Технология производства титана

Кратко опишите процесс получения титана из руды. Укажите свойства титана и область его применения

Титан получают магнийтермическим способом, сущность которого состоит в обогащении титановых руд, выплавке из них титанового шлака с последующим получением из него четыреххлористого титана и восстановлении из последнего металлического титана магнием.

Сырьем для титана из руды являются титаномагнетитовые титановые, из которых выделяют ильменитовый концентрат, содержащий 40—45% TiO2, ~30% FeO, 20% Fe2O3 и 5—7% пустой породы. Название этот концентрат получил по наличию в нем минерала ильменита Feo*TiO2.

Ильменитовый концентрат плавят в смеси с древесным углем, антрацитом в рудно-термических печах, где оксиды железа титана восстанавливаются. Образующееся железо науглероживается, и получается чугун, а низшие оксиды титана переходят в шлак. Чугун и шлак разливают отдельно в изложницы. Основной продукт этого процесса—титановый шлак содержит 80— 90% TiO2, 2—5% FeO и примеси SiO2, Al2O3, CaO и др. Побочный продукт этого процесса чугун используют в металлургическом производстве.

Полученный титановый шлак подвергают хлорированию в специальных печах. В нижней части печи располагают 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. Ti02+2C+2Cl2=TiCl4+2CO.

Четыреххлористый титан отделяется и очищается от остальных хлоридов благодаря различию температуры кипения этих хлоридов методом ректификации в специальных установках.

Титан из четыреххлористого титана восстанавливают в реакторах при температуре 950—1000° С. В реактор загружают чушковый магний; после откачки воздуха и заполнения полости реактора аргоном внутрь его подают парообразный четыреххлористый титан. Между жидким магнием и четыреххлористым титаном происходит реакция

2Mg+TiCl4=Ti+2MgCl2.

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 вакууме.

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 используют для обработки давлением.

Свойства титана

В периодической системе элементов Д. И. Менделеева титан расположен в IV группе 4-го периода под номером 22. В важнейших и наиболее устойчивых соединениях он четырехвалентен. По внешнему виду похож на сталь. Титан относится к переходным элементам. Данный металл плавится при довольно высокой температуре (1668±4°С) и кипит при 3300 °С, скрытая теплота плавления и испарения титана почти в два раза больше, чем у железа.

Известны две аллотропические модификации титана. Низкотемпературная альфа-модификация, существующая до 882,5 ° С и высокотемпературная бетта-модификация, устойчивая от 882,5 °С до температуры плавления.

По плотности и удельной теплоемкости титан занимает промежуточное место между двумя основными конструкционными металлами: алюминием и железом. Стоит также отметить, что его механическая прочность примерно вдвое больше, чем чистого железа, и почти в шесть раз выше, чем алюминия. Но титан может активно поглощать кислород, азот и водород, которые резко снижают пластические свойства металла. С углеродом титан образует тугоплавкие карбиды, обладающие высокой твердостью.

Титан обладает низкой теплопроводностью, которая в 13 раз меньше теплопроводности алюминия и в 4 раза — железа. Коэффициент термического расширения при комнатной температуре сравнительно мал, с повышением температуры он возрастает.

Модули упругости титана невелики и обнаруживают существенную анизотропию. С повышеиием температуры до 350°С модули упругости уменьшаются почти по линейному закону. Небольшое значение модулей упругости титана — существенный его недостаток, т.к. в некоторых случаях для получения достаточно жестких конструкций приходится применять большие сечення изделий по сравнению с теми, которые следуют из условий прочности.

Титан имеет довольно высокое удельное электросопротивлеиие, которое в зависимости от содержания примесей колеблется в пределах от 42·10-8 до 80·10-6 Ом·см. При температурах ниже 0,45 К он становится сверхпроводником.

Титан — парамагнитный металл. У парамагнитных веществ мапнитная восприимчивость при нагревании обычно уменьшается. Титан составляет исключение из этого правила — его восприимчивость существенно увеличивается с температурой.

Физические и механические свойства титана

Свойство

Титан

Атомный номер

Атомная масса

47,00

Плотность при 20°С, г/cм3

4,505

Температура плавления, °С

Температура кипения, °С

Скрытая теплота плавления, Дж/г

Скрытая теплота испарения, кДж/г

8,97

Теплота плавления, кДж/моль

18,8

Теплота испарения, кДж/моль

422,6

Молярный объем, смі/моль

10,6

Удельная теплоемкость при 20°С, кДж/(кг·°С)

0,54

Удельная теплопроводность при 20°С, Вт/(м·К)

18,85

Коэффициент линейного термического расширения при 25°С, 10-6 м/мК

8,15

Удельное электросопротивление при 20°С, Ом·см·10-6

Модуль нормальной упругости, гПа

Модуль сдвига, гПа

Коэффициент Пуассона

0,32

Твердость, НВ

Цвет искры

Ослепительно-белый длинный насыщенный пучок искр

Группа металлов

Тугоплавкий, легкий металл

Химические свойства титана

Применение титана

Основная часть титана расходуется на нужды авиационной и ракетной техникии и морского судостроения. Титан (ферротитан) используют в качестве лигирующей добавки к качественным сталям и как раскислитель. Технический титан идет на изготовление емкостей, химических реакторов, трубопроводов, арматуры, насосов, клапанов и других изделий, работающих в агрессивных средах. Из компактного титана изготавливают сетки и другие детали элетктровакуумных приборов, работающих при высоких температурах.

