Титан отличается высокой механической прочностью, коррозионной стойкостью, жаропрочностью (tпл = 1660 °С) и малой плотностью (4,51 г/см 3 ). Его применяют как конструкционный материал в самолетостроении, а также при постройке сосудов, предназначенных для транспортирования концентрированной азотной и разбавленной серной кислот.
Применяют также диоксид TiO2 для производства титановых белил и эмали.
Наиболее распространенным сырьем для получения титана и диоксида титана служит ильменитовый концентрат, выделяемый при обогащении титаномагнетитовых железных руд, в котором содержится, %: 40—60 TiO2, ~ 30 FeO, ~ 20 Fe2O3 и 5—7 пустой породы (CaO, MgO, Al2O3, SiO2), причем титан в виде минерала ильменита FeO • TiO2.
Получение титана
Технологический процесс производства титана из ильменитового концентрата состоит из следующих основных стадий: получение титанового шлака восстановительной плавкой, получение тетрахлорида титана хлорированием титановых шлаков, получение титана (губки, порошка) восстановлением из тетрахлорида. Кроме того, зачастую проводят рафинирование полученного титана и иногда переплав для получения титана в виде слитков.
Титановая Печь Террария (2023) | Адамантитовая Печь Террария (2023)
Восстановительная плавка ильменитового концентрата имеет целью перевести TiO2 в шлак и отделить оксиды железа путем их восстановления. Плавку проводят в электродуговых печах. В печь загружают концентрат и восстановитель (кокс, антрацит), их нагревают до ~ 1650 °С. Основной реакцией является: FeO • TiO2 + С = Fe + TiO2 + СО.
Из восстановленного и науглероживающегося железа образуется чугун, а оксид титана переходит в шлак, который содержит 82—90 % TiO2 (титановый шлак).
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. Исходным титаносодержащим сырьем при этом является титановый шлак.
Хлорирование осуществляют в шахтных хлораторах непрерывного действия или в солевых хлораторах. Шахтный хлоратор — это футерованный цилиндр диаметром до 2 и высотой до 10 м, в который сверху загружают брикеты из измельченного титанового шлака и снизу вдувают газ магниевых электролизеров, содержащий 65—70 % Cl2.
Взаимодействие TiO2 брикетов и хлора идет с выделением тепла, обеспечивающего необходимые для процесса температуры (~ 950 °С в зоне реагирования). Образующийся в хлораторе газообразный TiCl4 отводят через верх, остаток шлака от хлорирования непрерывно выгружают снизу.
Солевой хлоратор представляет собой футерованную шамотом камеру, наполовину заполненную отработанным электролитом магниевых электролизеров, содержащим хлориды калия, натрия, магния и кальция. Сверху в расплав загружают измельченные титановый шлак и кокс, а снизу вдувают хлор.
Температура 800—850 °С, необходимая для интенсивного протекания хлорирования титанового шлака в расплаве, обеспечивается за счет тепла протекающих экзотермических реакций хлорирования. Газообразный TiCl4 из верха хлоратора отводят на очистку от примесей, отработанный электролит периодически заменяют. Основное преимущество солевых хлораторов состоит в том, что не требуется дорогостоящее брикетирование шихты. Отводимый из хлораторов газообразный TiCl4 содержит пыль и примеси газов — СО, СO2 и различные хлориды, поэтому его подвергают сложной, проводимой в несколько стадий очистке.
ГАЙД ТИТАНОВАЯ РУДА И БРОНЯ. это жесть
Металлотермическое восстановление титана из тетрахлорида ТіСІ4 проводят магнием или натрием. Для восстановления магнием служат аппараты, представляющие собой (рис. 252) помещенную в печь герметичную реторту высотой 2—3 м из хромо-никелевой стали. После ввода в разогретую до ~ 750 °С реторту магния в нее подают тетрахлорид титана.
