Металургія титану
Хімічні реакції, що використовуються при отриманні титану.
Фізичні властивості титану та їх використання у техніці.
Титан (лат. Titanium; позначається символом Ti) - елемент побічної підгрупи четвертої групи, четвертого періоду періодичної системи хімічних елементів Д. І. Менделєєва, з атомним номером 22. Проста речовина титан - легкий метал сріблясто-білого кольору.
Титан відрізняється високою механічною міцністю, корозійною стійкістю, жароміцністю (Тпл = 1660 ° C або 1933 К) і малою щільністю (4,51 г/см 3 ).
Руди та виробництво.
Титан знаходиться на 10-му місці за поширеністю у природі.
Вміст у земній корі 0,57 % за масою, у морській воді 0,001 мг/л. В ультраосновних породах 300 г/т, в основних - 9 кг/т, у кислих 2,3 кг/т, у глинах та сланцях 4,5 кг/т.
У земній корі титан майже завжди чотирихвалентний і присутній тільки в кисневих сполуках. У вільному вигляді не зустрічається.
Відомо понад 100 мінералів, що містять титан. Найважливіші з них: рутил TiO2, ільменіт FeTiO3, титаномагнетит FeTiO3+ Fe3O4, перовскіт CaTiO3, титаніт CaTiOSiO5. Розрізняють корінні руди титану – ільменіт-титаномагнетитові та розсипні – рутил-ільменіт-цирконові. Зміст TiO2 у яких змінюється від 10 до 60 %. Ці руди легко збагачуються.
Україна має другі у світі, після Китаю, запаси титану. Родовища Урал, Наддніпрянщина.
Схема переробки руд залежить від складу. Що стосується ільменітових руд присутні такі етапи переробки:
Отримання титанового шлаку відновлювальною плавкою. На цьому етапі відбувається виділення заліза з концентрату: плавка з відновленням оксиду заліза, у своїй відновлене залізо перетворюється на чавун, а оксид титану в шлак.
Основнийреакцією є:
З відновленого і заліза, що навуглерожується, утворюється чавун, а оксид титану переходить в шлак, який містить 82-90% TiO2 (титановий шлак).
Отримання тетрахлориду титану хлоруванням титанових шлаків.
TiO2+ 2Cl2+ 2С = TiCl4↑ + 2СО, температура процесу 700-1000 °C.
Вихідною титановмісною сировиною при цьому є титановий шлак. Хлоратор – шахтна чи шахтна електрична піч. При хлоруванні домішки титанового шлаку переходять у газову фазу і потім конденсуються разом з тетрахлоридом титану. Тому проводять очищення тетрахлориду комбінованої конденсації в конденсаторах:
1 конденсатор: вхід 500-600 °C, вихід 300-350 °C, конденсується MgCl2, CaCl2, MnCl4, FeCl2.
2 конденсатор: вхід 120-180 ° C, конденсується FeCl3, AlCl3.
3 зрошувальний конденсатор – тут проводиться охолодження газу рідким розпиленим TiCl4.
В результаті утворюється пульпа, вона стікає в бак, потім у згущувач. З нього верхній злив (тетрахлорид титану) прямує на подальшу переробку, а нижній злив – (осад твердих хлоридів у тетрахлориді титану) – направляють у випарник (шахтна електропіч). Там відбувається відгін тетрахлориду титану від домішок. TiCl4 містить 1% домішок, їх виділяють дистиляційними методами (ректифікацією – багаторазовою дистиляцією).
Металотермічне відновлення титану з тетрахлоридуTiCl4(магніє- або натрієтермія) та TiO2(алюмотермічне або кальцієтермічне відновлення). Відновлення першого з'єднання краще, тому що MgіNa не розчиняються в титані.
При відновленні алюмініємабо кальцієм у титані залишається багато домішок (в основному О2) його використовують для отримання лігатур та феротитану.
Рафінування титану.Отримати відновленням титан високої чистоти не виходить, тому необхідно проводити його рафінування. Для отримання титану високої чистоти застосовують так званий йодидний спосіб, у якому використовується реакція Ti + 2I2 = Til4. При температурі 100-200 ° С реакція протікає у напрямі освіти Til4, а при температурі 1300-1400 ° С - у зворотному напрямку.
