Luyện titan

LUYỆN TITANGiảng viên: HUỲNH CÔNG KHANHKhoáng vật và tinh quặng titanLàm giàu quặng inmenit sa khoáng:Tuyển trọng lực để thu hồi các khoáng vật nặng (manhetit, inmenit, rutin, ziricon v.v) gọi là quặng đãi đen. Phân tách quặng đãi bằng các phương pháp điện từ, điện tĩnh. Nếu cho độ thấm từ của sắt là 100 thì độ thấm từ của manhetit là 40,2; inmenit – 24,7; rutin – 0,4; silicat – nhỏ hơn 20,2. Bằng cách thay đổi cường độ từ trường, có thể tách manhetit khỏi inmenit, tách inmenit khỏi rutin.Khoaùng vaät Coâng thöùc hoùa hoïc Haøm löôïng TiO2, % Tyû troïng, g/cm3 Rutin (bieán theå khaùc - anataz vaø brukit)InmenitPerovskitSfen TiO2FeO.TiO2CaTiO3CaO.TiO2.SiO2 90 -9552,6658,738,8 4,18 – 4,284,56 – 5,213,95-4,043,4 - 3,56 Thành phần hóa học một số loại tinh quặng titan Tinh quaëng TiO2 Fe2O3 FeO SiO2 Al2O3 Cr2O3 MgO CaO V2O5 ZrO2 RutinRutin-inmenitInmenit 93,250,7842,0 -12,013,8 1,8 Fe toång33,232,9 2,01,333,50 1,171,472,75 0,27-- -0,602,80 0,22Veát0,77 0,110,880,25 2,5-- Sản phẩm chế biến từ tinh quặng titanTitan clorua (TiCl4): là loại chất lỏng trong suốt, không màu (hay có màu vàng nhạt), để sản xuất titan kim loại và titan oxitTitan oxit (TiO2):Các loại sắc tố titan chứa từ 94 đến 98,5% TiO2 và các tạp chất oxit (ZnO, Al2O3, SiO2, đôi khi Sb2O3), có cấu trúc và tính chất hoá lý khác nhau. Một loại sắc tố có cấu trúc rutin (hệ chính phương a = 0,4594 mm; c = 0,2958 mm), còn loại khác – anataz (hệ chính phương a = 0,3785 mm; c = 0,9514 mm). Độ hạt của sắc tố TiO2 cần  1 m.Đối với TiO2 dùng trong luyện kim thì chỉ cần yêu cầu về thành phần hóa học, còn cấu trúc của nó không quan trọng. Ferotitan nhận được từ tinh quặng inmenit bằng phương pháp nhiệt nhôm trong lò điện. Hợp kim chứa 25-30% Ti; 5-8% Al; 3-4,5% Si; còn lại là sắt.Sơ đồ tổng quát sản xuất TiCl2 và TiO2từ tinh quặng inmenitNấu hoàn nguyên inmenit (luyện xỉ titan)Hoàn nguyên tinh quặng để tách sắt. Sản phẩm của quá trình này là xỉ titan và gang.Trong công nghiệp, việc luyện xỉ titan thường tiến hành trong lò điện hồ quang bapha, công suất khoảng 5000 –20.000 kVA Khi luyện xỉ titan, phản ứng xảy ra trong lò rất phức tạp. Có thể nêu một số phản ứng chính như sau:Nhiệt độ đạt đến 1240oC: FeTiO3 + C = Fe + TiO2 + CO (8.1) 3TiO2 + C = Ti3O5 + CO (8.2)Ở vùng nhiệt độ 1270-1400oC: 2Ti3O5 + C = 3Ti2O3 + CO (8.3)Ở vùng nhiệt độ 1400-1600oC: Ti2O3 + C = 2TiO + CO (8.4)Kết quả là trong quá trình luyện sẽ tạo thành các hợp chất phức tạp chủ yếu là anoxovit có thành phần chính là dung dịch rắn trên cơ sở oxit trung gian Ti3O5. Thành phần