Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НИЗШИХ ХЛОРИДОВ ТИТАНА В СМЕСИ РАСПЛАВЛЕННЫХ ХЛОРИДОВ МЕТАЛЛОВ И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к получению низших хлоридов титана путем взаимодействия тетрахлорида титана с металлическим титаном, и может найти применение в качестве флюса для очистки магния или магниевых сплавов от примесей.

Известны способы получения низших хлоридов титана в смеси расплавленных хлоридов металлов (ст. Низшие хлориды титана, их свойства, получение и применение (обзор литературы и патентов). - В.Г.Гопиенко, Г.Н.Гопиенко. - Ж. Цветная металлургия. - 1964. - №4, стр.26-29), из которых представляет интерес способ получения низших хлоридов титана в смеси расплавленных хлоридов металлов путем взаимодействия тетрахлорида титана с металлическим титаном. Способ включает подачу в герметичный реактор расплавленных хлоридов металлов, загрузку металлического титана в виде отходов, подачу тетрахлорида титана в реактор. Процесс проводят в герметичном реакторе с инертной атмосферой над расплавом. Скорость процесса соответствует расходу тетрахлорида титана, равному примерно 30 г/см² сечения реактора в час. Полученные в процессе восстановления низшие хлориды титана извлекают из реактора. Отстаиванием или фильтрованием основную массу расплава можно отделить от шлама и использовать в качестве электролита при рафинировании титана, для последующего восстановления до металла и т.д.

Недостатком данных способа и установки является то, что примеси, находящиеся в непрохлорированном остатке, при извлечении расплава низших хлоридов титана переходят в расплав, что приводит к загрязнению расплава соединениями железа, алюминия и др. Кроме того, не предусмотрена дальнейшая технология переработки непрохлорированного остатка, и он выбрасывается в отвал. Это приводит к загрязнению окружающей среды и потере ценных компонентов.

Известны способ и установка для получения низших хлоридов титана в смеси расплавленных хлоридов металлов (ст. Разработка технологии получения и очистки титансодержащих расплавов с применением механического перемешивания. - Р.А.Сандлер, А.И.Гулякин, Д.С.Абрамов, Е.Н.Пинаев, Э.И.Яскеляйнен, Л.М.Бердникова, Г.С.Лукашенко, Б.А.Карпов. - Труды ВАМИ - Производство магния и титана, №83, Ленинград, 1972, стр.94-98). Способ включает разогрев аппарата, заливку в аппарат из вакуум-ковша расплава хлоридов щелочных и щелочноземельных металлов - отработанного электролита, загрузку отходов в виде титановой стружки из бункера с помощью лоткового питателя, подачу тетрахлорида титана по трубе в слой стружки. После загрузки тетрахлорида титана осуществляют перемешивание в течение 1 часа. После перемешивания увеличивается общее содержание двухвалентного титана, что приближает расплав к равновесному состоянию. Однако в расплаве возрастает содержание примесей, например алюминия. Поэтому извлеченный расплав с низшими хлоридами титана подвергают дополнительной очистке отходами нелегированного титана. Для чего расплав фильтруют через сетчатый фильтр барабанного типа, обрабатывают отходами нелегированного титана, перемешивают. Применение данной технологии позволяет достичь степени извлечения титана из отходов в титансодержащий расплав до 90% и выше.

Установка для получения низших хлоридов титана в смеси расплавленных хлоридов металлов включает аппарат для получения расплава низших хлоридов титана, состоящий из реторты с крышкой, на которой установлен привод мешалки, вал которой введен в реторту на глубину 1400 мм, герметичный бункер с лотковым питателем для загрузки отходов титановых сплавов в виде стружки, трубу для подачи тетрахлорида титана в слой стружки, заборную трубу с фильтром для выборки расплава низших хлоридов титана, сливное устройство для выгрузки непрохлорированного остатка (шлама).

