79
1 – катодные угольные блоки;
2 – огнеупорная футеровка;
3 – стальной кожух; 4 – угольные плиты; 5 – жидкий алюминий; 6 – металлические стержни с шинами; 7 – угольный анод; 8 – глинозем; 9 – жидкий электролит (раствор глинозема в расплаве криолита); 10 – корка затвердевшего электролита; 11 – катодная токоподводящая шина; 12 –
Рис. 3.11. Схема электролизера фундамент для производства алюминия
3. Электролитическое рафинирование, аналогичное рафинированию меди, где анодом являются алюминиевые блоки. Алюминий всех марок содержит более 99% алюминия.
Состояние отрасли. Алюминиевая промышленность является одной из немногих отраслей, которые восстановили и перешагнули уровень дореформенного выпуска продукции (рис. 3.12) – в 2007 г. выпуск алюминия превысил дореформенный уровень более чем на 30%. Сдерживающим фактором увеличения выпуска алюминия можно считать недостаток освоенных месторождений алюминиевых руд и получения высококачественных концентратов. Успешное развитие отрасли можно объяснить двумя факторами – своевременной переориентацией отрасли на внешний рынок и сложившимся дешевым относительно мировых цен уровнем стоимости электроэнергии. На экспорт поступает, в основном, первичный, не прошедший обработку алюминий – в 2007 г. экспорт необработанного алюминия составил 3352 тыс. т (более 90% выпуска).
3.3.4. Титан: свойства и применение. Титан – серебри-
сто-белый металл. Его коррозийная стойкость выше нержавеющей стали за счет оксидной пленки (аналогично алюминию). Абсолютно стоек в морской воде и атмосферных условиях, во многих кислотах, но реагирует с плавиковой кислотой. Легкий металл, тугоплавкий, высоко пластичен, хорошо обрабатывается давле-
нием, плохо резанием, обладает высокой прочностью.
80
Рис. 3.12. Динамика производства, экспорта и внутреннего потребления алюминия, тыс. т. в 1990-2007 гг.
см. Аосновы отр техн сбор 2010а граф
81
Сочетание высокой механической прочности, немагнитности и коррозионной стойкости при достаточной технологичности делают титан и его сплавы весьма ценными для применения в ряде областей техники и медицины. Например, в авиационной промышленности из них изготовляют обшивки самолетов и многие детали компрессоров; в судостроении – обшивку судна, теплообменники, гребные винты; в химическом и нефтяном машиностроении – резервуары, фильтры, теплообменники, трубопроводы.
Большое значение титановые сплавы приобретают в космическом аппаратостроении, судо- и кораблестроении, в энергетическом машиностроении. Из них изготовляют лопатки турбин низкого давления, лопатки компрессоров, бандажные кольца, крепежные и другие изделия. Нашли они также применение и в медицине для изготовления скрепляющих пластин и гвоздей при переломах костей, изготовления хирургических инструментов и аппаратуры современной медицины.
В последние годы титан широко стал применяться для изготовления бытовой техники и инструмента, однако широкое применение титана в ряде областей ограничивается его высокой стоимостью.
Титан впервые был открыт в 1791 г., в чистом виде выделен в 1925 г., а первый промышленный металл получен только в 1948 г. Ценные свойства титана как конструкционного материала привели к такому росту его производства, какого не знала даже рекордная в этом отношении алюминиевая промышленность. В 1948 г. было получено всего 2,5 т титана, а в 1957 г. мировое производство его было уже 30 000 т.
По распространенности в земной коре титан среди металлов занимает четвертое место после алюминия, железа и магния, т. е. в природе его больше, чем таких давно и широко применяемых металлов, как медь, свинец, олово, цинк, никель, серебро, золото и платина, вместе взятых.
Широкая распространенность в земной коре и прекрасное сочетание физических и химических свойств делают титан одним из лучших металлов настоящего и будущего.
Производство титана. Основными промышленными рудами, из которых получают титан, являются рутил (TiO2) и ильменит (FeTiO2), содержащий 53% TiO2 и 47% FeO. Технология получения титана очень сложная и экологически вредная.
Краткое описание технологического процесса. Ос-
новным материалом для получения титана являются ильменитовые руды. Полученный после электромагнитного или гравитационного обогащения руды концентрат подвергают
82
восстановительной плавке с целью удаления оксидов железа. Для этого концентрат в смеси с коксом плавят и выдерживают в печи при 1700°С. В результате железо восстанавливается, науглероживается и образует побочный продукт — чугун, а оксид титана TiO2 переходит в шлак. Полученный шлак, состоящий из (65–85)% TiO2 и других примесей, брикетируют с коксом и подвергают хлорированию в специальных шахтных печах при температуре 600 °С. В присутствии угля титан из диоксида переходит в тетрахлорид TiCI4.
Тетрахлорид титана плавится при температуре -23 °С и кипит при +136 °С, поэтому в условиях печи он испаряется и, увлекая за собой летучие хлориды примесей (SiCl4, MgCl2, FеСl3 и др.), направляется в конденсационную установку. Наличие в установке ряда секций с различным перепадом температур позволяет разделить хлориды и таким образом выделить четыреххлористый титан, который дальше подвергают очистке методом ректификации.
Малолетучие хлориды магния, кальция и других металлов образуют жидкость, из которой электролизом получают магний и хлор.
Четыреххлористый титан восстанавливают в стальных ретортах1 диаметром до 1,5 и высотой до 3 м. Реторта устанавливается в электропечь, которая заполняется аргоном. Затем печь нагревают до 750–800°С и в реторту заливают жидкий тетрахлорид титана и магний.
Частицы восстановленного титана спекаются в пористую массу – губку, а жидкий хлористый магний сливают и направляют на электролиз для получения магния и хлора.
Титановая губка содержит в порах до 35–45 % магния и хлористого магния, а также некоторых других примесей, поэтому ее подвергают очистке методом вакуумной дистилляции – выдержке в течение нескольких десятков часов в вакууме при температуре 900 °С. При этом часть примесей удаляется в виде расплава, другие испаряются и затем конденсируются. Плавку титановой губки осуществляют в вакуумных электродуговых печах. Одним из электродов служит стержень из прессованной титановой губки, другим — расплавленный металл. При горении дуги стержень оплавляется, капли титана стекают в тигель и затвердевают в слиток. Вакуум предохраняет металл от окисления и способствует его очистке от растворенных газов.
1 Реторта – герметизированный сосуд, изготовленный из огнеупорного материала.