của anoxovit có thể viết theo công thức chung như sau: m[(Mg, Fe, Ti)O.2TiO2].n[(Fe, Al, Ti)2O3.TiO2]Ngoài anoxovit, trong xỉ titan còn chứa một số hợp chất của oxit – cacbua – nitrua [Ti (C, O, N)] dưới dạng dung dịch rắn của TiC, TiN, TiO có mạng tinh thể giống nhau.Lò điện hồ quang để nấu nấu xỉ titan Hình 8.2. Lò điện hồ quang để nấu nấu xỉ titan 1- Vỏ lò; 2- Gạch chịu lửa (manhezit); 3- Điện cực; 4- má cấp điện; 5- Vòm lò làm nguội bằng nước; 6- Oáng thông gió; 7- Bunke nạp liệu; Hệ thống treo và nâng hạ điện cực; 9- Oáng nạp liệu; 10- Lớp xỉ bám tường lò; 11- Xỉ; 12- Lỗ tháo; 13- gang Cơ sở lý thuyết của quá trình sản xuất TiCl4Quá trình clorua hóa thực hiện ở 700-1000oC. Titan oxit tác dụng với clo theo phản ứng: TiO2 + 2Cl2 = TiCl4 + O2; H 1000 K = 45,8 kcal, Go1000K = 30,4 kcal (8.5)hằng số cân bằng của phản ứng (8.5) bằng: Theo phản ứng này . Vì vậy khi áp suất tổng bằng 0,1 MPa, áp suất riêng phần của clo bằng: Do đó: Từ đó tìm được áp suất riêng phần của hơi TiCl4 đối với phản ứng clorua hóa titan oxit bằng 47,8 Pa, điều này tương ứng với nồng độ của TiCl4 trong hỗn hợp hơi là ~0,05% (thể tích). Điều này cho thấy phản ứng xảy ra rất chậm.Cơ sở lý thuyết của quá trình sản xuất TiCl4 khi có cacbon tham giaTrong thực tế, để đạt được tốc độ và hiệu suất clorua hóa cao ở 700-900oC, quá trình clorua hóa tiến hành với sự tham gia của cacbon: TiO2 + C + 2Cl2 =TiCl4 + CO2 (8.6) với H1000 K = -52,0 kcal và Go1000 k = -65,2 kcal Ngoài phản ứng (8.6), để tính thành phần pha khí cân bằng, cần tính đến phản ứng hóa khí: CO2 + C ⇄2CO (8.7) và phản ứng tạo fosgen do tác dụng của khí CO và Cl2: CO + Cl2 ⇄COCl2 (8.8)Có thể xác định được thành phần pha khí bằng cách giải hệ 5 phương trình. Trong đó 3 phương trình (8.6), (8.7), (8.8) thể hiện điều kiện cân bằng. Hai phương trình khác được rút ra từ cân bằng vật liệu và đẳng thức áp suất tổng bằng 0,1 Mpa: (8.9)Bảng 8.3 là kết qủa tính toán thành phần pha khí cân bằng:Bảng 8.3. Thành phần cân bằng pha khí khi clorua hóa TiO2 (có mặt cacbon)Nhieät ñoä AÙp suaát rieâng phaàn, MPa CO CO2 TiCl4 Cl2 COCl2 600700800900 0,01700,04100,05880,0635 0,03720,01930,00590,0015 0,04570,03970,03530,0336 4,37.10-111,13.10-92,41.10-99,93.10-9 5,63.10-134,98.10-126,37.10-111,06.10-10 Cơ sở lý thuyết của quá trình sản xuất TiCl4 từ xỉ titanSo với tốc độ clorua hóa tinh quặng titan, ta thấy tốc độ clorua hóa xỉ titan cao hơn, do trong xỉ titan có nhiều loại titan oxit hóa trị thấp (như TiO, Ti2O3, Ti3O5), và đôi khi chứa cả oxit-cacbua titan. Các hợp chất này ở 300-400oC