2.4.3. Области применения титана

Титан благодаря хорошему сочетанию механических и технологических свойств и высокой коррозионной стойкости находит широкое применение в самых различных отраслях промышленности: авиакосмической, химическом и нефтяном машиностроении, черной и цветной металлургии, пищевой промышленности и в других отраслях.

Применение титана в авиастроении. Авиационная промышленность была первым потребителем титана. Создание летательных аппаратов со скоростями близкими к скорости звука и превосходящими ее, определило ряд технических и экономических требований к конструкционным материалам, идущим на изготовление корпуса самолета и его обшивки, а также двигателей, которые невозможно было удовлетворить без применения материалов на основе титана. Авиационнокосмическая техника и сейчас определяет темпы развития титановой промышленности, хотя доля ее в общем объеме потребления титана постепенно снижается.

Применение титана в химической промышленности, машиностроении и других отраслях народного хозяйства. Благодаря высокой коррозионной стойкости титан и его сплавы широко используются в химической промышленности: теплообменники и выпарная аппаратура, реакторы, скрубберы, сушилки, разделительные колонны, емкости, насосы, прочее оборудование. Примерно 30 % титана расходуется на изготовление коммуникаций из титана, применяемых в химической промышленности, используется в хлорном производстве.

Широкое применение титан находит в производстве искусственного волокна, красителей, азотной кислоты, синтетических жирных кислот, хлорированных углеводородов, кальцинированной соды, в хлорорганическом синтезе, во многих агрессивных средах.

Большой интерес вызывает применение фасонного литья для изготовления титановых насосов и запорной арматуры.

В мировой практике трубы из титана широко применяют в нефтяной промышленности.

В судостроении с увеличением размеров кораблей требуются все более мощные турбинные двигатели, паровые котлы и конденсаторы.

По объему применения титана цветная металлургия занимает второе место среди гражданских отраслей промышленности. Наибольшее распространение титановое оборудование получило на предприятиях кобальтово-никелевой и титаново-магниевой промышлености, а также в производстве меди, цинка, свинца, ртути и других металлов.

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 элементами титан применяется как раскислитель при производстве многих низколегированных и углеродистых сталей.

2.4.4. Титановые минералы, руды и рудные концентраты

Титан является одним из наиболее распространенных химических элементов как по содержанию его в земной коре (0,61 %), так и по наличию минералов этого металла в очень многих горных породах.

Известно более 80 минералов. Важнейшие минералы титана, в основном, входят в состав пяти характерных групп – рутила, ильменита, перовскита, ниоботанталотитанатов и сфена, из которых наибольшее значение имеют группы рутила и ильменита.

Рутил – природный диоксид титана TiO₂ (другие модификации – анатаз и брукит). Обычно содержит примесь оксида железа (II) FeO. Плотность 4,18 – 4,28 г/см³, цвет красно-коричневый. Крупные месторождения редки. Известны месторождения в Австралии, Канаде, Бразилии. Рутиловые концентраты содержат 90 – 95 % TiO₂.

Ильменит – титанат железа FeO∙TiO₂ наиболее распространенный минерал титана. Впервые найден на Урале в Ильменских горах. Минерал бурого или буро-черного цвета, плотностью 4,56 – 5,21 г/см³. При длительном выветривании ильменит переходит в аризонит (Fe₂O₃∙3TiO₂) и лейкоксен (TiO₂∙nH₂O). Это объясняет более высокое содержание TiO₂ в некоторых ильменитах, чем это соответствует формуле (52,66 %). Крупные россыпи ильменитовых песков найдены в Индии, Австралии, Индонезии, Африке, Южной Америке, США и бывшем СССР. Часто ильменит находится в тесной связи с магнетитом. Такие руды называют титаномгнетитовыми. Крупнейшие из них известны в Канаде, бывшем СССР, Скандинавии, Бразилии.

Перовскит – титанат кальция CaO∙TiO₂ (58,7 % TiO₂). Часто содержит примеси ниобия, иттрия, марганца, магния. Плотность 3,95 – 4,04 г/см³, цвет черный, красно-бурый. Крупные месторождения найдены на Кольском полуострове. В перспективе может стать важнейшим источником получения титана.