Недостатком данных способа и установки является то, что примеси, находящиеся в непрохлорированном остатке, при извлечении расплава низших хлоридов титана частично переходят в расплав, что приводит к загрязнению расплава соединениями алюминия и железа. Предложенная последующая очистка расплава отходами нелегированного титана приводит к большим непроизводственным затратам и к высокой трудоемкости процесса очистки. Кроме того, не предусмотрена дальнейшая технология переработки непрохлорированного остатка, и он выбрасывается в отвал. Это приводит к загрязнению окружающей среды и потере ценных компонентов.

Известны способ и установка для получения низших хлоридов титана в смеси расплавленных хлоридов металлов (ст. Разработка технологических основ процесса получения низших хлоридов титана. - С.В.Александровский, Л.М.Бердникова, А.И.Гулякин, Е.Н.Пинаев, Д.С.Абрамов. - Ж. Цветная металлургия, №12, 1977, - стр.29-31), по количеству общих признаков принятые за ближайшие аналоги-прототипы. Способ включает заливку смеси расплавленных хлоридов металлов в виде отработанного электролита карналлитовой схемы производства магния в нагретый до температуры 700-750°С герметичный аппарат, загрузку 100-350 кг отходов титановой губки крупностью до 12 мм, выдержку в течение 1,5 часов, подачу тетрахлорида титана со скоростью 250-600 кг в час. Во время подачи тетрахлорида титана осуществляют подгрузку титановой губки порциями по 50-70 кг, обеспечивая постоянный избыток губки в количестве 30-40 кг. В середине и в конце процесса расплав низших хлоридов титана с помощью мешалки перемешивают в течение 30 минут. Степень извлечения титана в расплав низших хлоридов титана достигает 90%. Расплав низших хлоридов титана удаляют через устройство для выборки расплава. После 4-5 процессов на дне реактора накапливается непрохлорированный остаток. Для удаления непрохлорированного остатка в аппарат заливают отработанный электролит, перемешивают и полученную смесь с распульпованным остатком сливают.

Установка выполнена в виде шахтной печи, в которую установлен реактор с крышкой. На крышке смонтирован привод мешалки, патрубок для установки заборной трубы для выгрузки полученного расплава низших хлоридов титана. Загрузку отходов титана производят через загрузочный патрубок из герметичного бункера с регулируемой скоростью подачи при помощи шлюзового питателя. Подачу тетрахлорида титана осуществляют через трубу, установленную в патрубке на крышке, подачу расплавленных хлоридов металлов осуществляют через патрубок с помощью вакуум-ковша. В нижней части реторты установлен перфорированный сегмент для отделения расплава от непрохлорированного остатка.

Недостатком данных способа и установки является большое содержание железа и алюминия в титансодержащем расплаве за счет того, что примеси, находящиеся в непрохлорированном остатке, при извлечении расплава низших хлоридов титана частично переходят в расплав. Так, при очистке металлического магния необходимо 5 кг низших хлоридов титана на 1 тонну расплавленного магния типа МГ-95. При этом в магний переходит железо в виде хлоридов железа в мелкодисперсной форме. Это приводит к снижению качества металлического магния. Кроме того, не предусмотрена дальнейшая технология переработки непрохлорированного остатка, который выбрасывается в отвал. Это приводит к загрязнению окружающей среды и потере ценных компонентов.

Технический результат направлен на устранение недостатков прототипа и позволяет повысить качество получаемого расплава низших хлоридов титана за счет снижения содержания в нем железа, повысить суммарное содержание двух и трехвалентного титана, а также утилизировать непрохлорированный остаток для дальнейшего использования, что позволит уменьшить загрязнение окружающей среды и возвратить непрохлорированный остаток вновь в производство расплава низших хлоридов титана.

