Термодинамика процесса получения титана
|
Как показано ранее, основным сырьем для получения титана являются оксидные руды. Наиболее распространенный способ получения металлов из оксидных руд — прямое восстановление оксидов углем или другими восстановителями. Применение такого способа для получения металлического титана оказывается невозможным вследствие высокой прочности диоксида. Кроме того, этот процесс затрудняется из-за образования твердых растворов получаемого металла с восстановителем и примесями, имеющимися в сырье. При выборе технологической схемы исходят из оценки физико-химических свойств соединений и степени сложности аппаратурного оформления. Все существующие и предлагаемые способы получения металлического титана можно условно разделить на четыре группы: 1) прямое (одностадийное) восстановление диоксида титана до чистого металла; 2) двухстадийное восстановление диоксида титана: восстановление до металла, загрязненного некоторым количеством примесей, а затем переработка его на чистый металл- или сплав (с применением электролиза или без него); 3) электролиз диоксида титана; 4) перевод диоксида в хлорид, фторид, другие соединении титана (например, получение чистого тетрахлорида титана из диоксида методом хлорной металлургии), а затем восстановление его металлом или электролизом. Высокая активность титана и резкое влияние на его качество даже небольших количеств примесей обуславливают применение особых технологических приемов в процессе его производства. На всех стадиях производства имеется опасность проникновения в титан кислорода, освобождение от которого в процессе восстановления оксида представляет значительные трудности.  Кривые рис. 4 характеризуют химическую прочность оксида того или иного металла в зависимости от температуры. Чем больше отрицательная величина энергии Гиббса, тем прочнее соединение. С повышением температуры прочность большинства соединений уменьшается. По кривым можно ориентировочно определить, какой из элементов будет восстанавливать другой из его оксидов. Элемент, кривая ΔF1 которого лежит ниже кривой ΔF2 другого элемента, является восстановителем. Как следует из графика, диоксид титана относится к наиболее прочным соединениям, он может быть восстановлен только алюминием, магнием или кальцием, а при высоких температурах — углеродом. Однако способность титана образовывать низшие оксиды и растворять кислород в твердом и жидком состояниях очень затрудняет получение чистого металла.  На рис. 5 приведена диаграмма изменения парциальной энергии Гиббса для диссоциации 1 моля кислорода в системе Ti—О. При снижении концентрации кислорода прочность его соединения с титаном возрастает вследствие образования твердого раствора, поэтому возникает большое отклонение парциальной энергии Гиббса от интегральной. На диаграмме указана также интегральная энергия Гиббса для реакции 2TiO = 2Ti + O2 при 1000 °С, которая составляет около 800 кДж/моль О2, парциальная же энергия диссоциации увеличивается по мере уменьшения концентрации кислорода При отделении первых порций кислорода от соединения TiO изменение энергии Гиббса составляет 735 кДж/моль O2, а когда кислорода в титане остается 1—2 %. эта величина возрастает до 1000 кДж/моль. Из сопоставления данных следует, что оксид титана не может быть восстановлен даже магнием; достаточно полно удалить кислород из титана можно лишь с помощью кальция. Выше отмечено, что в настоящее время в промышленности освоен хлорный метод получения титана, а наиболее распространено металлотермическое восстановление тетрахлорида титана. Вместе с тем, ведутся исследования и в других направлениях, поэтому представляет интерес рассмотреть основные из них. |
