Công nghệ luyện tái sinh kim loại

Cơ sở lý thuyết – lưu trình công nghệ tổng quát Sten đồng là hợp kim của các sunfua kim loại, trong đó chủ yếu (chiếm 8090%) là Cu2S và FeS. Hàm lượng trung bình của lưu huỳnh trong stên đồng là 2426% S. Nó nóng chảy ở 9001050oC và có trọng lượng riêng trung bình là 5. Hàm lượng trung bình của đồng trong stên là 3040% Cu. Hàm lượng lớn nhất là 79,9% Cu (ứng với 100% Cu2S trong sten đồng). Sten đồng có một đặc tính rất qúy là có khả năng hồ tan tốt các kim loại qúy và hiếm.

LUYỆN VÀ TÁI SINH ĐỒNG

Cu5FeS4/Cu3FeS3

Cu2S CuS CuCO3.Cu(OH)22CuCO3.Cu(OH)2

Cu2O CuO CuSiO3.2H2O

Cu

34,6 55,5-69,7 79,9 68,5 57,4 55,1 88,8 79,9 36,2 99,9

4,2 4,9-5,4 5,5-5,8 4,6 3,9 3,7-3,8 5,8-6,1 5,8-6,3 2,0-2,2

~8,9

Phương pháp hoả luyện sản xuất đồng

thô

1 Cơ sở lý thuyết – lưu trình công nghệ tổng quát

2 Sten đồng là hợp kim của các sunfua kim loại, trong

đó chủ yếu (chiếm 80-90%) là Cu2S và FeS Hàm

lượng trung bình của lưu huỳnh trong stên đồng là 24-26% S Nó nóng chảy ở 900-1050oC và có trọng lượng riêng trung bình là 5 Hàm lượng trung bình của đồng trong stên là 30-40% Cu Hàm lượng lớn

nhất là 79,9% Cu (ứng với 100% Cu2S trong sten

đồng) Sten đồng có một đặc tính rất qúy là có khả

năng hồ tan tốt các kim loại qúy và hiếm.

 Nguyên lý hỏa luyện:

 - Do ái lực hố học của đồng với lưu huỳnh lớn hơn ái lực hố học

của sắt với lưu huỳnh nên lưu huỳnh ưu tiên kết hợp với đồng để tồn tại bền vững ở dạng Cu2S.

 - Do ái lực hố học của sắt với oxi lớn hơn của đồng với oxi mà oxi

ưu tiên kết hợp với sắt để tồn tại bền vững ở dạng FeO.

 - FeO kết hợp với SiO2 tạo nên thành phần cơ bản của xỉ lỏng ở

dạng fai-alit 2FeO.SiO2.

 - Cu2S và FeS có khả năng tạo hợp kim lỏng đồng nhất (stên

đồng).

 - Tỷ trọng của stên đồng (~5) lớn hơn tỷ trọng cuả xỉ (~3) và

chúng không hồ tan vào nhau.

 - Stên đồng có khả năng hồ tan tốt các kim loại qúy, hiếm.

 - Cu2S tác dụng với Cu2O cho ra đồng kim loại:

 Cu2S + 2Cu2O = 6Cu + SO2 (2.1)

5

2 Thiêu oxi hóa tinh quặng đồng

Mục đích của quá trình thiêu oxi hố tinh quặng đồng

thuộc vào thành phần nguyên liệu và phương pháp

thiêu khác nhau, hiệu suất khử lưu dao động từ

15-20% đến 50-70%.

- Biến đổi phần lớn FeS thành FeO để chuẩn bị cho sự tạo xỉ trong lò luyện ra stên đồng về sau.

- Khử bớt các tạp chất dễ bay hơi như Cd, As, Sb.

- Trộn đảo liệu, sấy khô, nung nóng, làm tăng tương đối hàm lượng đồng và làm nhỏ hạt liệu.