Технический результат достигается тем, что предложен способ получения низших хлоридов титана в смеси расплавленных хлоридов металлов, включающий заливку смеси расплавленных хлоридов в аппарат, загрузку металлического титана, подачу тетрахлорида титана, перемешивание, удаление из аппарата расплава низших хлоридов титана, извлечение непрохлорированного остатка, новым является то, что смесь расплавленных хлоридов металлов загружают под протоком аргона, создают избыточное давление в аппарате, тетрахлорид титана подают при непрерывном перемешивании, полученный расплав низших хлоридов титана выдерживают, после удаления расплава низших хлоридов титана аппарат с непрохлорированным остатком охлаждают, извлекают из реактора твердый непрохлорированный остаток, его измельчают, разделяют на металлическую и солевую составляющие, при этом металлическую составляющую направляют на стадию загрузки титановой губки, а солевую составляющую - в смесь расплавленных хлоридов металлов.

Кроме того, смесь выдерживают в течение 0,5 часа.

Кроме того, избыточное давление в аппарате поддерживают 0,005-0,025 МПа.

Кроме того, аппарат охлаждают водой путем подачи ее в пространство между устройством для охлаждения и ретортой.

Для осуществления способа предложена установка для получения низших хлоридов титана в смеси расплавленных хлоридов металлов, включающая электропечь, в которую установлена реторта с крышкой с патрубком для подачи смеси расплавленных хлоридов металлов и выборки расплава низших хлоридов титана, патрубком для загрузки металлического титана, патрубком подачи тетрахлорида титана, патрубком для перемешивающего устройства, устройство для загрузки металлического титана, устройство для выборки расплава низших хлоридов титана, перемешивающее устройство, трубу для подачи тетрахлорида титана, новым является то, что она дополнительно снабжена системой подачи аргона, патрубками для измерения уровня и температуры, напорным баком для подачи тетрахлорида титана, устройством для охлаждения аппарата, при этом устройство для выборки расплава низших хлоридов титана, труба для подачи тетрахлорида титана, труба для заливки смеси расплавленных хлоридов металлов выполнены съемными с возможностью установки в аппарат в процессе получения расплава низших хлоридов титана, устройство для выборки расплава низших хлоридов титана соединено с емкостью для сбора и хранения расплава низших хлоридов титана, труба для подачи тетрахлорида титана соединена с напорным баком.

Кроме того, устройство для охлаждения аппарата выполнено в виде обечайки с фланцем и сливным патрубком.

Кроме того, устройство для выборки расплава низших хлоридов титана установлено в аппарат на глубину не менее 3/4 высоты реторты.

Загрузка расплавленных хлоридов металлов под протоком аргона и создание избыточного давления в аппарате позволяют уменьшить контакт расплава низших хлоридов титана с воздухом, что позволит значительно улучшить его качество за счет снижения окисления расплава.

Непрерывное перемешивание при подаче тетрахлорида титана позволяет повысить переход титана до двух и трехвалентного состояния, что позволит повысить степень использования расплава низших хлоридов титана как флюса.

Дальнейшая переработка непрохлорированного остатка путем его извлечения из реактора, измельчения и разделения на металлическую и солевую составляющие позволяет использовать в дальнейшем разделенный непрохлорированный остаток, при этом металлическую составляющую направить на стадию загрузки металлического титана, а солевую составляющую - в смесь расплавленных хлоридов металлов.

Заявленная группа изобретений соответствует требованию единства изобретения, поскольку заявленные способ получения низших хлоридов титана в смеси расплавленных хлоридов металлов и установка для его осуществления образуют единый изобретательский замысел.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся признаками, тождественными (идентичными) всем существенным признакам изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволило установить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном способе получения низших хлоридов титана в смеси расплавленных хлоридов металлов и установке для его осуществления, изложенных в пунктах формулы изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна".

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию "изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного устройства и способа его монтажа. В результате поиска не было обнаружено новых источников и заявленные объекты не вытекают явным образом для специалиста, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований для достижения технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "изобретательский уровень".