Восстановление титана магнием ТіCl4 + 2Mg = Ті + 2MgCl2 идет с выделением тепла, поэтому электронагрев печи отключают и реторту обдувают воздухом, поддерживая температуру в пределах 800—900 °С; ее регулируют также скоростью подачи тетрахлорида титана. За один цикл восстановления длительностью 30—50 ч получают 1—4 т титана в виде губки (твердые частицы титана спекаются в пористую массу — губку). Жидкий MgCl2 из реторты периодически выпускают.
Титановая губка впитывает много MgCl2 и магния, поэтому после окончания цикла восстановления проводят вакуумную отгонку примесей. Реторту после нагрева до ~ 1000 °С и создания в ней вакуума выдерживают в течение 35—50 ч; за это время примеси испаряются. Иногда отгонку примесей из губки проводят после ее извлечения из реторты.
Восстановление натрием проводят в аппаратах, схожих с применяемыми для магниетермического восстановления. В реторте после подачи TiCl4 и жидкого натрия идет реакция восстановления титана: TiCl4 + 4Na = Ti + 4NaCl. Температура в 800—880 °С поддерживается за счет выделяющегося при восстановлении тепла.
Полученную твердую массу, содержащую 17 % Ti и 83 % NaCl извлекают из реактора, измельчают и выщелачивают из нее NaCl водой, получая титановый порошок.
Рафинирование титана
Для получения титана высокой чистоты применяют так называемый иодидный способ, при котором используется реакция Ti + 2I2 ⇔ TiI4. При температуре 100—200 °С реакция протекает в направлении образования TiI4, 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 спецальным приспособлением разбивают ампулу с иодом. Через несколько натянутых в реторте титановых проволок пропускают ток, в результате чего они накаливаются до 1300—1400 °С.
Пары иода реагируют с титаном губки по реакции Ti + 2I2 —> TiI4. Полученный TiI4 разлагается на раскаленной титановой проволоке, образуя кристаллы чистого титана и освобождая иод: TiI4 —> Ti + 2I2. Пары иода 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 одном аппарате получают ~ 10 кг чистого титана в сутки.
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.
Источник: metallolome.ru
Добыча титановой руды
На первых порах титановые рудники создавались для нужд производства красителей. Использование в последнее время титана в качестве конструкционного металла привело к расширению добычи титановых руд и освоению многих новых месторождений. В прежние времена титан являлся побочным продуктом и во многих случаях даже служил препятствием, например, при добыче железной руды.
В наше время рудники эксплуатируются исключительно для получения титана как главного продукта. Добыча титановой руды осуществляется сравнительно просто и не требует сложных операций и специального горного оборудования.
Если титановые минералы находятся в песчаных месторождениях, то их собирают землесосными снарядами, перекачивают в баржи и доставляют на обогатительную установку. Если же они встречаются в горных породах, то никакого специального горного оборудования для их добычи не требуется.
Руду приходится измельчать до 20 меш,. чтобы обеспечить эффективное разделение минеральных компонентов. Затем для отделения ильменита от всех посторонних материалов применяют влажную магнитную сепарацию малой интенсивности. После этого остаточный ильменит обогащают при помощи гидравлических классификаторов и столов. Дальнейшее обогащение осуществляется методом сухой магнитной сепарации высокой интенсивности. Получающаяся двуокись титана ТiO2 взаимодействует с нагретым хлором в присутствии угля, в результате чего образуется четыреххлористый титан.
Физико-химические и механические свойства губчатого и пластичного титана
Губчатый титан представляет собой пористый кристаллический конгломерант с чрезвычайно развитой поверхностью пор. Активная удельная поверхность губки в зависимости от крупности кусков изменяется от 100 до 400 м/кг. Имея большую удельную поверхность пор, губчатый титан способен адсорбировать из воздуха газы и, прежде всего, пары воды.