đã tác dụng mạnh mẽ với clo kể cả khi không có cacbon theo các phản ứng sau: 2TiO + 2Cl2 = TiCl4 + TiO2 (8.10) Go 1000 K = -131 kcal; 2Ti2O3 + 2Cl2 = TiCl4 + 3TiO2 (8.11) Go 1000 K = -107 kcal; 2Ti3O5 + 2Cl2 = TiCl4 + 5TiO2 (8.12) Go 1000 K = -103 kcal;Khi có cacbon tham gia, đioxit titan tạo thành theo các phản ứng (8.10)(8.12) sẽ được clo hóa mãnh liệt hơn rutin.Ngoài titan oxit, khi clorua hóa các oxit tạp chất chứa trong nguyên liệu sẽ bị clorua hóa và tạo ra các clorua. Theo xu hướng clorua hóa, có thể sắp xếp các oxit theo trật tự sau đây:K2O > Na2O > CaO > (MnO, FeO, MgO) > TiO2 > Al2O3 > SiO2Lưu trình công nghệ nhận TiCl4 từ xỉ titan trong lò đứngChuẩn bị liệu clorua hóa trong lò đứngXỉ titan và cốc dầu mỏ đều qua xay nghiền đến cỡ hạt như sau: Xỉ titan: 80% qua sàng 0,1 mm; Cốc dầu mỏ: 80% qua sàng 0,15 mm.Chất dính có thể là pec dầu than đá, pec dầu mỏ, nước bã giấy. Tỷ lệ chất dính phụ thuộc vào thể loại chất dính và điều kiện đóng bánh. Liệu sau khi trộn, đóng bánh (chẳng hạn với kích thước 50 x 40 x 35 mm), được đem sấy ở 120oC và cốc hóa. Mục đích của sấy và cốc hóa là khử ẩm, khử chất bốc, tăng độ bền của bánh liệu Sơ đồ lò đứng clorua hóa vận hành liên tục Hình 8.4. Sơ đồ lò đứng clorua hóa vận hành liên tục1. Côn làm nguội bằng nước;2. Mắt gió cấp clo; 3. Ống góp clo;4. Thân lò clorua hóa;5. Vòm có nước làm nguội;6. Bunke; 7. Cấp liệu kiểu van trượt8. Hộp giảm tốc; 9. Động cơ điện;10. Thùng chứa bã; 11. Vít tháoClorua hóa trong lò đứngLò có dạng hình trụ tròn (đường kính trong 1,8 m; chiều cao 10 m). Theo chiều cao lò được chia thành 3 phần:Phần dưới cùng (có nhiệt độ dưới 700oC) chứa bã, gồm các oxit không được clorua hóa. Bã clorua hóa có thành phần như sau, %: 20-40 TiO2; 1,5-2,0 Fe2O3; 4-5 Al2O3; 8-15 SiO2; 0,5-0,7 CaO; 18-25 C. Phần dưới cùng của lò còn chứa các muối clorua có nhiệt độ sôi cao, thành phần chủ yếu của hỗn hợp muối nóng chảy này như sau,%: 66-68 CaCl2; 33-35 MgCl2; 1,5-2,0 FeCl2; 0,5-1,0 MnCl2.Phần giữa lò là vùng phản ứng clorua hóa, nhiệt độ vùng này có thể lên tới 1100oC do các quá trình tỏa nhiệt. Việc clorua hóa thường tiến hành ở 950-1000oC. Phía trên vùng clorua hóa là vùng nung nóng bánh liệu. Ở vùng này, bánh liệu được nung tới 700oC. Ở đây cũng xảy ra phản ứng trao đổi giữa TiCl4 với các oxit kim loại dễ clorua hóa. Kết quả là tạo ra CaCl2, MgCl2, FeCl3,Lò clorua hóa trong muối nóng chảy Hình 8.5. Lò clorua hóa trong muối nóng chảy 1. Ống dẫn khí; 2. Vòm lò; 3. Cực điện graphit; 4. Ống thép để dẫn nhiệt ra; 5. Vỏ lò clorua hóa; 6. Tường lò samôt; 