Производство титана

Титан

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 производства титана являются титаномагнетитовые руды, из которых выделяют ильменитовый концентрат, содержащий 40-45 % TiO2, примерно 30 % FeO, 20 % Fe203 и 5-7% пустой породы.

Титан не токсичен, исключительно коррозионностоек, не окисляется на воздухе и в морской воде, не изменяется в большинстве агрессивных химических средах. 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 4500 кг/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 % TiO2, 2—5 % FeO и примеси: SiO2, A12O3, 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 — CaCI2, 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 + 2MgCi2

В процессе производства твердые частицы титана спекаются в пористую массу — губку, а жидкий MgCl2 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 % Ti), BT1-0 (99,32 % Ti) и ВТ2 (98,25 % Ti). 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.