По использованию в качестве конструкционного материала титан находится на 4-ом месте, уступая лишь Al, Fe и Mg. Алюминиды титана являются очень стойкими к окислению и жаропрочными, что в свою очередь определило их использование в авиации и автомобилестроении в качестве конструкционных материалов. Биологическая безвредность титана делает его превосходным материалом для пищевой промышленности и восстановительной хирургии.

Титан и его сплавы нашли широкое применеие в технике ввиду своей высокой мехнической прочности, которая сохраняется при высоких температурах, коррозионной стойкости, жаропрочности, удельной прочности, малой плотности и прочих полезных свойств. Высокая стоимость титана и его сплавов во многих случаях компенсируется их большей работоспособностью, а в некоторых случаях они являются единственным материалом, из которого можно изготовить оборудование или конструкции, способные работать в данных конкретных условиях.

Титановые сплавы играют большую роль в авиационной технике, где стремятся получить наиболее легкую конструкцию в сочетании с необходимой прочностью. Титан легок по сравнению с другими металлами, но в то же время может работать при высоких температурах (см. рис.2). Из титановых сплавов изготовляют обшивку, детали крепления, силовой набор, детали шасси, различные агрегаты. Также данные материалы применяются в конструкциях авиационных реактивных двигателей. Это позволяет уменьшить их массу на 10-25%. Из титановых сплавов производят диски и лопатки компрессора, детали воздухозаборника и направляющего аппарата, крепеж.

Также титан и его сплавы используют в ракетостроении. Ввиду кратковременной работы двигателей и быстрого прохождения плотных слоев атмосферы в ракетостроении в значительной мере снимаются проблемы усталостной прочности, статической выносливости и отчасти ползучести.

Технический титан из-за недостаточно высокой теплопрочности не пригоден для применення в авиации, но благодаря исключительно высокому сопротивлению коррозии в ряде случаев незаменим в химической промышленности и судостроении. Так его применяют при изготовлении компрессоров и насосов для перекачки таких агрессивных сред, как серная и соляная кислота и их соли, трубопроводов, запорной арматуры, автоклав, различного рода емкостей, фильтров и т. п. Только титан обладает коррозионной стойкостью в таких средах, как влажный хлор, водные и кислые растворы хлора, поэтому из данного металла изготовляют оборудование для хлорной промышленности. Из титана делают теплообменникн, работающие в коррозионно активных средах, например в азотной кислоте (не дымящей). В судостоении титан используется для изготовления гребных винтов, обшивки морских судов, подводных лодок, торпед и т.д. На титан и его сплавы не налипают ракушки, которые резко повышают сопротивление судна при его движении.

Титановые сплавы перспективны для использования во многих других применениях, но их распространение в технике сдерживается высокой стоимостью и дефицитностью титана.

Соединения титана также получили широкое применение в различных отраслях промышленности. Карбид титана обладает высокой твердостью и применяется в производстве режущих инструментов и абразивных материалов. Белый диоксид титана (TiO2) используется в красках (например, титановые белила), а также при производстве бумаги и пластика. Титанорганические соединения (напр. тетрабутоксититан) применяются в качестве катализатора и отвердителя в химической и лакокрасочной промышленности. Неорганические соединения титана применяются в химической электронной, стекловолоконной промышленности в качестве добавки. Диборид титана — важный компонент сверхтвердых материалов для обработки металлов. Нитрид титана применяется для покрытия инструментов.

Получения титана

Наиболее распространенным сырьем для получения титана являются следующие руды: ильменит FeO · TiO2; рутил TiO2; титаномагнетит FeTiO3 · Fe3O4. Наибольшее количество титана получают из минерала ильменит (FeO · TiO2), содержащего до 60 % TiO2.

Сущность процесса получения металлического титана заключается в восстановлении четыреххлористого титана (TiCl4) магниетермическим способом.

Титан и магний обычно производят на одном заводе, так как хлористый магний (MgCl2) – побочный продукт при получении титана, служит сырьем для получения магния.

Производство титана осуществляется в следующей последовательности (рис. 8):

1. Руда титана содержит от 10% TiO2 (титаномагнетит) до 90 – 100% TiO2 (рутил). Поэтому бедные руды обогащают магнитной сепарацией или флотацией. Получают ильменитовый концентрат, содержащий: 40 – 45% TiO2, около 30% FeO, около 20% Fe2O3, остальное примеси. Рутил используют без обогащения.

Рисунок 7 — Схема технологических операций получения меди

Рисунок 8 — Схема технологических операций получения титана

2. Ильменитовый концентрат плавят в смеси с древесным углем и антрацитом (восстановителем) в специальных руднотермических печах (электродуговых). При Т = 1600 – 18000С оксиды Fe восстанавливаются. Образующееся железо науглероживается и получается чугун, а низшие оксиды титана переходят в шлак. Основной продукт – титановый шлак содержит до 80 – 90% TiO2, 2 – 5 % FeO и примеси – SiO2, Al2O3, CaO и др. Шлак совместно с древесным углем брикетируют, спекают и отправляют на хлорирование. Побочный продукт – чугун используют в металлургическом производстве.

