Титан отличается высокой механической прочностью, коррозионной стойкостью, жаропрочностью (t пл = 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, ~30FeO, ~20Fe2O3 и 5–7 пустой породы (CaO, MgO, A12O3, SiO2), причем титан в виде минерала ильменита FeO • TiO2.
Технологический процесс производства титана из ильме-нитового 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.
Уральский титан
Восстановительная плавка ильменит ового 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 + CO. 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 + + 2С12 + 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 % С12. 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, СО2 и различные хлориды, поэтому его подвергают сложной, проводимой в несколько стадий очистке.
Как добывают и производят титан.
Металлотермическое восстановление титана из тетрахло-рида TiCl4 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 TiCl4 + 2Mg = Ti + + 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
Рис. 252. Аппарат для восстановления тетрахлорида магнием 1 – коллектор для подачи и отвода воздуха; 2 – печь; 3 – штуцер для вакуумирования, 4 – патрубок для заливки магния; 5 – узел подачи тетрахлорида; 6 – крышка; 7 — реторта; 8 – термопары; 9 – нагреватель; 10 – устройство для слива
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 += ± 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 спеиальным 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 + + 212 –*• Til4. Полученный Til4 разлагается на раскаленной титановой проволоке, образуя кристаллы чистого титана и освобождая иод: Til4 –*■ 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.
Ч а с т ь V. МЕТАЛЛУРГИЯ И ПРОБЛЕМЫ ОХРАНЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Охрана окружающей среды (ООС) или «охрана природы» есть система естественно-научных, технико-производственных, экономических и административно-правовых мероприятий, осуществляемых в пределах данного государства или его части, а также в международном масштабе и направленных на сохранение и контролируемое изменение природы в интересах человечества, на поддержание и увеличение ее продуктивности, обеспечение рационального использования (включая восстановление) природных ресурсов и окружающей среды.
Решая те или иные технологические проблемы, организуя то или иное производство, мы принимаем в расчет расходы не только на освоение природы, но и на охрану и восстановление экосферы, учитываем не только показатели прибыльности и производительности, но и экологической обоснованности технических нововведений, экологического контроля над планированием промышленности и природопользования.
Развитие человеческого общества происходило и происходит в постоянном взаимодействии с природой. Влияние человека на природу, окружающую среду неизбежно, оно усиливается по мере развития производительных сил и увеличения массы веществ, вовлекаемых в хозяйственный оборот. В настоящее время воздействие человека на природу приобретает такие масштабы, что в отдельных регионах возможны нарушения существующего в природе относительного равновесия, причем эти нарушения могут стать необратимыми.
Основные виды нежелательного воздействия человека на окружающую среду: загрязнение атмосферы, загрязнение гидросферы, загрязнение земной поверхности, истощение природных ресурсов (нерациональное использование полезных ископаемых, забор огромного количества пресной воды, отчуждение или приведение в негодность для сельскохозяйственного использования больших площадей, занятых промышленным строительством, территорий, используемых под шлаковые отвалы, терриконы, и т.п., вырубка лесов и т.д.).
Источник: studfile.net
Как в России производят титан: технология настоящего
Есть ли среди российских предприятий такое, продукция которого имеет значение буквально для всего мира? Сложная история российской промышленности в новейшее время подсказывает ответ «нет». Но как минимум одно такое производство существует точно.
Э то титановый гигант ВСМПО-АВИСМА — неотъемлемая часть мирового авиапрома. Современные «Эрбасы», «Боинги», «Эмбраеры», да и наши «Суперджеты», обязательно несут в себе детали, чей путь начался в городе Верхняя Салда Свердловской области.
Легкость, прочность, ударная вязкость, стойкость к высоким температурам — все это превратило титан в незаменимый материал для аэрокосмической промышленности. Но, конечно же, не чистый титан, а его разнообразные сплавы, в которых благодаря легирующим элементам полезные свойства титана усиливаются многократно, а недостатки нейтрализуются.
Россия удачно села на «титанового конька» и планирует развивать успех. Сейчас в районе Верхней Салды создается особая экономическая зона «Титановая долина». Это не проект ВСМПО-АВИСМА, хотя ведущее титановое предприятие России и мира претендует здесь на статус резидента.
В «долине» будут развиваться производства по механической обработке изделий из титановых сплавов, то есть цель проекта — создавать в России как можно больше добавленной стоимости и как можно меньше отдавать на сторону сырья или заготовок с невысокой степенью обработки. Этим же путем идет и само Верхнесалдинское металлургическое производственное объединение. Его партнер по корпорации, предприятие АВИСМА из Березников (Пермский край), занимается сырьем, а ВСМПО — металлургией.
Сильнее автобуса
Почему производство титана для аэрокосмической отрасли распределено во всем мире между столь немногими предприятиями? Потому что это дорогое и сложное производство, которое должно обеспечить высокий уровень качества и надежности.
Михаил Ледер, директор научно-технического центра ВСМПО, показывает нам презентацию, где наглядно продемонстрировано, какие нагрузки испытывают разнообразные детали из титановых сплавов. Нагрузка на лопатку турбины эквивалентна весу переполненного лондонского автобуса-«даблдекера», а диск турбины постоянно «останавливает» легковой автомобиль, несущийся со скоростью 100 км/ч. «Если диск или лопатка разрушатся из-за некачественного металла, — говорит Михаил Ледер, — нетрудно себе представить, какой катастрофой все закончится: куски титана с огромной скоростью прошьют самолет, как шрапнель.