 Thiêu oxi hóa tinh quặng đồng được thực hiện ở nhiệt độ

750900oC Trong khoảng nhiệt độ này, sự oxi hóa sunfua chủ yếu tạo thành các oxit

 Quá trình cháy sunfua được biểu thị bằng phương trình có dạng

tổng quát sau:

 2 MeS + 3O2 = 2MeO + 2SO2 + Q (2.2)

 Trong đó, Q là hệ số tỏa nhiệt của phản ứng

 Ở nhiệt độ thấp hơn 600650oC, sunfat được tạo thành:

 MeS + 2O2 = MeSO4 (2.3)

 Không nên để tạo thành sunfat trước khi luyện sten đồng, do việc

này làm giảm hiệu suất khử lưu.

 Khi nhiêt độ cao hơn giới hạn trên (900oC), có thể các sunfua

riêng biệt và cùng tinh dễ nóng chảy nhất của chúng bắt đầu nóng chảy, dẫn đến thiêu kết phần liệu nhỏ vụn Trong khi thiêu oxi

hóa, không nên để xảy ra thiêu kết.

 Quá trình thiêu gồm các giai đoạn chủ yếu sau: Nung nóng và sấy liệu, phân ly

nhiêt của các sunfua hóa trị cao, bốc cháy và cháy các sunfua.

 Nung nóng liệu kèm theo thốt hơi ẩm và xảy ra nhờ truyền nhiệt từ khí nóng

cũng như nhờ nhiệt tỏa ra của các phản ứng oxi hóa Sau khi nung nóng liệu đến nhiệt độ gần 350400oC, hầu như bắt đầu xảy ra đồng thời các quá trình phân ly nhiệt của các khống vật sunfua và sự bốc cháy của chúng.

 Phân ly nhiệt chỉ xảy ra đối với các sunfua hóa trị cao theo các phản ứng sau:

 Khi pirit phân ly nhiệt, một nửa số lượng nguyên tử lưu huỳnh đi vào pha khí,

tức là hiệu suất khử lưu của pirit do phân ly nhiệt vào khoảng 50% Hiệu suất khử lưu do phân ly nhiệt của cancopirit và covelin tương ứng 25 và 50%.

 Tất cả các phản ứng phân ly nhiệt đều thu nhiệt và đòi hỏi cung cấp nhiệt để

phản ứng xảy ra.

 Trong quá trình thiêu oxi hóa cũng có thể phân ly một phần cacbonat, ví dụ:

 Sự oxi hóa các sunfua bắt đầu từ sự bốc cháy của chúng Nhiệt độ

bốc cháy của các sunfua kim loại là nhiệt độ mà khi đạt tới đó,

phản ứng oxi hố các sunfua các kim loại xảy ra mãnh liệt và nhiệt lượng phát ra đủ để làm cho quá trình oxi hố tự phát và lan rộng trong tồn bộ khối liệu.

 Nhieät độ bốc cháy của từng sunfua phụ thuộc vào tính chất hóa

lý của chúng và độ hạt Các sunfua dễ bốc cháy nhất là pirit,

cancopirit và cancodin, với độ hạt gần 0,1 mm, chúng bắt đầu

cháy ở nhiệt độ tương ứng: 325, 360, 430oC.

 Nhiều sunfua, ví dụ như pirit và cancopirit có thể bắt đầu oxi hóa

ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ bắt đầu phân ly nhiệt Môi trường oxi hóa mạnh trong các lò thiêu và nhiệt độ đủ để các sunfua bốc cháy tạo điều kiện để thực hiện việc oxi hóa này.

 Khi thiêu oxi hóa tinh quặng đồng, chủ yếu là các sunfua sắt oxi

hóa Nguyên nhân la do ái lực của sắt với oxi lớn hơn so với đồng

và ái lực của sắt với lưu huỳnh nhỏ hơn so với đồng.

 Các phản ứng chủ yếu của thiêu oxi hóa tinh quặng đồng là:

 2FeS + 3,5O2 = Fe2O3 + 2SO2 + 921000 kJ (2.9)

 2FeS2 + 5,5O2 = Fe2O3 + 4SO2 + 1655000 kJ (2.10)

 Khi thiêu cũng có thể oxi hóa sunfua đồng theo phản ứng:

 Cu2S + 1½O2 = 2Cu2O + SO2 + 38435 kJ (2.12)

 Nhưng do ái lực của đồng với lưu huỳnh lớn, đồng được sunfua hóa trở lại theo

phản ứng trao đổi sau:

 Cu2O + FeS = Cu2S + FeO + 168060 kJ (2.13)

 Cu2O hầu như không có trong quặng đồng thiêu.