3. Хлорирование титанового шлака проводят в специальных печах с электронагревом и герметизацией рабочего пространства. Брикеты титанового шлака через специальные фурмы продуваются газообразным хлором. При Т = 800 – 12500С в присутствии углерода образуется четыреххлористый титан, также другие хлориды: CaCl2, MgCl2 и др. Четыреххлористый титан отделяется и очищается от других хлоридов благодаря различию температур кипения этих хлоридов методом ректификации в специальных установках. Для более полной очистки от твердых частиц конденсат отстаивают и фильтруют. Жидкий тетрахлорид титана направляют на восстановление.

4. Титан восстанавливают в реакторах при Т = 950 – 10000С. В реактор загружают чушковый магний, откачивают воздух и заполняют реактор аргоном. Затем внутрь подают парообразный TiCl4. Жидкий Mg и TiCl4 взаимодействуют по реакции: 2Mg + TiCl4 = Ti + 2MgCl2 с образованием чистого титана в виде спеченной массы – губки с оченьвысокой пористостью. Губка титана пропитана Mg и MgCl2 в количестве до 35 – 40 %, поэтому ее подвергают последующему вакуумированию. Жидкий MgCl2 через летку удаляют из реактора.

5. Для удаления из губки MgCl2 и других примесей ее нагревают до Т = 900 – 9500С в вакууме. Все примеси возгоняются и в виде паров конденсируются в специальных конденсаторах реактора.

6. Титановую губку на слитки плавят в вакуумно-дуговых печах. Вакуум в печах предохраняет титан от окисления и способствует очистке его от примесей. Полученные слитки из-за высокой пористости губки имеют большое количество дефектов – раковин, пор. Для получения плотного металла их подвергают второму вакуумно-дуговому переплаву, используя как расходуемые электроды. После этого чистота титана составляет 99,6 – 99,7%. Слитки после второго переплава используют для прокатки на лист, профиль, ковки, штамповки заготовок и т. д.

Для получения сплавов титана с другими металлами (Al, Mg, V и др.) эти металлы примешивают к губке перед первым переплавом. После второго переплава получают плотные с равномерным составом сплавы.

Титан

История

Открытие диоксида титана (TiO2) сделали практически одновременно и независимо друг от друга англичанин У. Грегор и немецкий химик М. Г. Клапрот. У. Грегор, исследуя состав магнитного железистого песка (Крид, Корнуолл, Англия, 1791), выделил новую «землю» (оксид) неизвестного металла, которую назвал менакеновой. В 1795 году немецкий химик Клапрот открыл в минерале рутиле новый элемент и назвал его титаном. Спустя два года Клапрот установил, что рутил и менакеновая земля — оксиды одного и того же элемента, за которым и осталось название «титан», предложенное Клапротом. Через 10 лет открытие титана состоялось в третий раз: французский учёный Л. Воклен обнаружил титан в анатазе и доказал, что рутил и анатаз — идентичные оксиды титана.

Первый образец металлического титана получил в 1825 году швед Й. Я. Берцелиус. Из-за высокой химической активности титана и сложности его очистки чистый образец Ti получили голландцы А. ван Аркел и И. де Бур в 1925 году термическим разложением паров иодида титана TiI4.

Титан не находил промышленного применения, пока люксембуржец Г. Кролл в 1940 году не запатентовал простой магниетермический метод восстановления металлического титана из тетрахлорида; этот метод процесс Кролла до настоящего времени остаётся одним из основных в промышленном получении титана.

Происхождение названия

Металл получил своё название в честь титанов, персонажей древнегреческой мифологии, детей Геи. Название элементу дал Мартин Клапрот в соответствии со своими взглядами на химическую номенклатуру в противовес французской химической школе, где элемент старались называть по его химическим свойствам. Поскольку немецкий исследователь сам отметил невозможность определения свойств нового элемента только по его оксиду, он подобрал для него имя из мифологии, по аналогии с открытым им ранее ураном.

Нахождение в природе

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. Титан в условиях выветривания и осаждения имеет геохимическое сродство с Al2O3. Он концентрируется в бокситах коры выветривания и в морских глинистых осадках. Перенос титана осуществляется в виде механических обломков минералов и в виде коллоидов. До 30 % TiO2 по весу накапливается в некоторых глинах. Минералы титана устойчивы к выветриванию и образуют крупные концентрации в россыпях. Известно более 100 минералов, содержащих титан. Важнейшие из них: рутил TiO2, ильменит FeTiO3, титаномагнетит FeTiO3 + Fe3O4, перовскит CaTiO3, титанит (сфен) CaTiSiO5. Различают коренные руды титана — ильменит-титаномагнетитовые и россыпные — рутил-ильменит-цирконовые.

Месторождения

Крупные коренные месторождения титана находятся на территории ЮАР, России, Украины, Канады, США, Китая, Норвегии, Швеции, Египта, Австралии, Индии, Южной Кореи, Казахстана; россыпные месторождения имеются в Бразилии, Индии, США, Сьерра-Леоне, Австралии. В странах СНГ ведущее место по разведанным запасам титановых руд занимает РФ (58,5 %) и Украина (40,2 %). Крупнейшее месторождение в России — Ярегское.

Запасы и добыча

Основные руды: ильменит (FeTiO3), рутил (TiO2), титанит (CaTiSiO5).