7. Bunke chứa phối liệu; 8. Guồng xoắn cấp liệu; 9. Vách ngăn để tuần hoàn muối nóng chảy; 10. Mắt gió cấp liệu; 11 và 12. Điện cực graphit ở đáy; 13. Lỗ tháo muối nóng chảy Clorua hóa trong muối nóng chảyQuá trình công nghệ như sau: Nghiền xỉ titan tới độ hạt 0,13 + 0,08 mm, và cốc dầu mỏ tới 0,2 + 0,13 mm; nạp vào lò nhờ máy cấp liệu ruột xoắn. Thành phần của hỗn hợp muối này chủ yếu gồm, %: KCl 72-76; NaCl 14-16; MgCl2 4-6. Clo cho vào từ phía dưới lò, qua ống gió. Nhiệt độ clorua hóa 750-800oC. Chi phí clo: từ 40-60 m3/h trên 1 m3 dung dịch muối nóng chảy. Chiều cao lớp dung dịch muối nóng chảy: 3,0-3,2 m.Năng suất riêng của lò: > 10 t TiCl4/m2.ngày đêm.Trong quá trình clorua hóa, các clorua không bay hơi (MgCl2, CaCl2, FeCl2 và FeCl3 dưới dạng phức KFeCl3 và KFeCl4) sẽ tích lũy lại trong hỗn hợp muối nóng chảy. Định kỳ cần tháo một phần dung dịch đó và cho vào một lượng dung dịch muối nóng chảy mới.Khi clorua hóa trong muối nóng chảy, hàm lượng CO2 trong pha khí cao [CO2 : CO = (1020) : 1], chứng tỏ, trong muối nóng chảy tác dụng giữa khí CO2 với các hạt than cốc sẽ không thuận lợi.Sự có mặt của sắt clorua trong dung dịch muối nóng chảy sẽ làm tăng tốc độ clorua hóa: 4FeCl3- + 2Cl2  4FeCl4- (8.13) 4FeCl4- + TiO2 + 2CO  TiCl4 + 4FeCl3- + 2CO2 (8.14)Sơ đồ hệ thống ngưng tụ Hình 8.6. Sơ đồ hệ thống ngưng tụ (các đường đứt đoạn chỉ đường tuần hoàn chất tải nhiệt) 1- Các buồng thu bụi; 2- Thùng chứa clorua rắn; 3- Lọc túi vải; 4- Các thiết bị ngưng tụ; 5- Thiết bị làm lạnh bằng nước; 6- Bơm chìm; 7- Thiết bị làm lạnh đến –10oCThu bụi và ngưng tụHỗn hợp khí đi ra khỏi lò clorua hóa có thành phần phức tạp, gồm:Các chất khí (CO, CO2, Cl2, COCl2, N2, HCl);Các clorua có nhiệt độ sôi thấp và trong điều kiện bình thường ở thể lỏng (TiCl4, SiCl4, VOCl3);Các clorua có nhiệt độ sôi thấp và trong điều kiện bình thường ở thể rắn (FeCl3; AlCl3)Các clorua có nhiệt độ sôi cao (CaCl2, MgCl2, FeCl2, KCl, NaCl). Các clorua có nhiệt độ sôi cao bị dòng khí cuốn theo dưới dạng sương mù.Sơ đồ này bao gồm:Các buồng thu bụi để thu các clorua rắn; Lọc túi vải với các túi bằng vải thủy tinh để làm sạch thêm hỗn hợp khí-hơi nước khỏi các hạt bụi rắn; Hai thiết bị ngưng tụ, trong đó các clorua (TiCl4, SiCl4) được tưới bằng titan tetraclorua làm nguội, trong thiết bị ngưng tụ thứ hai, tetraclorua được làm nguội đến –10oC khi dùng để tưới. Sau đó, khi đi qua máy rửa, khí được tưới bằng nhũ vôi để thu một lượng khí clo, fosgen, hiđroclorua, rồi thải ra môi trường. Làm sạch TiCl4 kỹ thuậtHàm lượng tạp chất trong TiCl4 kỹ thuật