 Tất cả phản ứng oxi hóa sunfua và nguyên tố lưu huỳnh là các phản ứng tỏa

nhiệt Nhiệt tỏa ra trong điều kiện thiêu tinh quặng đồng thường cao hơn so với nhiệt cần để tự xảy ra quá trình thiêu, đó là quá trình tự sinh điển hình.

 Sản phẩm thiêu oxi hóa tinh quặng đồng là quặng thiêu, các chất khí và bụi.

 Thành phần khống vật của quặng thiêu sẽ khác xa so với thành phần tinh quặng

ban đầu Quặng thiêu thu được đặc trưng bởi sự có mặt của các oxit cùng với các sunfua và hầu như không còn các sunfua hóa trị cao

Các quá trình luyện ra sten đồng

1.Luyện sten đồng trong lò phản xạ

Mục đích của phương pháp lò phản xạ luyện ra đồng sten là biến đổi và giữ đồng ở dạng đồng (I) sunfua (Cu2S) nhờ tương tác của đồng oxit với sắt sunfua Ơû nồi

lò sẽ tạo ra 2 lớp lỏng: lớp dưới là sten, tập trung Cu2S; còn lớp trên là xỉ; tập trung FeO và đất đá tạp.

Cơ chế luyện sten đồng trong lò phản xạ như sau.Quá trình nung nóng liệu trên bề mặt của dốc liệu bởi nhiệt bức xạ từ ngọn lửa, kèm theo sấy liệu và phân ly nhiệt của các các sunfua hóa trị cao và các hợp chất không ổn định khác Theo mức

độ nung nóng lớp bề mặt của dốc liệu, các thành phần liệu dễ chảy bắt đầu nóng chảy – đó là các cùng tinh sunfua và oxit Thể nóng chảy hình thành đầu tiên chảy theo bề mặt dốc liệu, hòa tan các thành phần khó chảy nhất và chảy lên bề mặt xỉ lỏng Từ thời điểm này, bắt đầu việc phân tách các pha xỉ và sten; các giọt lỏng của pha oxit hòa tan vào xỉ luôn có sẵn trong lò, còn các giọt sten đi qua lớp

xỉ tạo thành một lớp riêng ở phần bên dưới của bể chứa.

• Hình 2.3 Sơ đồ luyện sten đồng trong lò phản xạ với sự tạo thành

dốc liệu

• 1- Liệu; 2- Ngọn lửa tạo thành khi đốt cháy nhiên liệu; 3- Dốc

liệu; 4- Vùng nóng chảy; 5- Xỉ lỏng; 6- Sten

• Các mũi tên chỉ hướng bức xạ nhiệt, các đường đứt quãng chỉ

chuyển động của các pha nóng chảy

 Cơ chế hóa học của quá trình luyện sten đồng từ tinh quặng sấy và thiêu cũng khác nhau

 Khi nấu luyện tinh quặng sống, các quá trình hóa học chủ yếu là phân ly các sunfua hóa trị cao và tương tác giữa sắt sunfua và macnetit (Fe3O4) được đưa vào lò từ xỉ lò chuyển quay vòng, theo phản ứng:

 FeS + 3Fe3O4 + 5SiO2 = 5(2FeO.SiO2) + SO2 (2.14)

 Trong trường hợp này, hiệu suất khử lưu vào khoảng 45-55%.

 Cơ chế hóa học của luyện sten từ quặng thiêu, do sự phân ly của các sunfua hóa trị cao hầu như kết thúc khi thiêu, nên tương tác hóa học giữa oxit và sunfua là chủ yếu Trong quá trình luyện này, xảy ra các phản ứng chủ yếu sau:

 Cu2O + FeS = Cu2S + FeO (2.15)

 10Fe2O3 + FeS = 7Fe3O4 + SO2 (2.16)

 và cả tương tác giữa FeS và Fe3O4 khi có mặt silic oxit.

 Hiệu suất khử lưu khi nấu luyện tinh quặng thiêu của đồng không vượt quá 2025%.

 Các kim loại qúy (Au, Ag) hồ tan tốt vào stên đồng và hồ tan rất ít vào xỉ.