На чертеже показана установка для получения низших хлоридов титана в смеси расплавленных хлоридов металлов, которая состоит из печи 1, в которую установлен аппарат 2, выполненный в виде реторты 3 с крышкой 4 с размещенными на крышке патрубком 5 для заливки смеси расплавленных хлоридов металлов и выборки расплава низших хлоридов титана, патрубком 6 для загрузки металлического титана, патрубком 7 подачи тетрахлорида титана, патрубком 8 для установки перемешивающего устройства, патрубком 9 для подачи аргона, патрубком 10 для установки уровнемера, патрубком 11 для установки термопары; устройства 12 для загрузки металлического титана, выполненного в виде герметичного бункера 13 со шнековым питателем 14, съемного устройства 15 для выборки расплава низших хлоридов титана, выполненного в виде трубы 16, установленной в реторту на глубину не менее 3/4 высоты реторты и соединенной с емкостью 17 для сбора и хранения расплава низших хлоридов титана, перемешивающего устройства 18, трубы 19 для подачи тетрахлорида титана, соединенной с помощью трубопровода 20 с напорным баком 21, из вакуумной системы с насосами 22 и системы 23 для подачи аргона, трубы 24 для заливки смеси расплавленных хлоридов металлов, устройства 25 для охлаждения аппарата, выполненного в виде обечайки 26 с опорным фланцем и сливным патрубком, стенда 27 для извлечения непрохлорированного остатка и измельчения, стенда 28 для сортировки непрохлорированного остатка.

Пример осуществления способа.

Для получения низших хлоридов титана в смеси расплавленных хлоридов металлов подготавливают к работе установку для получения низших хлоридов титана. Для этого герметичный аппарат 2 устанавливают в электропечь 1 типа УК3-37Б. Аппарат 2 соединен с устройством 12 для загрузки металлического титана фракции менее 2-5 мм или отходов титана указанной фракции, с напорным баком 21 для заливки тетрахлорида титана через трубу 19, с емкостью 17 для сбора и хранения расплава низших хлоридов титана (титанового плава). Перемешивающее устройство 18, устройство 15 для выборки расплава низших хлоридов титана, труба 19 для подачи тетрахлорида титана, труба 24 для заливки смеси расплавленных хлоридов металлов выполнены съемными и установлены в аппарат в процессе получения расплава низших хлоридов титана. Собирают аппарат 2 для получения низших хлоридов титана, для чего на реторту 3 с внутренним диаметром 1200 мм устанавливают герметичную крышку 4 с патрубком 5 для заливки смеси расплавленных хлоридов металлов. В патрубок 10 устанавливают электроконтактный уровнемер, а в патрубок 11 - под низ крышки 3 - термопару с чехлом. Предварительно в устройство 12 для загрузки губчатого титана в герметичный бункер 13 загружают металлический титан в виде губки фракции менее 2-5 мм (ГОСТ 17746) в количестве 40-150 кг/час. Аппарат 2 устанавливают в электропечь 1, из аппарата 2 откачивают воздух, подключив его через патрубок 9 к вакуумной системе 22 с одновременным разогревом до температуры 400°С. При достижении температуры 400°С делают выдержку и вакуумную систему 22 отключают, в аппарат 2 через патрубок 9 из системы 23 задают аргон до значения 0,005 кПА с одновременным разогревом аппарата до температуры 750°С, замер которой производят по термопаре, установленной в патрубок 11 крышки 4 аппарата. Затем через вакуумный патрубок 9 стравливают избыточное давление из аппарата и начинают подавать аргон. С помощью вакуум-ковша устанавливают в патрубок 5 трубу 24 для заливки смеси расплавленных хлоридов металлов, которую заливают в количестве 1900-2050 кг в виде разогретого до температуры 680-710°С отработанного электролита магниевых электролизеров карналлитовой схемы питания, состава, мас.%: KCl - основа, MgCl₂ - 4-14, NaCl - 12-24, фтор-ион - 0,10-0,25, железо - 0,01-0,03, SiO₂ - 0,005-0,015, ТiO₂ - не более 0,004 до достижения уровня не более 0,15 м. Отработанный электролит получают в процессе электролиза хлормагниевого сырья, в частности безводного карналлита, при электролитическом разложении его на магний и хлор (кн. Щеголев В.И. Электролитическое получение магния. - М.: Издательский дом «Руда и металлы», 2002, стр.242-243) При достижении содержания хлорида магния 8% в электролите из электролизеров извлекают 1,5 тонны электролита (отработанного) при температуре 690°С и заливают его в обогреваемую емкость, например в миксер. Из миксера вакуум-ковшом его транспортируют на процесс получения низших хлоридов титана.