По данным на 2002 год, 90 % добываемого титана использовалось на производство диоксида титана TiO2. Мировое производство диоксида титана составляло 4,5 млн т. в год. Подтверждённые запасы диоксида титана (без России) составляют около 800 млн т. На 2006 год, по оценке Геологической службы США, в пересчёте на диоксид титана и без учёта России, запасы ильменитовых руд составляют 603—673 млн т., а рутиловых — 49,7—52,7 млн т. Таким образом, при нынешних темпах добычи мировых разведанных запасов титана (без учёта России) хватит более чем на 150 лет.

Россия обладает вторыми в мире, после Китая, запасами титана. Минерально-сырьевую базу титана России составляют 20 месторождений (из них 11 коренных и 9 россыпных), достаточно равномерно рассредоточенных по территории страны. Самое крупное из разведанных месторождений (Ярегское) находится в 25 км от города Ухта (Республика Коми). Запасы месторождения оцениваются в 2 миллиарда тонн руды со средним содержанием диоксида титана около 10 %.

Крупнейший в мире производитель титана — российская компания «ВСМПО-АВИСМА».

Получение


Брусок кристаллического титана (чистота 99,995 %, вес ≈283 г, длина ≈14 см, диаметр ≈25 мм), изготовленный на заводе «Уралредмет» иодидным методом ван Аркеля и де Бура

Как правило, исходным материалом для производства титана и его соединений служит диоксид титана со сравнительно небольшим количеством примесей. В частности, это может быть рутиловый концентрат, получаемый при обогащении титановых руд. Однако запасы рутила в мире весьма ограничены, и чаще применяют так называемый синтетический рутил или титановый шлак, получаемые при переработке ильменитовых концентратов. Для получения титанового шлака ильменитовый концентрат восстанавливают в электродуговой печи, при этом железо отделяется в металлическую фазу (чугун), а невосстановленные оксиды титана и примесей образуют шлаковую фазу. Богатый шлак перерабатывают хлоридным или сернокислотным способом.

Концентрат титановых руд подвергают сернокислотной или пирометаллургической переработке. Продукт сернокислотной обработки — порошок диоксида титана TiO2. Пирометаллургическим методом руду спекают с коксом и обрабатывают хлором, получая пары тетрахлорида титана TiCl4:

TiO2 + 2C + 2Cl2 → TiCl4 + 2CO

Образующиеся пары TiCl4 при 850 °C восстанавливают магнием:

TiCl4 + 2Mg → 2MgCl2 + Ti

Кроме этого, в настоящее время начинает получать популярность так называемый процесс FFC Cambridge, названный по именам его разработчиков Дерека Фрэя, Тома Фартинга и Джорджа Чена из Кембриджского университета, где он был создан. Этот электрохимический процесс позволяет осуществлять прямое непрерывное восстановление титана из оксида в расплаве смеси хлорида кальция и негашёной извести (оксида кальция). В этом процессе используется электролитическая ванна, наполненная смесью хлорида кальция и извести, с графитовым расходуемым (либо нейтральным) анодом и катодом, изготовленным из подлежащего восстановлению оксида. При пропускании через ванну тока температура быстро достигает ~1000—1100 °C, и расплав оксида кальция разлагается на аноде на кислород и металлический кальций:

2CaO → 2Ca + O2

Полученный кислород окисляет анод (в случае использования графита), а кальций мигрирует в расплаве к катоду, где и восстанавливает титан из его оксида:

O2 + C → CO2 TiO2 + 2Ca → Ti + 2CaO

Образующийся оксид кальция вновь диссоциирует на кислород и металлический кальций, и процесс повторяется вплоть до полного преобразования катода в титановую губку либо исчерпания оксида кальция. Хлорид кальция в данном процессе используется как электролит для придания электропроводности расплаву и подвижности активным ионам кальция и кислорода. При использовании инертного анода (например, диоксида олова), вместо углекислого газа на аноде выделяется молекулярный кислород, что меньше загрязняет окружающую среду, однако процесс в таком случае становится менее стабильным, и, кроме того, в некоторых условиях более энергетически выгодным становится разложение хлорида, а не оксида кальция, что приводит к высвобождению молекулярного хлора.

Полученную титановую «губку» переплавляют и очищают. Рафинируют титан йодидным способом или электролизом, выделяя Ti из TiCl4. Для получения титановых слитков применяют дуговую, электронно-лучевую или плазменную переработку.

Физические свойства

Титан — лёгкий серебристо-белый металл. При нормальном давлении существует в двух кристаллических модификациях: низкотемпературный α-Ti с гексагональной плотноупакованной решёткой (гексагональная сингония, пространственная группа C6mmc, параметры ячейки a = 0,2953 нм, c = 0,4729 нм, Z = 2) и высокотемпературный β-Ti с кубической объёмно-центрированной упаковкой (кубическая сингония, пространственная группа Im3m, параметры ячейки a = 0,3269 нм, Z = 2), температура перехода α↔β 883 °C, теплота перехода ΔH=3,8 кДж/моль (87,4 кДж/кг). Большинство металлов при растворении в титане стабилизируют β-фазу и снижают температуру перехода α↔β. При давлении выше 9 ГПа и температуре выше 900 °C титан переходит в гексагональную фазу (ω-Ti). Плотность α-Ti и β-Ti соответственно равна 4,505 г/см³ (при 20 °C) и 4,32 г/см³ (при 900 °C). Атомная плотность α-титана 5,67⋅1022 ат/см³.

