Металлургия титана. Свойства Титан (лат. Titanium обозначается символом Ti) элемент побочной подгруппы четвёртой группы, четвёртого периода периодической системы химических элементов Д.
 Скачать 20.63 Kb.
|
Металлургия титана Свойства Титан (лат. Titanium; обозначается символом Ti) — элемент побочной подгруппы четвёртой группы, четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 22. Простое вещество титан — лёгкий металл серебристо-белого цвета. Титан отличается высокой механической прочностью, коррозионной стойкостью, жаропрочностью (Тпл = 1660 °C или 1933 К) и малой плотностью (4,51 г/см3). Руды и производство. Титан находится на 10-м месте по распространённости в природе. Содержание в земной коре 0,57 % по массе, в морской воде 0,001 мг/л. В ультраосновных породах 300 г/т, в основных — 9 кг/т, в кислых 2,3 кг/т, в глинах и сланцах 4,5 кг/т. В земной коре титан почти всегда четырёхвалентен и присутствует только в кислородных соединениях. В свободном виде не встречается. Известно более 100 минералов, содержащих титан. Важнейшие из них: рутил TiO2, ильменит FeTiO3, титаномагнетит FeTiO3 + Fe3O4, перовскит CaTiO3, титанит CaTiOSiO5. Различают коренные руды титана — ильменит-титаномагнетитовые и россыпные — рутил-ильменит-цирконовые. Содержание TiO2 в них меняется от 10 до 60 %. Эти руды легко обогащаются. Россия обладает вторыми в мире, после Китая, запасами титана. Месторождения Урал, Приднепровье. Схема переработки руд зависит от состава. В случае ильменитовых руд присутствуют следующие этапы переработки: Получение титанового шлака восстановительной плавкой. На этом этапе происходит выделение железа из концентрата: плавка с восстановлением оксида железа, при этом восстановленное железо переходит в чугун, а оксид титана в шлак. Основной реакцией является: FeO·TiO2 + С = Fe + TiO2 + CO. Из восстановленного и науглероживающегося железа образуется чугун, а оксид титана переходит в шлак, который содержит 82—90% TiO2 (титановый шлак). Получение тетрахлорида титана хлорированием титановых шлаков. Получение тетрахлорида титана TiCl4 осуществляют воздействием газообразного хлора на оксид титана при температурах 700—900 °С, при этом протекает реакция: TiO2 + 2Cl2 + 2С = TiCl4↑ + 2СО, температура процесса 700-1000 °C. Исходным титаносодержащим сырьем при этом является титановый шлак. Хлоратор – шахтная или шахтная электрическая печь. При хлорировании примеси титанового шлака также переходят в газовую фазу и затем конденсируются вместе с тетрахлоридом титана. Поэтому проводят очистку тетрахлорида комбинированной конденсациях в конденсаторах: 1 конденсатор: вход 500-600 °C, выход 300-350 °C, конденсируется MgCl2, CaCl2, MnCl4, FeCl2. 2 конденсатор: вход 120-180 °C, конденсируется FeCl3, AlCl3. 3 оросительный конденсатор – здесь проводится охлаждение газа жидким распыленным TiCl4. В результате образуется пульпа, она стекает в бак, затем в сгуститель. Из него верхний слив (тетрахлорид титана) направляется на дальнейшую переработку, а нижний слив – (осадок твердых хлоридов в тетрахлориде титана) – направляют в испаритель (шахтная электропечь). Там происходит отгонка тетрахлорида титана от примесей. TiCl4 содержит 1% примесей, их выделяют дистиляционными методами (ректификацией – многократной дистиляцией). Металлотермическое восстановление титана из тетрахлорида TiCl4 (магние- или натриетермия) и TiO2 (алюмотермическое или кальциетермическое восстановление). Восстановление первого соединения предпочтительнее, т.