 Trợ dung cho lò phản xạ thường là khống có chứa vàng, bạc như quặng vàng nghèo, tinh quặng vàng hoặc những nguyên liệu chứa vàng khó xử lý riêng.

 Steân đồng của lò phản xạ chứa 80-90% Cu2S và FeS; còn lại là các sunfua kim loại tạp, macnetit Người ta không muốn tạo ra stên giàu, vì khi đó mất mát đồng vào xỉ do các

nguyên nhân cơ học và vật lý sẽ tăng lên Trong thực tế, phẩm vị trung bình của stên đồng

là 20-35% Cu

 Xỉ lò phản xạ được đặc trưng bởi hàm lượng của 3 cấu tử chính là SiO2, FeO và CaO

Chúng chiếm khoảng 80-85% khối lượng xỉ Trong xỉ thường còn chứa Al2O3 (5-15%) và các oxit khác như MgO, BaO, ZnO …

Lò phản xạ luyện sten đồng

16

• 2 Luyện stên đồng trong lò điện

• Lò điện ở đây làm việc theo nguyên tắc hồ quang trực tiếp Thực chất của nó là các lò có

cực điện cắm sâu vào lớp xỉ dày, có điện trở lớn, để biến dòng điện thành nhiệt năng theo hiệu ứng Joule.

• Về cơ bản, phương pháp lò điện cũng giống lò phản xạ luyện stên đồng Do dùng điện năng thay nhiên liệu phương pháp lò điện có nhiều ưu điểm về năng suất, chất lượng sản phẩm, khả năng xử lý vật liệu khó chảy và nhiều chỉ tiêu kỹ thuật khác.

• Những đặc điểm về biến đổi hố lý của lò điện so với lò phản xạ:

• - Trong lò phản xạ, xỉ chỉ tác dụng tương hỗ với liệu ở lòng lò sau khi đã nóng chảy từ

dốc liệu Còn trong lò điện, vai trò của xỉ vừa làm nóng chảy liệu vừa phản ứng với liệu ngay trong lớp liệu nằm sát điện cực.

• -Vì không cần thổi gió đốt cháy nhiên liệu nên lượng khí lò rất ít, nhiệt độ khí thấp

(600-800oC) Trên bề mặt xỉ lại có lớp vỏ bảo vệ nên tác dụng của khí lò trực tiếp với liệu

không đáng kể Biến đổi hố học xảy ra chủ yếu giữa pha rắn và lỏng, giữa xỉ và liệu Đặc biệt do tốc độ vận động của xỉ lớn nên phản ứng xảy ra nhanh, sản phẩm được hình

thành trong khoảnh khắc ngắn.

• - Do khả năng về nhiệt lớn và do có sự vận động đối lưu mạnh của xỉ dưới tác dụng của

điện trường, lò điện có khả năng xử lý liệu lò khó chảy hơn, chứa nhiều MgO, Al2O3, Fe3O4.

• - Do tầng xỉ dày, lớp xỉ dưới nằm im và tháo xỉ từ giữa lớp xỉ nên sự phân tách stên và xỉ xảy ra hồn tồn hơn.

• - Dốc liệu dễ bị sụp lở xuống lòng lò Khi ấy, nếu trong liệu có nhiều nước ẩm sẽ gây nổ

ngay Vì vậy yêu cầu đối với liệu lò điện là phải có độ ẩm nhỏ, không vượt quá 1-2% và dốc liệu không được chất vào quá cao.

• Hình Sơ đồ lò điện nấu luyện stên đồng

• 3 Luyện sten đồng trong lò đứng.

• Về nguyên tắc hoạt động, nó tương tự như lò đứng

luyện gang (lò cao), lò đứng luyện chì, kẽm Đó là một không gian thẳng đứng với chiều cao nhất định chứa đầy tinh quặng dạng cục, trợ dung và than cốc Ở phần dưới của lò, không khí được thổi vào qua các mắt gió Sản phẩm gồm sten và xỉ lỏng được tháo ra liên tục từ nồi lò vào một bể lắng (lò tiền).