Температура плавления титана при нормальном давлении равна 1670 ± 2 °C, или 1943 ± 2 К (принята в качестве одной из вторичных калибровочных точек температурной шкалы ITS-90. Температура кипения 3287 °C. При достаточно низкой температуре (-80 °C), титан становится довольно хрупким. Молярная теплоёмкость при нормальных условиях Cp = 25,060 кДж/(моль·K), что соответствует удельной теплоёмкости 0,523 кДж/(кг·K). Теплота плавления 15 кДж/моль, теплота испарения 410 кДж/моль. Характеристическая дебаевская температура 430 К. Теплопроводность 21,9 Вт/(м·К) при 20 °C. Температурный коэффициент линейного расширения 9,2·10−6 К−1 в интервале от −120 до +860 °C. Молярная энтропия α-титана S0 = 30,7 кДж/(моль·К). Для титана в газовой фазе энтальпия формирования ΔH0
f = 473,0 кДж/моль, энергия Гиббса ΔG0
f = 428,4 кДж/моль, молярная энтропия S0 = 180,3 кДж/(моль·К), теплоёмкость при постоянном давлении Cp = 24,4 кДж/(моль·K)

Удельное электрическое сопротивление при 20 °C составляет 0,58 мкОм·м (по другим данным 0,42 мкОм·м), при 800 °C 1,80 мкОм·м. Температурный коэффициент сопротивления 0,003 К−1 в диапазоне 0…20 °C.

Пластичен, сваривается в инертной атмосфере. Прочностные характеристики мало зависят от температуры, однако сильно зависят от чистоты и предварительной обработки. Для технического титана твёрдость по Виккерсу составляет 790—800 МПа, модуль нормальной упругости 103 ГПа, модуль сдвига 39,2 ГПа. У высокочистого предварительно отожжённого в вакууме титана предел текучести 140—170 МПа, относительное удлинение 55—70 %, твёрдость по Бринеллю 716 МПа.

Имеет высокую вязкость, при механической обработке склонен к налипанию на режущий инструмент, и поэтому требуется нанесение специальных покрытий на инструмент, различных смазок.

При обычной температуре покрывается защитной пассивирующей плёнкой оксида TiO2, благодаря этому коррозионностоек в большинстве сред (кроме щелочной).

Температура перехода в сверхпроводящее состояние 0,387 К. При температурах выше 73 кельвин титан парамагнитен. Магнитная восприимчивость при 20 °C составляет 3,2·10−6. Постоянная Холла α-титана равна +1,82·10−13.

Изотопы

Основная статья: Изотопы титана

Известны изотопы титана с массовыми числами от 38 до 63 (количество протонов 22, нейтронов от 16 до 41), и 2 ядерных изомера.

Среди искусственных изотопов самые долгоживущие 44Ti (период полураспада 60 лет) и 45Ti (период полураспада 184 минуты).

Химические свойства

Устойчив к коррозии благодаря оксидной плёнке, но при измельчении в порошок, а также в тонкой стружке или проволоке титан пирофорен. Титановая пыль имеет свойство взрываться. Температура вспышки — 400 °C. Титановая стружка пожароопасна.

Титан устойчив к разбавленным растворам многих кислот и щелочей (кроме HF, H3PO4 и концентрированной H2SO4). Титан устойчив к влажному хлору и водным растворам хлора.

Легко реагирует даже со слабыми кислотами в присутствии комплексообразователей, например, с плавиковой кислотой HF он взаимодействует благодаря образованию комплексного аниона 2−. Титан наиболее подвержен коррозии в органических средах, так как в присутствии воды на поверхности титанового изделия образуется плотная пассивная плёнка из оксидов и гидрида титана. Наиболее заметное повышение коррозионной стойкости титана заметно при повышении содержания воды в агрессивной среде с 0,5 до 8,0 %, что подтверждается электрохимическими исследованиями электродных потенциалов титана в растворах кислот и щелочей в смешанных водно-органических средах.

При нагревании на воздухе до 1200 °C Ti загорается ярким белым пламенем с образованием оксидных фаз переменного состава TiOx. Из растворов солей титана осаждается гидроксид TiO(OH)2·xH2O, осторожным прокаливанием которого получают оксид TiO2. Гидроксид TiO(OH)2·xH2O и диоксид TiO2 амфотерны.

TiO2 взаимодействует с серной кислотой при длительном кипячении. При сплавлении с содой Na2CO3 или поташом K2CO3 оксид TiO2 образует титанаты:

TiO2 + K2CO3 → K2TiO3 + CO2

При нагревании Ti взаимодействует с галогенами (например, с хлором — при 550 °C). Тетрахлорид титана TiCl4 при обычных условиях — бесцветная жидкость, сильно дымящая на воздухе, что объясняется гидролизом TiCl4, содержащимися в воздухе парами воды и образованием мельчайших капелек HCl и взвеси гидроксида титана.

Восстановлением TiCl4 водородом, алюминием, кремнием, другими сильными восстановителями, получен трихлорид и дихлорид титана TiCl3 и TiCl2 — твёрдые вещества, обладающие сильными восстановительными свойствами. Ti взаимодействует с Br2 и I2.

С азотом N2 выше 400 °C титан образует нитрид TiNx (x = 0.58—1.00). Титан — единственный элемент, который горит в атмосфере азота.