А стойки шасси? Если они не выдержат нагрузки при посадке, последствия тоже будут печальными. Именно поэтому на нас и нашей продукции лежит высокая ответственность. Брак здесь недопустим».
В Верхнюю Салду мы приехали, чтобы посмотреть, как создаются титановые сплавы и титановые изделия, которые так востребованы во всем мире. ВСМПО — предприятие с богатой историей. Оно берет свое начало от завода алюминиевых изделий в Москве, основанного в районе станции Сетунь в 1933 году.
В годы вoйны завод эвакуировали в Верхнюю Салду на площадку предприятия, занимавшегося производством крупных металлоконструкций. Когда наступила ракетно-космическая эпоха, здесь по поручению партии и правительства занялись титаном: первый слиток, полученный в 1957 году, до сих пор хранится в музее ВСМПО. Верхняя Салда — моногород, большинство его жителей так или иначе связаны с ВСМПО, и, честно говоря, в соседстве с таким могучим и знаменитым предприятием город мог бы выглядеть и получше. Объяснение плохим дорогам, некошеным газонам и не радующим глаз жилым домам — стандартное для нашей прекрасной российской глубинки: все деньги уходят в центр, городу перепадает мало. Остается лишь надеяться, что дальнейшее развитие отрасли, в частности появление «Титановой долины», даст урбанистическому росту Верхней Салды новый позитивный импульс.
Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.
Источник: kiozk.ru
Производство титана
Титан в последние годы в технике находит все большее применение. Главное преимущество титана и его сплавов перед другими конструкционными материалами заключается в сочетании высоких механических свойств и коррозийной стойкости с малым удельным весом по сравнению с железными и другими сплавами.
Кроме того, титан и титановые сплавы имеют специфические свойства, которые крайне необходимы для ряда отраслей промышленности. Они обладают достаточно высокими механическими свойствами в условиях как повышенных температур 500—550°, так и низких; они имеют малый коэффициент линейного расширения, немагнитны и т. п.
Благодаря этому титан и его сплавы применяют в ракетной технике, в судостроении, химическом машиностроении, пищевой и других отраслях промышленности.
Производство титана представляет большие трудности в связи с тем, что он обладает высокой химической активностью при высоких температурах и требует создания для плавки среды инертных газов или вакуума.
ТiO 2 + 2С1 2 + 2С→TiС1 4 + 2СО.
Процесс получения тетрахлорида титана идет при высоких температурах. Тетрахлорид титана TiCl 4 устойчивое химическое соединение ципщ при 136°, но разлагается только при очень высоких температурах.
В настоящее время применяют несколько способов восстовления TiCl 4 , которые дают возможность вести восстановление его при более низких температурах водородом, натрием, магнием соответствующим реакциям:
TiCl 4 + 2H 2 →Ti + 4HC1;
Ti Cl 4 + 4 Na→Ti + 4 Na CI и
TiCl 4 + 2Mg→Ti + 2MgCl 2 .
Способ восстановления титана магнием наиболее перспективен.
Восстановление ведется в специальных герметически закрытых аппаратах в среде инертных газов, например, аргона. Магний расплавляют и через жидкий металл пропускают пары TiCl 4 , который реагирует с магнием и восстанавливается; процесс ведется при 850—950°. В результате образуется продукт, который после охлаждения представляет собой смесь из титана, хлористого магния и избытка магния. Этот продукт далее подвергают механической и химической обработке с целью извлечения металлического титана. Титан получается пористый в виде губки, которая переплавляется в порошкообразном состоянии или в виде прессованных электродов.
Плавка титана ведется в электрических высокочастотных или в электродуговых печах. Электродуговые печи находят большое применение и разделяются на два типа с постоянным водоохлаждаемым вольфрамовым электродом или с расходуемым прессованным электродом из титановой губки. На рис. 37, а и б представлена схема печей для плавки титана.
Плавка ведется в вакууме или в среде инертных газов. Емкость, в которой накапливается титан и образуется слиток, изготавливается из графита или из чистой красной меди и усиленно охлаждается водой.
Рис.37. Схема конструкции печей для плавки титана и его сплавов: а — электродуговая с постоянным вольфрамовым электролитом: 1-электрод; 2-изолирующая втулка; 3-вибратор; 4-загрузочный бункер; 5-зажим; 6-гибкий сильфон; 7-окно; 8-изолятор; 9-резиновя прокладка; 10-медный тигель;б-электропечь с высокочастотным нагревом: 1-балаган;2-водоохлаждаемый высокочастотный индуктор; 3-окно для наблюдения; 4-графитовая втулка;5-мешалка; 6-щуп для загрузки; 7-загрузочный бункер; 8-графитовая труба; 9 — графитовый плавильный тигель; 10-кварцевый кожух; 11-водоохлаждаемый высокочастотный индуктор; 12 — опорные блоки; 13-графитовая муфта; 14-графитовая изложница
В электропечи с постоянным вольфрамовым электродом (рис. 37, с) охлаждаемый тигель постепенно наплавляется титаном, потом из него извлекают слиток. Форма слитка соответствует форме тигля. В электропечи с высокочастотным нагревом (рис. 37, б) наплавляют тигель титаном и поддерживают его в жидком состоянии за счет высокочастотного обогрева.
Когда емкость графитового тигля заполнена внизу, расплавляется пробка и титан заполняет изложницу. Форму слитка можно получить любую. Таким образом из титана или его сплава можно также получать и литые фасонные детали.
Источник: xn--80awbhbdcfeu.su