Спосіб одержання та рафінування титану

Корисна модель відноситься до металургії титану, а саме до способів одержання та рафінування титану. Відомий «Спосіб одержання титану високої чистоти», патент США №6063254, з. 19.12.97 p., C25C3/28, в якому процес магнійтермічного відновлення тетрахлориду титану та електролітичного рафінування одержаної титанової губки здійснюється в одному апараті-реакторі. Після закінчення процесу відновлення і одержання титанової губки в реактор уводять порцію тетрахлориду титану. Відбувається хлорування частини титанової губки до вмісту 2-12% нижчих хлоридів титану. В процесі електролізу одержана губка служить анодом. На катоді осаджується титан. Катодний титан після промивки та сушки переплавляють в електронно-променевій печі, одержуючи зливок високої чистоти або піддають катодні кристали йодидному рафінуванню. Процес магнієтермічного відновлення має низьку продуктивність тому, що реакція відновлення відбувається на межі розділу фаз газоподібного тетрахлориду титану, рідкого магнію та твердого титану, яка має незначну поверхню. Відомий спосіб одержання та рафінування титану в одному апараті-реакторі розкритий в патенті на корисну модель "Спосіб одержання титану високої чистоти", №22252, 14.08.2006 p., C22B34/12, С25С3/28, який включає магнієтермічне відновлення тетрахлориду титану в реакційній камері, що уводиться в реактор зверху, з одержанням титанової губки. Для хлорування частини одержаної титанової губки до нижчих хлоридів титану в реактор уводиться додаткова порція тетрахлориду титану. Потім відбувається електролітичне рафінування отриманої титанової губки. При електролітичному рафінуванні реакційна камера і губчастий титан служать анодом. Дане рішення прийняте в якості прототипу. У відомому рішенні в процесі електролітичного рафінування не має можливості підвищення продуктивності із - за низької щільності струму на аноді. Підвищення щільності струму на аноді в умовах обмеженої циркуляції розплаву приводить до збільшення частки іонів трьохвалентного титану, що в свою чергу викликає розчинення стальних конструкцій апарату, які прилягають до розплаву. Задачею технічного рішення, що заявляється, є підвищення продуктивності процесу електролітичного рафінування та якості катодного металу за рахунок використання вторинних окислювально відновних реакцій. Поставлена задача досягається тим, що у відомому способі одержання та рафінування титану, який включає суміщення в одному апараті-реакторі з реакційною камерою процесів магнійтермічного відновлення тетрахлориду титану і електролітичного рафінування одержаної титанової губки в розплаві, що містить нижчі хлориди титану, новим є те, що при електролітичному рафінуванні титанової губки виконується періодичне переміщення частини розплаву з апарату - реактора в реакційну камеру, причому кількість цих переміщень знаходиться в інтервалі від 2 до 6. При електролітичному рафінуванні одержаного губчастого титану, анодне розчинення титану відбувається в об'ємі реакційної камери. При цьому взаємодія нижчих хлоридів титану, що знаходяться в розплаві апарату реактора, з губчастим титаном реакційної камери утруднене із - за обмеженої циркуляції розплаву. Тому іони трьохвалентного титану при відсутності матеріалу, що рафінується, взаємодіють з металевими елементами апарату-реактора та реакційної камери з утворенням іонів металу (заліза), з якого вони виготовлені. Іони заліза накоплюються в розплаві, осаджуються на катоді і тим самим погіршують якість катодного металу. Для зниження взаємодії іонів трьохвалентного титану з металевими конструкціями виконується періодичне переміщення частини розплаву із апарату - реактора в реакційну камеру. Для цього в момент охолодження катоду з осадом і зрізування катодного осаду в об'ємі апарату-реактора, ізольованому від об'єму реакційної камери, підвищують тиск за допомогою інертного газу. Це приводить до переміщення частини розплаву в реакційну камеру, в якій знаходиться материал, що рафінується. Переміщений розплав збагачений іонами трьохвалентного титану і в реакційній камері за рахунок окислювально-відновних реакцій відбувається взаємодія з губчастим титаном. Після витримки розплаву в контакті з матеріалом, що рафінується, тиск в апараті - реакторі знижується та розплав повертається назад. Експериментально визначено, що кількість операцій по переміщенню частини розплаву залежить від середньої валентності титану і вироблення матеріалу, що рафінується, та повинна бути від 2 до 6. Після проведення переміщення розплаву в реакційну камеру опускають катод і процес рафінування продовжується. В результаті таких переміщень відбувається зниження середньої валентності титану, (середня валентність титану наближається до 2), що сприяє виділенню на катоді переважно титану та сповільнюється розчинення стальних конструкцій апарату і реакційної камери. Спосіб, що пропонується, здійснюється таким чином. На першій стадії здійснюється напрацювання губчастого титану в реакційній камері. Після завершення магнієтермічного одержання губчастого титану із реактора видаляються надлишки магнію, а в реактор подається основа електроліту (хлориди натрію та калію) та тетрахлорид титану для утворення нижчих хлоридів титану в розплаві. Потім в реакційну камеру вводиться катод, подається постійний струм і здійснюється процес електролітичного рафінування губчастого титану. Після закінчення нарощування катодного осаду, катод витягають із розплаву для видалення осаду та охолодження. В цей час в апараті - реакторі, що ізольований від реакційної камери, при допомозі інертного газу (аргону) утворюється надмір тиску, при цьому частина розплаву з цієї зони переміщується в зону реакційної камери, де відбувається взаємодія іонів трьохвалентного титану з рафінуємим матеріалом (губчастим титаном). Після витримки розплаву в присутності рафінуємого матеріалу тиск в реакторі знижують. Надлишок розплаву із реакційної камери повертається в апарат - реактор. Таких переміщень за період обробки катоду проводять від 2 до 6. Приклади виконання способу, що заявляється. Для здійснення даного способу в апарат - реактор завантажили металевий магній, вакуумували, потім апарат заповнювали аргоном. Шляхом піднімання температури розплавляли металевий магній і поступовим підніманням температури виходили на рабочий режим. При досягненні необхідної температури в реакційну камеру подавали тетрахлорид титану для утворення шару губчастого титану. Після осадження губчастого титану в реактор уводили додаткову порцію тетрахдориду титану для утворення необхідної кількості нижчих хлоридів титану. Далі подавали постійний струм для проведення електролітичного рафінування. Електролітичне рафінування проводили в розплаві NaCl - КСl - MgCl2 з вмістом розчиненого титану 4.8% в присутності нижчих хлоридів титану ТiСl2, ТіСl3 при температурі 1070 К. Щільність струму а на аноді 1*10-4 А/м2, на катоді 1,2*10-4 А/м2. Час охолодження та обробки катоду 2 години. Показники процесу електролітичного рафінування за способом, що пропонується, наведені в таблиці. Таблиця Кількість переміщень розплаву За способом прототипом: 0 За способом, що заявляється 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Вихід металу за струмом, кг/А*с*10-7 Масова доля металу в катодних осадах, % Масова доля заліза в катодному металі, % 1,42 23,45 0,21 1,57 30,50 0,16 1,76 1,89 1,91 1,94 1,97 1,98 1,98 1,99 37,40 42,50 43,80 44,20 43,15 42,30 41,00 40,00 0,10 0,07 0,05 0,04 0,03 0,058 0,089 0,12 Таким чином, із аналізу приведених в таблиці даних видно, що ведення процесу електролітичного рафінування за способом, що заявляється, дозволить підвищити вихід за струмом на 20-40%, і, відповідно, продуктивність, масову долю металу в катодних осадах на 50% та поліпшити якість катодного осаду.