При взаимодействии титана с углеродом образуется карбид титана TiCx (x = 0.49—1.00).

При нагревании Ti поглощает H2 с образованием соединения переменного состава TiHx (x = 2.00—2.98). При нагревании эти гидриды разлагаются с выделением H2.

Титан образует сплавы и интерметаллические соединения со многими металлами.

Применение

В чистом виде и в виде сплавов


Часы из титанового сплава
Заготовка титанового шпангоута истребителя F-15 до и после прессования на штамповочном прессе компании Alcoa усилием 45 тыс. тонн, май 1985

Использование металлического титана во многих отраслях промышленности обусловлено тем, что его прочность примерно равна прочности стали при том, что он на 45 % легче. Титан на 60 % тяжелее алюминия, но прочнее его примерно вдвое.

  • Титан в виде сплавов является важнейшим конструкционным материалом в авиа- и ракетостроении, в кораблестроении.
  • Металл применяется в химической промышленности (реакторы, трубопроводы, насосы, трубопроводная арматура), военной промышленности (бронежилеты, броня и противопожарные перегородки в авиации, корпуса подводных лодок), промышленных процессах (опреснительных установках, процессах целлюлозы и бумаги), автомобильной промышленности, сельскохозяйственной промышленности, пищевой промышленности, спортивных товарах, ювелирных изделиях, мобильных телефонах, лёгких сплавах и т. д.
  • Титан является физиологически инертным, благодаря чему применяется в медицине (протезы, остеопротезы, зубные имплантаты), в стоматологических и эндодонтических инструментах, украшениях для пирсинга.
  • Титановое литьё выполняют в вакуумных печах в графитовые формы. Также используется вакуумное литьё 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 во многих легированных сталях и большинстве спецсплавов.
  • 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.
  • Титан является одним из наиболее распространённых геттерных материалов, используемых в высоковакуумных насосах.

Существует множество титановых сплавов с различными металлами. Легирующие элементы разделяют на три группы, в зависимости от их влияния на температуру полиморфного превращения: на бета-стабилизаторы, альфа-стабилизаторы и нейтральные упрочнители. Первые понижают температуру превращения, вторые повышают, третьи не влияют на неё, но приводят к растворному упрочнению матрицы. Примеры альфа-стабилизаторов: алюминий, кислород, углерод, азот. Бета-стабилизаторы: молибден, ванадий, железо, хром, никель. Нейтральные упрочнители: цирконий, олово, кремний. Бета-стабилизаторы, в свою очередь, делятся на бета-изоморфные и бета-эвтектоидообразующие.

Самым распространённым титановым сплавом является сплав Ti-6Al-4V (в российской классификации — ВТ6), содержащий около 6% алюминия и около 4% ванадия. По соотношению кристаллических фаз он классифицируется как (α+β)-сплав. На его производство идёт до 50% добываемого титана.

Ферротитан (сплав титана с железом, содержащий 18—25% титана) используют в чёрной металлургии для раскисления стали и удаления растворённых в ней нежелательных примесей (сера, азот, кислород).

В 1980-х годах около 60-65 % добываемого в мире титана использовалось в строительстве летательных аппаратов и ракет, 15% — в химическом машиностроении, 10% — в энергетике, 8% — в строительстве судов и для опреснителей воды.

В виде соединений

  • Белый диоксид титана (TiO2) используется в красках (например, титановые белила), а также при производстве бумаги и пластика. Пищевая добавка E171.
  • Титанорганические соединения (например, тетрабутоксититан) применяются в качестве катализатора и отвердителя в химической и лакокрасочной промышленности.
  • Неорганические соединения титана применяются в химической электронной, стекловолоконной промышленности в качестве добавки или покрытий.
  • Карбид титана, диборид титана, карбонитрид титана — важные компоненты сверхтвёрдых материалов для обработки металлов.
  • Нитрид титана применяется для покрытия инструментов, куполов церквей и при производстве бижутерии, так как имеет цвет, похожий на золото.
  • Титанат бария BaTiO3, титанат свинца PbTiO3 и ряд других титанатов — сегнетоэлектрики.
  • Тетрахлорид титана используется для иридизации стёкла и для создания дымовых завес.

Анализ рынков потребления

В 2005 компания Titanium Corporation опубликовала следующую оценку потребления титана в мире:

  • 60 % — краска;
  • 20 % — пластик;
  • 13 % — бумага;
  • 7 % — машиностроение.

Цены

Цена титана составляет $5,9-6,0 за килограмм, в зависимости от чистоты.

Чистота и марка чернового титана (титановой губки) обычно определяется по его твёрдости, которая зависит от содержания примесей.

Сырьевая база для производства титана

14.05.2015
Сводных данных о запасах титана в капиталистических странах не опубликовано, однако они, очевидно, значительны. Крупные россыпные месторождения титана известны в Индии, на Цейлоне, в Австралии, Бразилии, в США (штат Флорида). Крупнейшие коренные месторождения богатых руд титана известны в Канаде.
Общие запасы ТiO2 оцениваются в США 45—60 млн. т. Канаде 36—65 млн. г, Индии 35 млн. т и Норвегии 23 млн. т.
Кларк титана в земной коре 0,44, в основных породах 0,9, в кислых 0,23. Концентрация титана в коренных месторождениях превышает его кларк в 30—40 и более раз. Как коренные, так и россыпные месторождения титановых руд расположены в областях развития основных пород, реже — в песчаниках и амфиболитах.
В природе очень много минералов, содержащих те или иные количества титана, основные из них приведены в табл. 45.