к. Mg и Na не растворимы в титане. При восстановлении алюминием или кальцием в титане остается много примесей (в основном О2) его используют для получения лигатур и ферротитана. Рафинирование титана. Получить восстановлением титан высокой чистоты не получается, поэтому необходимо проводить его рафинирование. Для получения титана высокой чистоты применяют так называемый йодидный способ, при котором используется реакция Ti + 2I2 = Til4. При температуре 100—200 °С реакция протекает в направлении образования Til4, а при температуре 1300—1400 °С— в обратном направлении. Титановую губку (порошок) загружают в специальную реторту, помещаемую в термостат, где температура должна быть на уровне 100—200 °С, и внутри нее специальным приспособлением разбивают ампулу с йодом. Через несколько натянутых в реторте титановых проволок пропускают ток, в результате чего они накаливаются до 1300—1400 °С. Пары йода реагируют с титаном губки по реакции Ti + 2I2 T = Til4. Полученный Til4 разлагается на раскаленной титановой проволоке, образуя кристаллы чистого титана и освобождая йод: Til4 = Ti + 2I2. Пары йода вновь вступают во взаимодействие с рафинируемым титаном, а на проволоке постепенно наращивается слой кристаллизующегося чистого титана. Процесс заканчивают при толщине получаемого прутка титана 25—30 мм. Получаемый металл содержит 99,9—99,99 % Ti. В настоящее время применяют для очистки титана так же электролиз хлоридов титана в электролите, состоящем из NaCl, KCl или смесей хлоридов с невысокой температурой плавления. Получение титановых слитков. Для получения ковкого титана в виде слитков губку переплавляют в вакуумной дуговой печи. Расходуемый (плавящийся) электрод получают прессованием губки и титановых отходов. Жидкий титан затвердевает в печи в водоохлаждаемом кристаллизаторе. Применение Металл применяется в: химической промышленности (реакторы, трубопроводы, насосы, трубопроводная арматура), военной промышленности (бронежилеты, броня в авиации, корпуса подводных лодок), промышленных процессах (опреснительных установках, процессах целлюлозы и бумаги), автомобильной промышленности, сельскохозяйственной промышленности, пищевой промышленности, украшениях для пирсинга, медицинской промышленности (протезы, остеопротезы), стоматологических и эндодонтических инструментах, зубных имплантатах, спортивных товарах, ювелирных изделиях, мобильных телефонах, лёгких сплавах и т. д. Является важнейшим конструкционным материалом в авиа-, ракето-, кораблестроении. Титановое литье выполняют в вакуумных печах в графитовые формы. Также используется вакуумное литье по выплавляемым моделям. Из-за технологических трудностей, в художественном литье используется ограниченно. Первой в мировой практике монументальной литой скульптурой из титана является памятник Юрию Гагарину на площади его имени в Москве. Титан является легирующей добавкой в некоторых марках стали. Нитинол (никель-титан) — сплав, обладающий памятью формы, применяемый в медицине и технике. Алюминиды титана являются очень стойкими к окислению и жаропрочными, что в свою очередь определило их использование в авиации и автомобилестроении в качестве конструкционных материалов. В виде соединений:
Анализ рынков потребления В 2005 компания Titanium Corporation опубликовала следующую оценку потребления титана в мире: 60 % — краска; 20 % — пластик; 13 % — бумага; 7 % — машиностроение. Цены 15-25 $ за килограмм, в зависимости от чистоты. Диоксид титана Оксид титана (IV) (диоксид титана, двуокись титана, титановые белила, пищевой краситель E171) TiO2 — амфотерный оксид четырёхвалентного титана. Является основным продуктом титановой индустрии (на производство чистого титана идёт лишь около 5 % титановой руды).В чистом виде в природе встречается в виде минералов рутила, анатаза и брукита (по строению первые два имеют тетрагональную, а последний — ромбическую сингонию), причём основную часть составляет рутил. Третье в мире по запасам рутила месторождение находится в Рассказовском районе Тамбовской области. Крупные месторождения находятся также в Чили (Cerro Bianco), канадской провинции Квебек, Сьерра-Леоне. Производство диоксида титана из тетрахлорида титана: Существуют три основных метода получения диоксида титана из его тетрахлорида:
Применение Основные применения диоксида титана:
|