Сфен или титанит – титаносиликат кальция CaO∙TiO₂∙SiO₂ (38,8 % TiO₂). Цвет желтый, плотность 3,4 – 3,56 г/см³. Месторождения найдены во многих районах бывшего СССР, известны в США, Канаде и Мадагаскаре. Может служить титановым сырьем при комплексной добыче с другими рудами (апатитом и нефелином).

Различные по величине и генетическому типу месторождения титана распространены во многих районах земного шара. Месторождения титана магматического вида формируются на значительных глубинах, где при содержании в базальтовой магме хотя бы 1 % диоксида титана в процессе медленной ее кристаллизации возможно образование участков, значительно обогащенным этим диоксидом и представляющих собой месторождения титановых руд.

Месторождения титана экзогенного типа приурочены к массивам, подверженным глубокому химическому выветриванию древних метаморфогенных комплексов, содержащих устойчивые соединения титана.

Обогащение руд всех россыпных и большей части руд коренных месторождений осуществляется с использованием в начале процесса наиболее простого и дешевого гравитационного способа. При обогащении сложных коренных руд иногда используют флотацию, что, в частности, относится к переработке руд месторождения титаномагнетиков Телнес в Норвегии.

Процесс нефлотационного обогащения, как правило, осуществляется в две стадии. Первая стадия заключается в первичном гравитационном обогащении, при котором получается черновой коллективный концентрат. Вторая стадия заключается в селекции (доводке) указанного коллективного концентрата методами магнитной и электрической сепарации с получением индивидуальных рутилового, ильменитового, циркониевого, монацитового, дистенсиллиманитового, ставролитового и других концентратов.

В процессах первичного обогащения широкое применение получили усовершенствованные гидроциклоны, многоярусные конические и многосекционные винтовые сепараторы и в меньшей степени концентрационные столы и другое сепарационное оборудование.

Доводка черновых коллективных концентратов основана на использовании в различном сочетании электромагнитной и электростатической сепарации. Наибольшей магнитной восприимчивостью среди входящих в состав коллективных концентратов минералов обладает ильменит и следующий за ним монацит, в то время как рутил и циркон не магнитны.

Селекция входящих в состав коллективных концентратов немагнитных минералов основана на использовании различной их электрической проводимости, по мере убывания которой указанные минералы располагаются в следующий ряд: магнетит – ильменит – рутил – хромит – лейскосен – гранат – монацит – турмалин – циркон – кварц.

Таким образом, если в коллективном концентрате преобладают рутил, циркон и алюмосиликаты, то процесс доводки начинается обычно с передела электростатической сепарации. Если же в коллективном концентрате преобладает ильменит, то технологический процесс доводки начинается с передела магнитной сепарации.

При доводке черновых коллективных концентратов широко применяется винтовые сепараторы, пластинчатые и роликовые магнитные сепараторы мокрого и сухого действия с высокой напряженностью магнитного поля, магнитные сепараторы с перекрещивающимися лентами, а также пневматические и мокрые концентрационные столы и другое оборудование.

В последнее время для повышения извлечения минералов из исходного сырья все чаще используется так называемый процесс оттирки, заключающийся в обработке коллективного концентрата растворами щелочи или слабой плавиковой кислоты при интенсивном перемешивании. При этом с поверхности минералов, в частности рутила и циркона, удаляются железистые и глинистые пленки, затрудняющие селекцию материалов.

Промышленные способы получения титана и его основных соединений базируются на использовании в качестве исходного сырья титановых концентратов, содержащих не менее 92 - 94 % TiO₂ в рутиловых концентратах, 52 - 65 % TiO₂ в ильменитовых концентратах из россыпей и 42 - 47 % TiO₂ в ильменитовых концентратах из коренных месторождений.

В России ильменитовые концентраты используются главным образом в качестве сырья для выпуска диоксида титана и металла, а также выплавки ферросплавов и карбидов, а рутиловые – для производства обмазки сварочных электродов.

Около 50 % мирового производства титановых концентратов базируется на переработке руд россыпных месторождений и 50 % – на переработке руд коренных месторождений.