Получение двуокиси титана

Титановые руды достаточно широко распространены в природе, но не все они поддаются обогащению до концентраций, обеспечивающих экономическую целесообразность дальнейшей переработки их на двуокись титана. Известны следующие титановые руды: рутил, титаномагнетит, ильменит, перовскит (CaO*TiO2) и сфен (CaC)*TiO2 SiO2). Титаномагнетиты содержат TiO2 и Fe2O3. Значительные скопления титана встречаются главным образом в виде минералов — рутила (TiO2) и ильменита FeO*TiO2.

Высококачественным сырьем для производства двуокиси титана являются индийский, малайский и украинский ильмениты. Менее богатые, но пригодные для производства двуокиси титана запасы ильменита имеются в США, Канаде, Южной Америке, Норвегии, Финляндии и России (на Урале). В табл. 1 приведен химический состав некоторых ильменитовых концентратов.

Титаномагнетиты представляют собой магнетиты, проросшие ильменитом и содержащие до 25% TiO2 В результате обогащения титано-магнетитовых руд получается ильменитовый концентрат для титановой промышленности и для производства ферротитана.

Используют также титано-магнетитовый концентрат следующего химического состава, %: 44 TiO2, 16,8 Fe2O3, 31,4 FeO, 0,3 V2O5, 1,6 Al2O3, 0,7 MnO, 0,6 CaO, 2,8 MgO, 1,8 SiO2, 0,15 P2O5.

Двуокись титана применяют не только как сырье для производства твердых сплавов, ее используют в лакокрасочной промышленности в качестве белого пигмента, в резиновой — в качестве наполнителя, в вискозной — для придания матового оттенка искусственному шелку. Кроме того, двуокись титана применяют при изготовлении тугоплавких стекол, глазурей, эмалей. Титан используют как раскислитель и как легирующий металл. Его вводят в сталь обычно в виде ферротитана. Титан улучшает механические свойства стали, повышая ее износостойкость и сопротивление коррозии. Металлический титан начали применять только в последние 10—15 лет, когда современная техника дала возможность получать этот металл высокой чистоты. Металлический титан применяют для изготовления листов, проволоки, сварных и цельнотянутых труб и т. д. Титан, способствующий образованию мелкозернистой структуры сплавов, вводят в некоторые алюминиевые бронзы, специальные латуни, в алюминиевые и алюминиевомагниевые сплавы. Двуокись титана применяют и в производстве твердых сплавов при изготовлении титановольфрамовых сплавов.

Для производства двуокиси титана используют главным образом ильменитовый концентрат. Распространен сернокислотный способ переработки, заключающийся в разложении ильменитового концентрата крепкой серной кислотой в аппарате. При этом смесь перемешивается сжатым воздухом.

При взаимодействии концентрата с серной кислотой протекают следующие химические реакции образования сульфатов:

Реакции протекают очень бурно в течение нескольких минут. Из реакционной смеси выделяется почти вся вода в виде водяного пара. По окончании реакции прекращается подача сжатого воздуха. После этого охлажденную смесь сульфатов выщелачивают подкисленной водой, чтобы избежать образования гидроокиси железа. Процесс выщелачивания длится 3—5 ч. Для восстановления содержащегося в растворе трехвалентного железа в двухвалентное в аппарат забрасывают обрезь черной жести.

Процесс восстановления протекает по реакциям: по уравнениям:

Суммируя уравнения реакций, после сокращения получаем

Восстановление сернокислого титана продолжается по уравнениям

После восстановления в растворе содержится сульфат двухвалентного железа. Чтобы избавиться от железа, раствор подогревают. При температуре 45° С начинается выпадение в осадок кристаллов железного купороса FeSO4*7H2O, который выделяют из раствора в вакуум-кристаллизаторах непрерывного действия. Кристаллы железного купороса отделяют и промывают водой в центрифугах непрерывного или периодического действия. Для выделения двуокиси титана раствор упаривают под вакуумом, а затем подвергают гидролизу сульфат титана, в результате из раствора выпадает белый осадок гидрата окиси титана TiO2*HOH или Н2ТiO3 — метатитановая кислота. Осадок метатитановой кислоты фильтруют и отмывают от железа и других примесей на барабанных вакуум-фильтрах. Промытую метатитановую кислоту по ленточным транспортерам и шнековому питателю направляют на прокаливание в трубчатую вращающуюся печь. Метатитановую кислоту (H2TiO3) прокаливают при температуре около 1000°C в течение 6—8 ч для получения двуокиси титана для металлургических целей. Печь может отапливаться мазутом или газом, очищенным от смолы и пыли.

Полученный продукт — двуокись титана подвергают сухому размолу на кольцевой роликовой мельнице, работающей в замкнутом цикле с воздушным сепаратором. Двуокись титана, используемая для производства твердых сплавов, должна отвечать следующим техническим условиям ТУ МХП 1420—52, %:

Остаток при мокром просеве через сито 006 составляет не более 1%.

Двуокись титана упаковывают в многослойные бумажные мешки весом не более 40 кг.

На некоторых твердосплавных заводах двуокись титана перед пуском в производство предварительно прокаливают при температуре около 700° С в электрической печи в лодочках из нержавеющей стали при непрерывной их продвижке через печь. В процессе прокалки удаляются остатки фосфорного ангидрида P2O5, серного ангидрида SO3 и SO2.