dao động trong các phạm vi sau, % (theo khối lượng): Si 0,01-0,3; Al 0,01-0,1; Fe 0,01-0,02; V 0,01-0,3; TiOCl2 0,04-0,5; COCl2 0,005-0,15; Cl 0,003-0,08; S 0,01-0,08.Ngoài các tạp chất trên, trong titan clorua thường chứa các tạp chất clorua niobi, tatan, crom và các tạp chất hữu cơ, ví dụ, các axetylclorua (CCl3COCl, CH2ClCOCl), hexaclorobenzen C6Cl6 v.vViệc làm sạch TiCl4 khỏi phần lớn các tạp chất dựa vào nguyên tắc của phương pháp tinh cất (các clorua có nhiệt độ sôi khác nhau).Khử vanađiDùng bột đồng (hoặc bột nhôm) để hoàn nguyên VOCl3 đến VOCl2 ít hòa tan trong titan tetraclorua. Quá trình hoàn nguyên bằng bột đồng theo các phản ứng sau: Cu + TiCl4 = CuTiCl4 (8.15) CuTiCl4 + VOCl3 = VOCl2 + CuCl + TiCl4 (8.16)Kết tủa đồng – vanađi nhận được chứa, %: 6-8 Ti; 4-6 V; ~45 Cl; còn lại là oxi và các tạp chất khác. Do bột đồng có giá cao, để hoàn nguyên VOCl3, người ta sử dụng bột nhôm. Nhôm tác dụng với TiCl4 tạo ra TiCl3 và TiCl3 hoàn nguyên VOCl3: 3TiCl4 + Al = 3TiCl3 + AlCl3 (8.17) TiCl3 + VOCl3 = VOCl2 + TiCl4 (8.18)Ngoài ra còn xảy ra phản ứng: TiOCl2 + AlCl3 = AlOCl + TiCl4 (8.19)Kết tủa chứa VOCl2, TiCl3, AlCl3 được đưa đi thu hồi vanađi. Sơ đồ thiết bị làm sạch TiCl4 bằng tinh cất Hình 8.7. Sơ đồ thiết bị làm sạch TiCl4 bằng tinh cất 1. Thùng chứa titan clorua kỹ thuật; 2. Thiết bị nung nóng sơ bộ; 3. Cột tinh cất để tách clorua có nhiệt độ sôi thấp; 4. Nồi chưng bay hơi; 5.Dây nungcó vỏ bọc; 6. Thiết bị ngưng tụ hồi lưu; 7. Van điều chỉnh; 8. Bơm; 9. Nồi chưng bay hơi; 10. Dây nung hở; 11. Cột tinh cất để tách TiCl4; 12. Van phân phối; 13. Thùng chứa TiCl4 sạch. Quá trình tinh cấtGiai đoạn 1: Tách SiCl4 (có nhiệt độ sôi 58oC) và các tạp chất bay hơi khác (CCl4, CS2, SOCl2 v.v). Ở giai đoạn này giữ nhiệt độ hơi trên đỉnh cột bằng 132-135oC và áp suất dư 0,66-4 kPa. Nhiệt độ nồi chưng 140-150oC. Các khí không ngưng tụ (CO2, Cl2, N2, COCl2) từ thiết bị ngưng tụ hồi lưu được đưa qua cửa chắn nước vào hệ thống làm sạch khí. Sau khi tách SiCl4, trong nồi chưng còn lại TiCl4 và các tạp chất khó bay hơi.Giai đoạn 2: tách TiCl4 (có nhiệt độ sôi 136oC) khỏi các tạp chất còn lại. Ở giai đoạn này nhiệt độ trên đỉnh cột duy trì 134-136oC, nhiệt độ phần dưới cột 137-138oC. Phần cất là TiCl4 sạch. Các tạp chất có nhiệt độ sôi cao (TiOCl2, FeCl3, AlCl3, NbCl5) nằm lại trong bã nồi chưngSau hai giai đoạn tinh cất thu được TiCl4 sạch, có các tạp chất như sau, %: V 0,004; Si 0,006; Fe 0,004; Al 0,004 và O2 0,001-0,002. Hiệu suất thu hồi trong công đoạn này đạt 96%.Sản xuất TiO2 từ tinh quặng inmenit