Титанову губку (порошок) завантажують у спеціальну реторту, що міститься в термостат, де температура повинна бути на рівні 100-200 ° С, і в ній спеціальним пристосуванням розбивають ампулу з йодом. Через кілька натягнутих у реторті титанових дротів пропускають струм, у результаті вони розжарюються до 1300—1400 °З. Пари йоду реагують з титаном губки реакції Ti + 2I2T = Til4. Отриманий Til4 розкладається на розпеченому титановому дроті, утворюючи кристали чистого титану та звільняючи йод: Til4= Ti + 2I2. Пари йоду знову вступають у взаємодію з титаном, що рафінується, а на дроті поступово нарощується шар кристалізується чистого титану. Процес закінчують при товщині одержуваного прутка титану 25-30 мм. Одержуваний метал містить 99,9-99,99% Ti.
В даний час застосовують для очищення титану електроліз хлоридів титану в електроліті, що складається з NaCl,KClабо сумішей хлоридів з невисокою температурою плавлення.
Отримання титанових злитків.Для отримання ковкого титану у вигляді злитків губку переплавляють у вакуумній дуговій печі. Витратний (плавиться) електрод отримують пресуванням губки та титанових відходів. Рідкий титан твердне у печі у водоохолоджуваному кристалізаторі.
Титанове литтявиконують у вакуумних печах у графітові форми. Також використовується вакуумне лиття за моделями, що виплавляються. Через технологічні труднощі, у художньому лиття використовується обмежено. Першою у світовій практиці монументальною литою скульптурою з титану є пам'ятник Юрію Гагаріну на площі його імені у Москві.
Титан є легуючою добавкою у деяких марках сталі.
Нітінол (нікель-титан) - сплав, що володіє пам'яттю форми, що застосовується в медицині та техніці.
Алюмініди титану є дуже стійкими до окислення та жароміцними, що в свою чергу визначило їх використання в авіації та автомобілебудуванні як конструкційні матеріали.
У вигляді з'єднань:
Білий діоксид титану (TiO2) використовується у фарбах (наприклад, титанові білила), а також при виробництві паперу та пластику. Добавка харчова E171.
Титанорганічні сполуки (напр. тетрабутоксититан) застосовуються як каталізатор і затверджувач у хімічній та лакофарбовій промисловості.
Неорганічні сполуки титану застосовуються в хімічній електронній, скловолоконній промисловості як добавка або покриття.
Диборид титану – важливий компонент надтвердих матеріалів для обробки металів.
Нітрид титану використовується для покриття інструментів.
Титанат барію BaTiO3, титанат свинцю PbTiO3 та ряд інших титанатів -сегнетоелектрики.
Аналіз ринків споживання
15-25$ за кілограм, залежно від чистоти.
Оксид титану (IV) (діоксид титану, двоокис титану, титанові білила, харчовий барвник E171) TiO2 - амфотерний оксид чотиривалентного титану. Є основним продуктом титанової індустрії (на виробництво чистого титану йде лише близько 5% титанової руди). У чистому вигляді у природізустрічається у вигляді мінералів рутила, анатазу та брукіту (за будовою перші два мають тетрагональну, а останній — ромбічну сингонію), причому основну частину становить рутил.
Третє у світі за запасами рутила родовище знаходиться у Розповідівському районі Тамбовської області. Великі родовища знаходяться також у Чилі (Cerro Bianco), канадській провінції Квебек, Сьєрра-Леоне.
Виробництво діоксиду титану з тетрахлориду титану:
Існують три основні методи одержання діоксиду титану з його тетрахлориду:
гідроліз водних розчинів тетрахлориду титану (з подальшою термообробкою осаду)
парофазний гідроліз тетрахлориду титану (заснований на взаємодії парів тетрахлориду титану з парами води) при 400 °C.
термообробка тетрахлориду (спалювання в струмі кисню) Процес зазвичай ведеться при температурі 900-1000 ° C
Основні застосування діоксиду титану:
виробників лакофарбових матеріалів, зокрема, титанових білил — 57 % від усього споживання (діоксид титану рутильної модифікації має більш високі пігментні властивості — світлостійкість, здатність розбелювання та ін.)