Связь с другими металлами
Т
итан
занимает промежуточное положение между
двумя другими известнейшими конструкционными
материалами – алюминием и железом,
вернее говоря, сплавами железа. По многим
параметрам металл превосходит
«конкурентов»:
механическая прочность титана в 2 раза выше, чем у железа, и в 6 раз, чем у алюминия. При этом прочность при снижении температуры возрастает;
коррозийная стойкость намного выше, чем у железа и даже алюминия;
при нормальной температуре титан инертен. Однако при повышении до 250 С, начинает поглощать водород, что сказывается на свойствах. По химической активности он уступает магнию, но, увы, превосходит железо и алюминий;
металл намного слабее проводит электричество: его удельное электросопротивление выше, чем у железа 5 раз, выше, чем у алюминия в 20 раз, и выше, чем у магния в 10 раз;
теплопроводность также намного ниже: меньше, чем 1 железа в 3 раза, и меньше, чем у алюминия в 12 раз. Однако это свойство обуславливает очень низкий коэффициент температурного расширения.
Плюсы и минусы
На деле недостатков у титана множество. Но сочетание прочности и легкости настолько востребовано, что ни сложный способ изготовления, ни необходимость исключительной чистоты не останавливают потребителей металла.
К несомненным плюсам вещества относятся:
низкая плотность, что означает очень небольшой вес;
исключительная механическая прочность как самого металла титан, так и его сплавов. При повышении температуры титановые сплавы превосходят все сплавы алюминия и магния;
соотношение прочности и плотности – удельная прочность, достигает 30–35, что почти в 2 раза выше, чем у лучших конструкционных сталей;
на воздухе титан подлежит покрытию тонким слоем оксида, который и обеспечивает превосходную коррозийную стойкость.
Недостатков у металла тоже хватает:
стойкость к коррозии и инертность относится только к продукции с неактивной поверхностью. Титановая пыль или стружка, например, самовоспламеняются и сгорают с температурой в 400 С;
очень сложный способ получения металла титан обеспечивает очень высокую стоимость. Материал намного дороже железа, алюминия или меди;
способность впитывать атмосферные газы при повышении температуры требует применения при плавке и получении сплавов вакуумной аппаратуры, что тоже заметно увеличивает стоимость;
титан отличается плохими антифрикционными свойствами – на трение он не работает;
металл и его сплавы склонны к водородной коррозии, предотвратить которую сложно;
титан плохо поддается обработке резанием. Сварка его тоже затруднена из-за фазового перехода во время нагревания.
Производства титана
Технология получения
Процесс производства металла из ильменитовых руд состоит из нескольких стадий:
восстановительная плавка с целью получения титанового шлака;
хлорирование шлака;
производства металла восстановлением;
рафинирование титана – как правило, проводится с целью улучшения свойств продукта.
Процесс это сложный, многоэтапный и дорогостоящий. В результате достаточно доступный металл оказывается весьма дорогим в производстве.
Получение шлака
Ильменит является ассоциацией оксида титана с закисным железом. Поэтому целью первого этапа производства является отделение диоксида от оксидов железа. Для этого оксиды железа восстанавливают.
Процесс осуществляют в электродуговых печах. Ильменитовый концентрат загружают в печь, затем вводят восстановитель – древесный уголь, антрацит, кокс, и прогревают до 1650 С. При этом железо восстанавливается из оксида. Из восстановленного и науглероживающегося железа получают чугун, а оксид титана переходит в шлак. Последний в итоге содержит 82–90% титана.
Чугун и шлак разливают по отдельным изложницам. Чугун используют в металлургическом производстве.
