шихта из золотника просыпается через горловину в реакционное пространство печи. Золотниковый питатель позволяет непрерывно загружать брикеты без прекращения подачи хлора и обеспечивает надежную герметичность.

Хлор в печь вдувается  через три или шесть фурм, которые  расположены между верхними и  нижними электродами. Фурмы соединены  с кольцевым хлоропроводом вертикальными  стояками. В кольцевом хлоропроводе для определения давления установлены манометры.

 

1.2.3 Хлорирование в шахтных хлораторах непрерывного действия

 

Непостоянство газодинамических параметров и постепенное снижение производительности ШЭП во времени вследствие накопления непрохлорированного остатка (огарка) являются органическими недостатками этого аппарата.

В последние годы в связи с появлением титансодержащих шлаков с низким содержанием СаО и MgO этот тип хлоратора практически вытеснен более совершенным аппаратом-хлоратором непрерывного действия (рис. 5).

Основным отличием его  от ШЭП является отсутствие электрообогрева  и сложной насадочной зоны, а также  наличие в нижней его части  герметичного разгрузочного устройства для непрерывного удаления непрохлорированного остатка.

Последнее обстоятельство позволяет  коренным образом улучшить газодинамические параметры и резко интенсифицировать процесс, так как температурный режим в хлораторе и аппаратах конденсационной системы легко регулируется количеством подаваемого хлора, загрузкой брикетов и выгрузкой непрохлорированного остатка. Это в значительной степени упрощает процесс и облегчает его автоматизацию.