1.3.3 Производство титана.

Содержание титана в земной коре выше, чем содержание таких широко используемых металлов, как медь, свинец и цинк. Однако его относят к редким химическим элементам из-за трудности его выделения из природных соединений и распыленности (пригодные для промышленной разработки месторождения встречаются редко). Поэтому стоимость титана достаточно высока. Сырьем для получения титана являются титаномагнетитовые руды, из которых выделяют ильменитовый концентрат, содержащий 40 – 45% ТiO₂, примерно 30% FеО, 20 % Fе₂O₃ и 5–7% пустой породы.

Титан не токсичен, исключительно коррозионностоек, не окисляется на воздухе и в морской воде, не изменяется в большинстве агрессивных химических сред. Даже смесь азотной и соляной кислот, растворяющая золото, не растворяет титан. Он обладает высокой жаростойкостью и жаропрочностью (сохраняет высокие механические свойства при повышенной температуре), его температура плавления 1672°С. Титан лишь немного тяжелее алюминия (плотность 4500кг/м³), но в 3 раза прочнее.

Благодаря всем этим качествам титан является незаменимым материалом при производстве ракет, самолетов и подводных лодок.

Титан получают магнийтермическим способом, который состоит в следующем: титановые руды обогащают, из них выплавляют титановый шлак и получают четыреххлористый титан, а из него восстанавливают металлический титан магнием. Ильменитовый концентрат плавят в смеси с древесным углем в рудно-термических печах, где оксиды железа и титана восстанавливаются. Образующееся железо науглероживается, получается чугун, а низшие оксиды титана переходят в шлак. Чугун и шлак разливают отдельно в изложницы. Основной продукт данного процесса – титановый шлак (80–90% ТiO₂, 2–5% FeO и примеси: SiO₂, А1₂O₃, СаО и др.). Побочный продукт – чугун используют в металлургическом производстве.

Полученный титановый шлак подвергают хлорированию в специальных печах. Преимущество процесса хлорирования перед другими металлургическими процессами заключается в том, что получаемые при этом хлориды элементов имеют температуру плавления и кипения значительно ниже температур плавления и кипения окислов или других соединений соответствующих элементов. Это важное свойство хлоридов позволяет выделить те или иные полезные компоненты сырья при более низких температурах и с использованием более простых технологических приемов. При хлорировании в нижней части печи устанавливают угольную насадку, нагревающуюся при пропускании через нее электрического тока. В печь подают брикеты титанового шлака, а через фурмы внутрь печи – хлор. При температуре 800–1250°С в присутствии углерода образуется четыреххлористый титан, а также хлориды – CaCl₂, MgCl₂ и др. Четыреххлористый титан отделяется и очищается от остальных хлоридов благодаря разнице температур кипения хлоридов методом ректификации в специальных установках.

Титан из четыреххлористого титана восстанавливают в реакторах при температуре 950–1000°С. Для этого в реактор загружают чушковый магний, откачивают воздух, а вместо него в полость реактора закачивают аргон. Затем в реактор подают парообразный четыреххлористый титан. Между жидким магнием и четыреххлористым титаном происходит реакция:

2Mg + TiCl₄ = Ti + 2MgCl₂

Твердые частицы титана спекаются в пористую массу – губку, а жидкий МgС1₂ выпускают через летку реактора. Титановая губка содержит 35–40% магния и хлористого магния.

Для удаления из титановой губки этих примесей ее нагревают до температуры 900–950°С в условиях высокого разрежения. Титановую губку плавят методом вакуумно-дугового переплава. Вакуум в печи предохраняет титан от окисления и способствует очистке его от примесей. Полученные слитки титана имеют дефекты, поэтому их вторично переплавляют, используя как расходуемые электроды. После этого чистота титана составляет 99,6–99,7%. После вторичного переплава слитки обрабатывают давлением. Различают три марки технически чистого металла: ВТ1-00 (99,42% Тi), ВТ1-0 (99,32% Тi) и ВТ2 (98,25% Тi). Это технологический металл. Из него изготовляют различные полуфабрикаты. Он хорошо штампуется и сваривается. Титан применяется в качестве элемента, повышающего твердость алюминиевых сплавов, и модификатора, позволяющего получать мелкозернистую структуру металла.

Добавки титана повышают качество чугуна и стали. Отдельно или с другими химическими элементами титан применяется как раскислитель при производстве многих низколегированных и углеродистых сталей.

1.3.4 Производство магния. Среди промышленных металлов магний отличается наименьшей плотностью (1700кг/м³) и невысокой температурой плавле­ния (651°С). Эти свойства обусловливают применение магния в различных отраслях техники, главным образом в авиации. Однако низкие пластичность и прочность магния исключают возможность применения чистого магния как конструкционного материала. Сплавы же магния с другими цветными металлами (алюминием, цинком, марганцем) обладают достаточной прочностью при малой плотности.

Для производства магния используют электролитический способ, который заключается в получении чистых безводных солей магния (хлористого магния), их электролизе в расплавленном состоянии и рафинировании металлического магния.

Основным сырьем для получения магния являются карналлит (МgСl₂*КС1*6Н₂O), магнезит (МgСO₃), доломит (СаСO₃*МgСO₃), бишофит (МgС1₂*6Н₂O). Наибольшее количество магния получают из карналлита. Сначала карналлит обогащают и обезвоживают. Безводный карналлит (МgС1₂*КС1) ис­пользуют для приготовления электролита. Электролиз осуществляют в электролитических ваннах, футерованных шамотным кирпичом. Анодами служат графитовые пластины, а катодами – стальные пластины. Ванну заполняют расплавленным электролитом (10% МgС1₂, 45% СаС1₂, 30% NaС1, 15% КС1; небольшие добавки и СаF₂). Такой электролит необходим для понижения температуры плавления (720±10°С).

Для электролитического разложения хлористого магния через электролит пропускают ток. В результате образуются ионы хлора, которые движутся к аноду. Ионы магния движутся к катоду и после разряда выделяются на поверхности, образуя капельки жидкого чернового магния. Магний имеет меньшую плотность, чем электролит, поэтому он всплывает на поверхность, откуда его периодически удаляют вакуумным ковшом. Черновой магний содержит 5% примесей, поэтому его рафинируют переплавкой с флюсами. Для этого черновой магний и флюс, представляющий собой смесь хлористых солей щелочных и щелочно-земельных металлов, нагревают в электропечи до температуры 700 – 750°С и перемешивают. При этом неметаллические примеси переходят в шлак. Затем печь охлаждают до температуры 670°С и магний разливают в изложницы на чушки.

Контрольные вопросы:

1. Назовите свойства меди и расскажите о способах её производства.

2. Перечислите свойства алюминия и расскажите о способах его производства.

3. Как получают титан и магний?

4. Какие свойства титана и магния вы знаете?