Хлорирование шлака
Целью процесса является получение тетрахлорида металла, для дальнейшего применения. Непосредственно хлорировать ильменитовый концентрат оказывается невозможным, из-за образования большого количества хлорного железа – соединение очень быстро разрушает оборудование. Поэтому без стадии предварительного удаления оксида железа обойтись нельзя. Хлорирование проводится в шахтных или солевых хлораторах. Процесс несколько отличается
Шахтный хлоратор – футерованное цилиндрическое сооружение высотой до 10 м и диаметром до 2 м. Сверху в хлоратор укладывают брикеты из измельченного шлака, а через фурмы подают газ магниевых электролизеров, содержащий 65–70% хлора. Реакция между титановых шлаком и хлором происходит с выделением тепла, что обеспечивает требуемый для процесса температурный режим. Газообразный тетрахлорид титана отводят через верх, а остатки шлака непрерывно удаляют снизу.
Солевой хлоратор, камера, футерованная шамотом и наполовину заполненная электролитом магниевых электролизеров – отработанным. В расплаве содержаться хлориды металлов – натрия, калия, магния и кальция. В расплав сверху подают измельченный титановый шлак и кокс, снизу вдувают хлор. Поскольку реакция хлорирования экзотермична, температурный режим поддерживается самим процессом.
Тетрахлорид титана очищают, причем несколько раз. Газ может содержать углекислый газ, угарный газ, другие примеси, так что очистка производится в несколько этапов.
Отработанный электролит периодически заменяют.
Получение металла
Металл восстанавливают из тетрахлорида магнием или натрием. Восстановление происходит с выделением тепла, что позволяет проводить реакцию без дополнительного обогрева.
Для восстановления используют электрические печи сопротивления. Сначала в камеру помещают герметичную колбу из хромо-никелевых сплавов высотой в 2–3 м. После того как емкость прогреют до +750 С, в нее вводят магний. А затем подают тетрахлорид титана. Подача регулируется.
1 цикл восстановления длится 30–50 ч, чтобы температура не повышалась выше 800–900 С, реторту обдувают воздухом. В итоге получают от 1 до 4 тонн губчатой массы – металл осаждается в виде крошек, которые спекаются в пористую массу. Жидкий хлорид магния периодически сливают.
Пористая масса впитывает довольно много хлорида магния. Поэтому после восстановления осуществляют вакуумную отгонку. Для этого реторту прогревают до 1000 С, создают в ней вакуум и выдерживают 30–50 часов. За это время примеси испаряются.
Восстановление натрием протекает почти таким же образом. Разница наличествует только в последнем этапе. Чтобы удалить примеси хлорида натрия, титановую губку измельчают и выщелачивают из нее соль обычной водой.
Рафинирование
Полученный описанным выше образом технический титан вполне годится для производства оборудования и емкостей для химической промышленности. Однако для областей, где требуется высокая жаростойкость и однородность свойств, металл не годится. В этом случае прибегают к рафинированию.
Рафинирование производится в термостате, где поддерживается температура в 100–200 С. В камеру помещают реторту с титановой губкой, а затем с помощью специального устройства в закрытой камере разбивают капсулу с йодом. Йод реагирует с металлом, образуя йодид титана.
В реторте натянуты титановые проволоки, по которым пропускают электрический ток. Проволока раскаляется до 1300–1400 С, полученный йодид разлагается на проволоке, формируя кристаллы чистейшего титана. Йод освобождается, вступает в реакцию. С новой порцией титановой губки и процесс продолжается, пока не исчерпается металл. Получение останавливают, когда благодаря наращиванию титана диаметр проволоки становится равным 25–30 мм. В одном таком аппарате можно получить 10 кг металла с долей в 99,9–99,99%.
Если необходимо получить ковкий металл в слитках, поступают иначе. Для этого титановую губку переплавляют в вакуумной дуговой печи, поскольку металл при высокой температуре активно впитывает газы. Расходуемый электрод получают из титановых отходов и губки. Жидкий металл затвердевает в аппарате в кристаллизаторе, охлаждаемом водой.
Плавку, как правило, повторяют дважды, чтобы улучшить качество слитков.
Цена титана за 1 кг очень высока: в зависимости от степени чистоты металл стоит от 25 до 40 $ за 1 кг. С другой стороны, корпус кислотоупорного аппарата из нержавеющей стали обойдется в 150 р. и прослужит не более 6 месяцев. Титановый будет стоить около 600 р, но эксплуатируется в течение 10 лет.