Промышленное значение имеют только два минерала — рутил и ильменит; частично к ним могут быть отнесены лейкоксен и лопарит. Кроме того, к потенциальным источникам титана может быть отнесен сфен, если для него будут найдены рациональные методы переработки.
Ильменит обычно содержит изоморфные примеси магния, марганца, ванадия, реже — хрома и алюминия; присутствует во всех изверженных и во многих осадочных и метаморфических породах. Коренные месторождения ильменита размещены в изверженных породах. Ильменит устойчив в условиях выветривания и поэтому часто накапливается в россыпях. В ильменитовых россыпях его содержится несколько десятков, а иногда и сотни килограммов в 1 м3 песка, а в других россыпях содержание его достигает нескольких килограммов.
Рутил — весьма устойчивый минерал, накапливается в россыпях. Гидратированная окись титана, вероятно, в форме геля, называется лейкоксеном.
В лейкоксенезированном ильмените содержание двуокиси титана 60—65%. Разновидность рутила с примесью железа, ниобия и тантала называется ильменорутилом.
Изоморфная смесь FeTiO3 + Ре2О3 (ильменита и магнетита) называется титаномагнетитом. Содержание двуокиси титана в титаномагнетите в богатых разностях 10—17%, в бедных — 5—8%.
Промышленно интересное сырье — лопарит и кнопит из группы перовскита.
Лопарит в промышленных количествах встречается в хорошо дифференцированных массивах щелочных изверженных пород. Кнопит — разновидность перовскита, содержащая ниобий, тантал и торий.
Сфен — широко распространенный минерал, встречающийся почти во всех горных породах, в наибольших концентрациях — только в щелочных породах — нефелиновых сиенитах.
Промышленные месторождения титана можно разделить на две группы: коренные месторождения и россыпи. Россыпи титановых минералов дают основную массу промышленного сырья.
Среди промышленных коренных месторожденний титановых руд выделяются два основных типа: ильменитовые и перовскито-лопаритовые месторождения
Ильменитовые месторождения имеют магматическое происхождение и тесно связаны с изверженными породами основного состава; габбро, габбро-анортозитами, габбро-норитами, лабродотитами, габбро-диабазами и реже — ультраосновными породами. По составу — это ильменитовые, ильменит-магнетитовые, ильменит-титаномагнетитовые, иногда рутил-ильменитовые руды; по форме залегания — это жилообразные, линзообразные залежи массивных руд, а также зоны вкрапленных руд с содержанием двуокиси титана в них 10—30%- Ильменитовые месторождения обычно очень крупные (с запасом в десятки миллионов тонн титана).
Кроме титана, полезлые компоненты в этих рудах железо, ванадий, фосфор в виде апатита, иногда медь.
Структура и текстура руд позволяет получать механическими способами обогащения ильменитовые, магнетитовые, титано.магнетито-вые и апатитовые концентраты. Месторождения, связанные с габбро-диабазами и ультраосновными породами, обычно титаномагнетитовые, из которых механическими способами обогащения, как правило, не удается получать ильменитовые концентраты.
Примером ильменит-магнетитовых месторождений, связанных с габбро, служит Кусинское месторождение на Урале. Руда в виде параллельных жилообразных массивных залежей на 90—95% состоит из магнетита и ильменита; второстепенные рудные минералы: гематит, лейкоксен, рутил, пирит, халькопирит. Магнетит по объему занимает 60—70%, величина его зерен, как и зерен ильменита, в среднем 0,2—0,3 мм.
Одним из крупнейших месторождений ильменито-магнетитовых руд является Лиганга в Танганьике, где мощность массивных жил руды достигает 200 м, а одно из рудных тел прослежено на 20 км. Крупные месторождения ильменито-магнетитовых руд, связанные с габбро-анортозитами, известны в США (штат Нью-Йорк — Сэнфорд). Массивные руды этого крупнейшего месторождения содержат около 30% ильменита и 60% магнетита; в них присутствует 0,5% ванадия.
Крупнейшие месторождения ильменито-магнетитовых руд, также приуроченные к габбро-анортозитовому массиву, известны в провинции Квебек (Канада). Содержание двуокиси титана в рудах 10—20%.
Крупнейшее месторождение гематито-ильменитовых руд — Лак-Тио. Высокопроцентные руды этого района содержат 75% ильменита, 20% гематита и 5% других, в том числе сульфидных минералов. Содержание двуокиси титана 32—36%, железа 39—43%.
В США в округе Нельсон (штат Виргиния) в анортозитовом массиве известны месторождения рутила и ильменита с апатитом. Ильменит-апатитовые (местное название нельсонитовые) руды состоят из ильменита и апатита (64% ильменита и 27% апатита, остальное — жильные минералы). Зоны вкрапленных руд рутила с содержанием его в несколько процентов также являются объектом эксплуатации.
Перовскито-лопаритовые месторождения связаны со щелочными породами. Эти месторождения отличаются сложными по составу комплексными рудами, содержащими редкоземельные и радиоактивные элементы. Среди россыпных месторождений титана важнейшими являются современные и древние прибрежно-морские россыпи ильменита и рутила. Из этих россыпей добывается в капиталистических странах более 40% ильменита.