После заливки отработанного электролита в аппарат трубу 24 извлекают из патрубка 5, патрубок 5 закрывают заглушкой, систему 23 отключают и прекращают подачу аргона в аппарат. Затем в аппарат 2 загружают из бункера 13 с помощью шнекового питателя 14 металлический титан в количестве 400-500 кг. Открывают вентиль на трубопроводе 21 и из напорного бака 21 через трубу 19 начинают подачу тетрахлорида титана (ТУ 1715-455-05785388) при непрерывном перемешивании с помощью перемешивающего устройства 18 с частотой вращения 950 мин^-1 в атмосфере аргона (ГОСТ 10157) и при периодической подаче тетрахлорида титана при массовом расходе 200-350 кг/час за 1 подачу, всего подают 1500-2000 кг тетрахлорида титана. Избыточное давление в аппарате поддерживают в пределах 0,005-0,025 МПа. Затем перемешивание прекращают, отстаивают в течение 30 минут, с патрубка 5 для заливки расплавленных хлоридов металлов снимают заглушку и устанавливают устройство 15, выполненное в виде трубы 16 на глубину не менее 3/4 высоты реторты 3 для выборки расплава низших хлоридов титана в емкость 17 для сбора и хранения. Выборку осуществляют методом передавливания с помощью аргона с избыточным давлением от 0,035 до 0,065 МПа в газовый объем аппарата. Расплав низших хлоридов титана сливают до «проскока» аргона через устройство 15 для выборки в емкость 17 для сбора и хранения. Охлажденный расплав низших хлоридов титана в виде так называемого титанового плава представляет собой твердое вещество черного или темно-серого цвета с фиолетовым оттенком. Затем устройство 15 для выборки расплава низших хлоридов титана демонтируют, аппарат 2 охлаждают снаружи воздухом до 500-600°С, извлекают из печи 1 с помощью крана и устанавливают в устройство 25 для охлаждения. Устройство для охлаждения выполнено в виде обечайки 26 из стали 12Х18Н10Т с внутренним диаметром 1450 мм и высотой 2640 мм с опорным фланцем для установки в него реторты 1. В пространство между обечайкой и ретортой подают воду и аппарат охлаждают до температуры 50°С. Для отвода воды снизу обечайки выполнен донный патрубок. Из аппарата 2 на стенде 27 методом вытряхивания удаляют непрохлорированный остаток в количестве 10-20 кг на 1 тонну готовой продукции, загрязненный примесями и пропитанный низшими хлоридами титана. Непрохлорированый остаток измельчают отбойным молотком и разделяют на стенде 28 на металлическую и солевую составляющие визуальным методом. Металлическую составляющую направляют на стадию загрузки металлической губки в бункер 13, а солевую составляющую - в смесь расплавленных хлоридов металлов для загрузки в аппарат.

Предложенные способ и устройство для получения низших хлоридов титана в смеси расплавленных хлоридов металлов позволяют улучшить качество расплава низших хлоридов титана (титанового плава) за счет снижения содержания соединений железа в смеси до 0,19-0,65 мас.%. Это позволит улучшить очистку магния и магниевых сплавов от примесей, в частности от соединений железа. Повысить сумму массовых долей двух- и трехвалентного титана, мас.% - до 22-25,8, что позволить уменьшить расход флюса на 1 тонну магния.