Phương pháp axit gồm 4 giai đoạn: Phân hủy tinh quặng bằng H2SO4; Khử sắt trong dung dịch; Thủy phân để tách axit metatitanic từ dung dịch; Nung axit metatitanic.Phân hủyCác phản ứng chủ yếu xảy ra khi phân hủy như sau: FeTiO3 + 3H2SO4 = Ti(SO4)2 + FeSO4 + 3H2O (8.20) FeTiO3 + 2H2SO4 = TiOSO4 + FeSO4 + 2H2O (8.21) Fe2O3 + 3H2SO4 = Fe2(SO4)3 + 3H2O (8.22)Trong sản xuất người ta dùng dầu Cuporos (92-94%) hoặc olêum (H2SO4 đậm đặc, chứa 20% SO3) để phân hủy tinh quặng inmenit Khử sắt trong dung dịchMuốn làm sạch dung dịch khỏi phần lớn tạp chất sắt, phải dùng phoi sắt để hoàn nguyên Fe3+ đến Fe2+ : Fe2(SO4)3 + Fe = 3FeSO4 (8.23)Khi toàn bộ Fe3+ đã hoàn nguyên thành Fe2+ thì dung dịch chuyển sang màu tím, tức là khi đó một phần Ti4+ đã bị hoàn nguyên đến Ti3+ : 2TiOSO4 + Fe + 2H2SO4 = Ti2(SO4)3 + FeSO4 + 2H2O (8.24)Phản ứng (8.23) chỉ tiến hành sau khi phản ứng (8.22) đã hoàn thành.Quá trình hoàn nguyên được kết thúc khi nồng độ Ti3+ trong dung dịch bằng 3-5 g/l. Sau đó cho kết tinh sunfat FeSO4.7H2O bằng cách làm lạnh dung dịch, ví dụ, đến –5oC Thủy phân Khi thuỷ phân TiOSO4 sẽ tạo ra axit metatitanic: TiOSO4 + 2H2O = H2TiO3 + H2SO4 Có thể thủy phân bằng cách pha loãng dung dịch hoặc bằng cách dùng mầm kết tinhAxit metatitanic được lọc trên máy lọc tang trống hoặc máy lọc chân không Nung H2TiO3Để tách H2O và SO3 khỏi tinh thể TiO2 cần nung ở 200-300oC (đối với nước) và ở 500-950oC (đối với SO3). Khi nung ở nhiệt độ dưới 950oC sẽ thu được TiO2 ở dạng rutinĐể sản xuất 1 tấn TiO2 cần: Tinh quặng inmenit 42% TiO2 3.1 tấn H2SO4 4,7 tấn Phoi sắt 0,24 tấnNhược điểm của phương pháp này là lưu trình phức tạp, giá thành cao do lượng chi H2SO4 lớn (dùng để hòa tan sắt trong inmenit). Sản xuất TiO2 từ TiCl4Phương pháp này dựa trên phản ứng: TiCl4 + O= = TiO= + 2Cl=, Go1100K = -19,5 kcal (8.26)Ở 900-1000oC, phản ứng xảy ra với tốc độ đủ lớn. Clo tạo thành được đưa trở lại quá trình clo hóa nguyên liệu titan.Người ta thực hiện phản ứng trong buồng phản ứng có đặt các mắt gió để thổi oxi và hơi titan tetraclorua đã được nung nóng trước đến 1000-1100oC. Sản xuất titan kim loại và tinh luyện titanHoàn nguyên TiCl4 bằng mage kim loạiQuá trình hoàn nguyên TiCl4 bằng mage tiến hành trong thiết bị kín, bằng thép, trong môi trường khí trơ (Ar, He) như sơ đồ hình 8.9.Sau khi toàn bộ mage nóng chảy và nhiệt độ đạt 740-760oC, bắt đầu truyền TiCl4 vào lò. Một số trường hợp truyền TiCl4 ở nhiệt độ 650-700oC. Khi đó phản ứng chủ yếu như sau: TiCl4 (h) + 2Mg(l)  Ti (r) + 2MgCl2 (l) (8.27)Trong quá trình hoàn nguyên, để đảm