Современные прибрежно-морские россыпи разведаны и эксплуатируются в США (штат Флорида), в Южной Америке, Австралии, Индии, Индонезии и Африке, а также на острове Цейлон. Пески этих россыпей состоят из кварца с тем или иным количеством ильменита, рутила, циркона, монацита и других устойчивых минералов. Материал россыпей, как правило, очень тонкий.
Прибрежно-морские россыпи Австралии — самые богатые и самые крупные в капиталистических странах. В Индии богатые россыпи находятся на юго-западе полуострова Индостан в штате Траванкор; богатые пески содержат 50—70% ильменита. Состав шлиха: 65% ильменита, 8% циркона, 2% монацита, 15% граната и 10% силлиманита.
На восточном побережье острова Цейлон так называемые «черные» пески состоят на 72% из ильменита, 10—12% рутила и 6—8% циркона. Содержание ильменита в дюнных песках 10—50%. Пески очень тонки — менее 0,08—0,1 мм.
Прибрежно-морские россыпи Флориды (США) расположены на восточном побережье полуострова и тянутся на 33 км. Имеются как современные, пляжевые, так и дюнные россыпи. Разрабатываемые пески содержат около 4% тяжелых минералов с удельным весом более 2,9. Тяжелая фракция состоит на 40% из ильменита, 4% лейкоксена, 7% рутила, 11% циркона. 0,5% монацита; 37,5% приходится на кнопит, силлиманит, ставролит, гранит и др.
Кроме современных прибрежно-морских россыпей, известны и аналогичные древние мезозойские и третичные образования, представленные слабо сцементированными песками; более древние образования оказываются сцементированными более сильно и обычно превращены в песчаники, что осложняет их переработку.
Древние прибрежно-морские россыпи известны в России на Украине, в Западной Сибири и других районах. Россыпи, как и современные образования. комплексные, богатые и тонкозернистые. Например, шлихи из сарматских песков украинских месторождений состоят на 13—17% из рутила, 32—37% ильменита, 9—11% циркона; 40% нерудных минералов — дистен, стравролит, силлиманит и турмалин.
Кроме прибрежно-морских, известное промышленное значение имеют и аллювиальные ильменитовые россыпи, которые хотя и беднее прибрежно-морских, но вследствие большей крупности зерен ильменита лучше обогащаются и дают более чистый концентрат.
Известный промышленный интерес имеет также кора выветривания габбро-анортизитовых и лабродоритовых пород, обогащенная ильменитом и характеризующаяся высоким содержанием (сотни килограммов на кубический метр) ильменита, заключенного в дезинтегрированном и каолинизированном материале. Запасы таких месторождений значительны.

  • Сырьевая база для производства магния
  • Сырьевая база для производства алюминий
  • Сырьевая база цветной металлургии
  • Цирконий
  • Ниобий и тантал
  • Селен и теллур
  • Германий и кремний (полупроводники)
  • Платиновые металлы
  • Серебро
  • Золото

Развитие и размещение цветной металлургии

Выделяют несколько групп цветных металлов: легкие (алюминий, магний, титан), тяжелые (медь, никель, олово), малые (ртуть, мышьяк), легирующие (ванадий, вольфрам), благородные и редкие. Цветные металлы редко когда используются в чистом виде, как правило, конечная продукция отрасли представлена различными сплавами.

В России из руд извлекается порядка 74 цветных металлов. Как в мире, так и в России по объемам производства выделяется так называемая «большая шестерка» цветных металлов (более ½ всего производства): алюминий, медь, никель, цинк, олово и свинец. Значительное развитие также получило производство: магния, титана, золота, серебра, вольфрама, молибдена, платины и платиноидов.

На размещение отрасли большое значение оказывают особенности используемого минерального сырья. Среди них:

1. Очень низкое содержание полезного компонента в сырье (очень часто менее 1 %). Например, для получения 1 тонны меди необходимо переработать до 150 тонн руды, 1 тонны олова – 300 тонн. Поэтому начальные стадии передела (обогащение добытых руд) размещаются у источников сырья.

2. Комплексный характер сырья: в рудах цветных металлов помимо основного компонента содержатся сопутствующие. К примеру, медные руды содержат свинец, цинк, золото, серебро, мышьяк и др. Поэтому наиболее эффективной формой организации производства в цветной металлургии является комбинирование на основе полного использования сырья за счет многостадийных переделов.

Поскольку базовые технологии, применяющиеся в России, не отвечают современным требованиям к охране окружающей среды, большинство предприятий отрасли является эколого-опасными, формирующими в зоне своего влияния ареалы с острыми экологическими ситуациями. Весьма показателен пример Карабаша – одного из самых экологически проблемных городов мира.

Алюминиевая промышленность России. В составе отрасли предприятия по добыче алюминий содержащих руд (бокситы, нефелины), глиноземные заводы, заводы по выплавке алюминия, предприятия по производству алюминиевого проката и фольги, сплавов на его основе. По итогам 2008 года в России было произведено почти 4 млн. тонн алюминия – 2 место в мире после КНР.

После распада СССР большую часть глинозема Россия вынуждена импортировать, так как собственное производство покрывает только 40 % потребностей. Основные поставки глинозема осуществляются из таких стран как Казахстан (более 30 %), Украина (более 20 %), Индия (10 %), