Главная | Обратная связь

Получение порошка титана металлотермическим восстановлением тетрахлорида натрием. Разновидности этого метода.

В промышленной практике восстановление TiCl₄ натрием ведут в интервале температур, лежащим между точкой плавления NaCl (801 ⁰С) и температурой кипения натрия (914 ⁰С), и взаимодействие должно бы происходить между газообразным TiCl₄ и жидким натрием по суммарной реакции:

TiCl_4/г/ + 4Na_/ж/ = Ti_/тв/ +4NaCl_/ж/ +723,3 кДж (3.61)

В действительности процесс протекает с участием образующихся низших хлоридов TiCl₂ и TiCl₃, которые растворяются в NaCl (эти низшие хлориды титана могут также образоваться в результате вторичных взаимодействий: 3 TiCl₄ + Ti = 4 TiCl₃, TiCl₄ + Ti = 2 TiCl₂, 2 TiCl₃ + Ti = 3 TiCl₂, TiCl₄ + TiCl₂ = 2 TiCl₃).

В системе NaCl - TiCl₂ эвтектика (50% TiCl₂) плавится при 605 ⁰С, а в системе NaCl – TiCl₃ эвтектика (63,5% TiCl₃) плавится при 462 ⁰С. Натрий растворяется в расплавленном NaCl от 1,12 до 3,88%.

Завершающая стадия суммарной реакции (3.61) происходит в расплаве:

TiCl_2/ж/ + 2 Na_/ж/ = Ti_/тв/ + 2NaCl_/ж/(3.62)

Частицы титана образуют в расплаве сростки. Отметим, что восстановление протекает не только в расплаве, но и в газовой фазе (над расплавом).

По схеме, применявшейся одной из фирм Германии в годы второй мировой войны, смесь равных частей свободных от кислорода хлористого натрия и хлористого калия (температура плавления смеси 660 ⁰С) покрывалась слоем металлического натрия и нагревалась в закрытом железном тигле в инертной атмосфере при 700-800 ⁰С. Для разогрева реактора использовали тигельную печь. Пары тетрахлорида титана пускали через слой расплавленных хлоридов щелочных металлов вблизи дна тигля; пузырьки TiCl₄, пробулькивая через солевой расплав, поднимаются до соприкосновения с плавающим сверху слоем расплавленного натрия и реагируют с ним. Полученный порошок содержал около 98% Ti и состоял из частиц размером 0,02-1 мм.

Современный промышленный процесс восстановления ведут в герметичном реакторе из нержавеющей стали, заполненым аргоном и нагретым в печи до 500-600 ⁰С, в который одновременно из мерных бачков подают TiCl₄ и жидкий натрий в соотношении, близком к стехиометрическому для реакции (3.61). Через некоторое время, когда в реторте накопится жидкий расплав, печь отключают и ведут процесс за счет теплоты реакции, поддерживая температуру 850-880 ⁰С (реактор обдувают воздухом, отводя избыточное тепло). В первый период восстановление в бóльшей мере идет в газовой фазе с образованием мелких частиц титана и его низших хлоридов. Последние растворяются в NaCl и восстанавливаются в расплаве натрием с образованием частиц титана, оседающих на дне реактора. Для обеспечения полноты восстановления низших хлоридов титана и укрупнения частиц металла в конце процесса включают печь и выдерживают реактор при 950-1000 ⁰С в течение 4-6 ч. Реакционную массу (17% Ti, 83% NaCl и небольшое количество непрореагировавшего натрия) выбирают из реактора на станке специальной фрезой, пропускают через грохот с отверстиями 10 мм, измельчают и выщелачивают водой, подкисленной соляной кислотой. Затем титановый порошок отделяют от раствора на центрифуге и сушат в вакуумной сушилке при 40-50 ⁰С и давлении 6,5 кПа.

В США в реакторе диаметром 1,5 м и высотой 4,3 м за один цикл описанного процесса получают около 1 т титана.

Применяют и другое аппаратурное оформление процесса, при котором жидкие TiCl₄ и натрий подают в реактор с температурой 850-900 ⁰С, в котором находятся расплавленная эвтектическая смесь NaCl + КCl. Из 85 кг TiCl₄ и 46 кг Na (10% избытка В Англии разработан производственный процесс, позволяющий получать натриетермическим методом титан в форме гранул довольно высокой степени чистоты. В английских патентах описано предложение, по которому тетрахлорид титана восстанавливают пленкой жидкого натрия на поверхности твердого хлорида натрия; титан получают в виде высокодисперсного порошка.