Влагонасыщение губки зависит от её температуры и условий хранения: продолжительности, относительной влажности воздуха, температуры. Насыпная масса губки зависит от способа комплектации товарной партии .У кричной (т.е. основной части блока губки, не соприкасающейся со стенками реактора) фракции -70+12 мм насыпная масса изменяется от 930 до 1050 кг/м и составляет в среднем 960 кг/м . Боковая губка характеризуется большей пористостью и меньшей насыпной массой (600-650 кг/м). Более мелкая губка фракции -12+2 мм (кричная часть) и -12+5 мм (боковая часть) имеет насыпную массу 900-1050 кг/м , а в среднем 990 кг/м.
Плотность губчатого титана составляет 800-3500 кг/м и также зависит от способа комплектации партии.
Теплопроводность губки очень низка (в 13 раз меньше, чем у пластичного титана) и составляет 1,26 Вт/(м*С). Плохая теплопроводность губки значительно затрудняет ее обработку резанием.
Свойства пластичного титана. По внешнему виду титан похож на сталь; он обрабатывается резанием, пластичен, трудно полируется и долго сохраняет блеск. На воздухе металл благодаря оксидно-нитридной пленке устойчив до 430С. Высока коррозионная стойкость титана в воде, в том числе и в морской.
Титан существует в двух кристаллических модификациях — низкотемпературной (до 882,5С) и высокотемпературной (выше 882,5С); титан имеет гексагональную плотноупакованную (г.п.) решетку, — титан — объемно-центрированную кубическую (о.ц.к.) решетку. Атомная масса титана 47,9, плотность 4510 кг/м, температура плавления ~ 1670С, температура кипения 3260С, теплота плавления 437 Дж/кг, удельная теплоемкость (в интервале 0-100С) 678Дж/(кг*С), теплопроводность (в интервале 0-200С) 213,6 Вт/(м*С), температурный коэффициент линейного расширения (в интервале 290-570С) 8,2 10°С, удельное электросопротивление (при 20С) 42 10 Ом м, магнитная проницаемость 1,00005 Г/м (титан парамагнитен, т.е. он способствует усилению окружающего его внешнего магнитного поля). Твердость по Бринеллю НВ 90-130. Титан является хорошим геттером, т.е. обладает способностью активно поглощать газы, в особенности кислород, азот и водород. Примеси кислорода и азота снижают пластические свойства титана, а водород делает титан хрупким.
Хлор и другие галогены взаимодействуют с титаном при низких температурах (100-200С) с образованием лёгколетучих галогенидов титана. Титан обладает высокой коррозионной стойкостью во многих средах. В холодной и кипящей воде металл не корродирует.
Он практически стоек против действия азотной кислоты любой концентрации на холоде и при нагревании вследствие образования защитной окисной пленки. В разбавленной серной кислоте (до 5% H2SO4) при комнатной температуре титан стоек, в других условиях H2SO4 разрушает титан.
Подобное действие на титан оказывает соляная кислота, которая начинает реагировать с ним при концентрации HCl более 10% и температура выше 25С. В растворах щелочей (концентрации до 20%) на холоде и при нагревании титан стоек. Титан не корродирует в среде расплавов некоторых соединений. Высокая коррозионная стойкость титана обусловливает широкое применение его в химико-металлургических производствах.
Источник: studfile.net
Титановые руды
ТИТАНОВЫЕ РУДЫ (а. titanic ores; н. Titanerze; ф. minerais de titane; и. minerales de titanio, menas de titanio) — минеральные образования, содержащие титан в количествах, при которых экономически целесообразно его извлечение современными методами. Главные минералы титановых руд: ильменит (43,7-52,8% TiO2); рутил, анатаз и брукит (94,2-99,5); лейкоксен (61,9-97,6); лопарит (38,3-41); сфен (33,7-40,8); перовскит (38,7-57,8). Большинство месторождений, из руд которых получают титан, комплексные. Наряду с титаном из них извлекают Fe, V, Zr, Sc, Р. Перспективно попутное получение Nb, Ta, Th, РЗЭ.