• Người ta phân biệt hai dạng lò đứng chủ yếu:

• luyện hồn nguyên để xử lý quặng oxit và nguyên liệu

thứ sinh

• luyện oxi hóa đối với quặng và tinh quặng sunfua

Luyện oxi hóa lại được phân ra: luyện pirit, bán pirit và đồng-lưu huỳnh

• Hình Sơ đồ lò đứng (quạt gió) nấu luyện stên đồng

• 4 Thổi luyện stên đồng thành đồng thô

• Cô sở lý thuyết

• Mục đích chính của quá trình thổi luyện là thu được

đồng thô nhờ sự oxi hóa sắt, lưu huỳnh và vài thành

phần cộng sinh Các kim loại qúy hầu như nằm lại

trong đồng thô hồn tồn, còn selen và telu nằm lại một phần trong đồng thô Do sự tỏa nhiệt của phần lớn các phản ứng, quá trình thổi luyện không đòi hỏi cung cấp thêm nhiên liệu, đó cũng là quá trình tự sinh điển hình.

• Cơ sở lý thuyết của quá trình này là sự oxi hố sunfua

kim loại mà thực chất là tương quan về ái lực hố học giữa các kim loại với lưu huỳnh và với oxi.

 Giai đoạn 1 – tuyển chọn khối lượng sunfua Trong giai đoạn này, chủ yếu xảy ra quá trình oxi hóa sắt sunfua và đưa các oxit sắt được tạo thành vào xỉ Trong giai đoạn 1, sự oxi hóa các sắt sunfua chiếm ưu thế là do ái lực của sắt với oxi cao hơn so với đồng

 Không khí được thổi qua mắt gió, khuấy trộn mạnh stên lỏng Trên bề mặt các bọt khí xảy

ra các phản ứng oxi hố các sunfua:

 2FeS + 3O2 = 2FeO + 2SO2 + 937340 kJ (2.18)

 2Cu2S + 3O2 = 2Cu2O + 2SO2 + 776651 kJ (2.19)

 Nhưng ngay sau đó, Cu2O lại tác dụng với FeS để trở lại Cu2S Sản phẩm oxi hố sẽ tạo xỉ với thạch anh (trợ dung của lò thổi):

 2FeO + SiO2 = 2FeO.SiO2 + 92950 kJ (2.20)

 và phản ứng tổng quát của giai đoạn 1 sẽ là;

 2FeS + 3O2 + SiO2 = 2FeO.SiO2 + 2SO2 + 1030290kJ (2.21)

 Nếu thiếu thạch anh thì FeO bị oxi hố thành Fe3O4 Mặt khác, trong sten đồng luôn có chứa một lượng Fe3O4 Macnetit này đi vào xỉ, làm tăng độ sệt của xỉ lò thổi và tăng mất mát đồng vào đó Để hồn nguyên tốt macnetit này, cần cung cấp đủ và đều đặn thạch anh

và giữ nhiệt độ cao để tiến hành phản ứng:

 3Fe3O4 + FeS + 5SiO2 = 5(2FeO.SiO2) + SO2 (2.22)

 Nhiệt độ của lò thổi ở giai đoạn 1 là 1200oC Stên đồng được đưa vào lò ở dạng lỏng với nhiệt độ 1100-1200oC Do các phản ứng oxi hố phát nhiệt nên ở giai đoạn này có nguy cơ quá nóng, nhất là khi xử lý stên nghèo chứa nhiều FeS Để chống quá nóng, người ta có thể ngừng thổi một thời gian, hoặc cho thêm liệu nguội (stên rắn, đồng vụn, ñôi khi dùng

cả tinh quặng đồng).

 Sản phẩm của giai đoạn 1 là khối sunfua giàu đồng (~78%) được gọi là “sten trắng”, xỉ thổi luyện và các khí chứa lưu huỳnh.