bảo titan có thành phần đồng đều, thường cho một lượng dư mage (hiệu suất sử dụng mage thường từ 75 đến 85%), cho vào từ từ và nhiệt độ hoàn nguyên thích hợp là 800 – 920oC. Nhiệt độ giới hạn để hoàn nguyên phải cao hơn nhiệt độ chảy của MgCl2 (714oC) và thấp hơn 975oC, vì trên 975oC titan phản ứng mạnh với sắt làm bẩn bọt titan và chóng hỏng nồi phản ứng.Thiết bị hoàn nguyênHình 8.9. Thiết bị hoàn nguyên1. Ống góp để cấp không khí thổi vào nồi lò;2. Tai treo lò; 3.Các mặt bích làm nguội bằng nước của nồi lò và nắp lò4. Thể xây của lò; 5. Ống nối với hệ thống chân không và đường truyền Ar;6. Ống rót mage lỏng; 7. Bộ phận cấp TiCl4;8. Nắp lò; 9. Nồi lò phản ứng; 10. Các cặp nhiệt để đo nhiệt độ thành và nắp của nồi lò;11. Thanh nung; 12. Giá đỡ hệ thống rót;13. Cửa van cát; 14. Kim van của hệ thống rót15. Đáy giảGia công sản phẩm của quá trình hoàn nguyênCó hai phương pháp làm sạch bọt titan: phương pháp hòa tách và phương pháp chưng cất chân không.Phương pháp hòa tách bao gồm các khâu sau: - Hòa tách sản phẩm (được lấy ra từ bình bằng khoan hay bằng đục khí nén) bằng dung dịch HCl 1% nhằm tách một lượng chủ yếu Mg và MgCl2; - Nghiền bọt titan trong máy nghiền bi và hoà tách bằng dung dịch HCl 10% ở 45oC để rửa phần Mg và MgCl2 còn lại; - Rửa bột titan bằng nước; - Sấy và tuyển từ tách sắt (lẫn vào khi khoan bọt titan).Phương pháp chưng cất chân không:Cơ sở của phương pháp này là khi nung một thời gian lâu ở độ chân không khoảng 0,013 Pa, Mg và MgCl2 bay hơi và ngưng tụ ở phần trên được làm nguội bằng nước. Như vậy tách được Mg và MgCl2 ra khỏi titan.Sơ đồ thiết bị phương pháp chưng cất chân không Hình 8.10. Sơ đồ thiết bị phương pháp chưng cất chân không (không lấy bọt titan ra khỏi bình hoàn nguyên):1. Lò điện; 2. Bọt titan;3. Nồi lò để hoàn nguyên4. Ống nối với hệ thống chân không5. Vòng lót cao su;6. Màn chắn;7. Thiết bị ngưng tụ làm nguội bằng nước8. Chất ngưng tụ (Mg và MgCl2)Hoàn nguyên TiCl4 bằng natriQuá trình này tiến hành ở 801-883oC. Phản ứng chủ yếu là tác dụng giữa hơi TiCl4 và natri lỏng: TiCl4 (h) + 4Na(l) = Ti(r) + 4NaCl(l) + 172,8 kcal (8.30)Vì ở 801oC áp suất hơi của natri khoảng 340 mmHg, cho nên một phần phản ứng sẽ tiến hành trong pha hơi trên bề mặt của natri lỏng. TiCl4 (h) + 4Na(h) = Ti(r) + 4NaCl(l) + 262 kcal (8.31)Dùng natri làm chất hoàn nguyên có các ưu điểm sau: 1) Nhiệt nóng chảy của natri thấp (to nóng chảy Na = 98oC) nên dễ vận chuyển trong ống và truyền vào bình phản ứng cùng với việc truyền TiCl4. 