Переходы между вкрапленными и сплошными рудами обычно постепенные. Крупные месторождения образовались в докембрии и раннем палеозое: США (Тегавус), Норвегия (Тельнес), Канада (Лейк-Тио). Запасы титановых руд этого типа месторождений до сотен млн. т.
Среди экзогенных месторождений титановых руд выделяются ильменитовые, анатазовые и рутиловые в корах выветривания (3-20% TiO2); аллювиальные, аллювиально-озёрные и аллювиально-делювиальные ильменита и рутила (0,5-20% TiO2); прибрежно-морские россыпи ильменита, лейкоксена, рутила (0,5-35% TiO2), а также циркона, монацита, дистена, силлиманита и др. Среди них прибрежно-морские россыпи являются важнейшим промышленным типом.
Характерны пласто- или линзообразные рудные залежи мощностью от нескольких метров до десятков метров, протяжённостью несколько десятков километров, при ширине до тысячи метров. Основная разновидность пород, слагающих прибрежно-морские россыпи, — кварцевые пески. Главные рудные минералы титана, как правило, существенно окатаны. Содержание тяжёлых минералов в россыпях до 1500 кг/м 3 . Образование экзогенных месторождений происходило преимущественно в позднем палеозое, мезозое и кайнозое. Крупные россыпи известны в СССР, Австралии, Новой Зеландии, Малайзии, Индии, Шри-Ланке, Сьерра-Леоне, ЮАР, Бразилии.
Метаморфизованные месторождения представлены песчаниками с лейкоксеном, ильменит-магнетитовыми титановыми рудами в габбро-амфиболитах. Ильменит-магнетитовые сплошные и вкрапленные руды, образовавшиеся в результате регионального метаморфизма первично магматических титаномагнетитовых руд, характеризуются высоким качеством.
Разработка экзогенных (россыпных и остаточных) месторождений титановых руд производится открытым способом с помощью драг и экскаваторов. Добыча титановых руд коренных месторождений (магматических и метаморфизованных) связана с проходкой подземных горных выработок, дроблением и обогащением руды. Для обогащения применяется гравитация, магнитная сепарация, флотация.
В качестве исходного сырья для получения титановой продукции в основном используются ильменитовый (отчасти лейкоксеновый) и рутиловый концентраты, а также титановые шлаки, содержащие 70-85% TiO2. Такой шлак получают путём переплавления ильменита в электропечах (Канада, ЮАР).
Ильменитовый концентрат в основном производят в СССР, Австралии, США, Норвегии, Индии, а рутиловый в Австралии, Сьерра-Леоне, ЮАР. В развитых капиталистических и развивающихся странах получают около 4-4,5 млн. т ильменитового концентрата и шлака и около 470 тысяч т рутилового концентрата в год. Главный экспортёр титановых концентратов — Австралия. В качестве импортёров выступают большинство промышленно развитых стран.
Подтверждённые мировые запасы титановых руд (в пересчёте на TiO2) в развитых капиталистических и развивающихся странах составляют 252 млн. т (начале 1988), из них на долю ильменита приходится около 171 млн. т, рутила и анатаза — свыше 81 млн. т. Наиболее крупные запасы ильменита в промышленно развитых капиталистических и развивающихся странах находятся в Индии, Канаде, Норвегии и ЮАР. Главные запасы рутила разрабатываемых месторождений находятся в Австралии, Индии и ЮАР. Перспективны запасы анатаза в Бразилии.
За рубежом ежегодно производится TiO2 2,5 млн. т. Основные производители — США, ФРГ, Великобритания, Япония, Франция, Италия, Канада, Бельгия, Испания, Австралия, ЮАР. Производство металлического титана налажено в СССР, США, Японии, Великобритании. Получают губчатый титан, листы, поковки, прутки, трубы.
Производство и потребление титана в основном связано с отраслями химической промышленности. О применении см. в ст. Титан.
Источник: www.mining-enc.ru