 Giai đoạn 2 – Thu được đồng thô nhờ oxi hóa đồng sunfua theo

phản ứng tổng quát: Cu2S + O2 = 2Cu + SO2 + 215000kJ– được thực hiện liên tục trong 2-3 giờ mà không nạp thêm liệu rắn hay liệu quay vòng nào, chỉ thổi không khí

 Giai đoạn này bắt đầu khi trong lò thổi tồn bộ FeS đã bị oxi hố

 Những phản ứng cơ bản của giai đoạn 2 là phản ứng oxi hố Cu2S

bởi O2 của không khí

 2Cu2S + 3O2 = 2Cu2O + 2SO2 + 776651 kJ

 và phản ứng tương hỗ hồn nguyên giữa Cu2O và Cu2S

 2FeS + 3O2 + SiO2 = 2FeO.SiO2 + 2SO2 + 1030290kJ

 Phản ứng tổng quát của giai đoạn 2 như trên

 Nhiệt độ yêu cầu của lò giai đoạn 2 là ~1250oC Giai đoạn này có

nguy cơ quá nguội do hiệu ứng phát nhiệt yếu hơn giai đoạn 1 Để chống quá nguội phải cho thêm stên đồng lỏng, tăng cường gió thổi vào lò và giảm lượng trợ dung nguội.

• Hình 2.7 Lò chuyển dạng hình trụ nằm ngang

• 1- Động cơ điện; 2- Hộp số; 3- Vành bánh răng; 4- Vành đai tựa;

5- Oáng góp gió; 6- Van bi; 7- Oáng thổi gió; 8- Cửa lò.

LUYỆN TITAN

Khống vật và tinh quặng titan

• Làm giàu quặng inmenit sa khống:

• Tuyển trọng lực để thu hồi các khống 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, cĩ thể tách manhetit khỏi inmenit, tách inmenit khỏi rutin.

Khoáng vật Công thức

hóa học Hàm lượng TiO2, % Tỷ trọng, g/cm3

Rutin (biến thể

90 -95

52,66 58,7 38,8

4,18 – 4,28

4,56 – 5,21 3,95-4,04 3,4 - 3,56

Thành phần hóa học một số loại tinh

12,0 13,8

-1,8 Fe toång 33,2 32,9

2,0 1,33 3,50

1,17 1,47 2,75

0,27 -

-

0,60 2,80

-0,22 Veát 0,77

0,11 0,88 0,25

2,5 -

-

Sản phẩm chế biến từ tinh quặng titan

 Titan clorua (TiCl4): là loại chất lỏng trong suốt, không màu (hay có màu vàng nhạt), để sản xuất titan kim loại và titan oxit

 Titan oxit (TiO2):

 Các loại sắc tố titan chứa từ 94 đến 98,5% TiO2 và các tạp chất oxit (ZnO,

Al2O3, SiO2, ñôi khi Sb2O3), có cấu trúc và tính chất hố 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 inmenit

Nấu hồn nguyên inmenit

(luyện xỉ titan)

• Hồn 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

• 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]

• Ngồi 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

TiCl4

• Quá 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)

2

7 1000

1000

2

2 4

10 24 , 2

65 , 6 1000 567 , 4

30400 3

, 2 lg

Cl

O TiCl K

o K

P

P P K

RT

G K

P

P K

2

4 O

P =

Cơ sở lý thuyết của quá trình sản xuất TiCl4

khi có cacbon tham gia

• Trong 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

• Ngồi phản ứng (8.6), để tính thành phần pha khí cân bằng, cần tính đến phản ứng hóa khí:

P

K =

1 , 0

2 2

4 / 2

= +

+ + +

+ +

=

COCl CO

CO Cl TiCl

COCl CO

CO TiCl

P P P P P

P P

P P

Bảng 8.3 Thành phần cân bằng pha khí khi

clorua hóa TiO2 (có mặt cacbon)

0,0372 0,0193 0,0059 0,0015

0,0457 0,0397 0,0353 0,0336

Cơ sở lý thuyết của quá trình sản xuất TiCl4

• 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.

• Ngồi 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 > SiO2

Lưu trình công nghệ nhận TiCl4 từ xỉ

titan trong lò đứng

Chuẩn bị liệu clorua hóa

• 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 tục

1 Côn làm nguội bằng nước;

Clorua hóa trong lò đứng

 Lò có dạng hình trụ tròn (đường kính trong 1,8 m; chiều cao 10 m)

 Theo chiều cao lò được chia thành 3 phần:

 Phaàn 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 hồn muối nóng chảy; 10 Mắt gió cấp liệu; 11 và 12 Điện cực graphit ở đáy; 13 Lỗ tháo muối nóng chảy