2) Phản ứng hoàn nguyên titan clorua tiến hành trong NaCl nóng chảy, trong đó hòa tan các titan clorua hóa trị thấp và natri kim loại. Điều đó cho phép tiến hành quá trình không dư chất hoàn nguyên và không phải tháo NaCl được tạo ra, do đó đơn giản về thiết bị và thao tác. 3) NaCl tạo ra không thủy phân. Hơn nữa, trong hỗn hợp phản ứng có một lượng không đáng kể natri kim loại, cho phép tách titan ra khỏi hỗn hợp phản ứng bằng cách dùng nước axit hóa nhẹ để rửa.Nhược điểm của phương pháp này: hiệu ứng nhiệt của phản ứng cao (lớn hơn khi dùng mage khoảng 70%), vì vậy phải có biện pháp lấy bớt nhiệt; thể tích của thiết bị hoàn nguyên lớn hơn và lượng NaCl tính cho 1 kg titan cũng lớn hơn so với trường hợp dùng mage, đồng thới phải nghiêm ngặt hơn về mặt bảo hiểm vì hoạt tính của natri cao hơn của mage.Điện phân tinh luyện titan và hợp kim cơ sở titanPhương pháp này dựa trên cơ sở điện phân tinh luyện cực dương hòa tan. Dùng chất điện phân là NaCl hoặc hỗn hợp KCl + NaCl. Nồng độ TiCl2, TiCl3 trong dung dịch điện phân khoảng 1,5-5%. Khi điện phân tinh luyện, titan ở cực dương chuyển vào dung dịch điện phân dưới dạng ion Ti2+ và một phần ở dạng Ti3+: Ti –2e  Ti2+ (8.32) Ti2+ -e  Ti3+ (8.33)Còn trên cực âm: Ti3+ + e  Ti2+ (8.34) Ti2+ + 2e  Ti (8.35)Cơ sở để tách các tạp chất ra khỏi titan là dựa vào sự khác nhau về thế điện cực của titan và một số nguyên tố thường gặp: Mn/Mn2+ -1,41; Zr/Zr2+ -1,36; Ti/Ti2+ -1,36; Al/Al3+ -1,24; V/V2+ -1,08; Cr/Cr3+ -0,97; Fe/Fe2+ -0,88; Mo/Mo3+ -0,65.Sơ đồ bể điện phântinh luyện titan Hình 8.11. Sơ đồ bể điện phân tinh luyện titan.1. Bunke thu; 2. Van kín;3. Xe rùa;4. Buồng catôt;5. Bunke nạp liệu;6. Dầm ngang;7. Dao để tách kết tủa;8. Thiết bị làm tơi liệu;9. Catôt;10. Nồi lò;11. Lò;12. Giỏ anôt;13. Vít để chuyển dịch catôt;14.Động cơ điệnTinh luyện titan bằng phương pháp iôtPhương pháp tinh luyện titan dựa trên cơ sở nhiệt phân hơi TiI4 trên sợi dây vonfram (hoặc titan) ở nhiệt độ 1300-1500oC và kết tinh titan trên sợi dây đó. Sơ đồ của quá trình như sau: Ti (thô) + 2I2 (hơi) 180 – 200 C TiI4 (hơi) 1300-1500 C Ti (sạch) + 2I2 (hơi) Các tạp chất oxi và nitơ được khử trong quá trình này là do titan nitrua và titan oxit không liên kết với iôt ở nhiệt độ nhận TiI4.Phần lớn các tạp chất kim loại không tạo thành các hợp chất iôt bay hơi cũng được khử.Quá trình gồm các giai đoạn sau: - Tác dụng của iôt với titan thô ở nhiệt độ thấp (180-200oC) để tạo ra TiI4; - Chuyển hơi TiI4 đến bề mặt sợi dây vonfram (hoặc titan) nung nóng; - Phân hủy TiI4 trên bề mặt sợi dây kim loại ở 1300-1500oC; - Chuyển hơi iôt từ sợi kim loại đến titan thô.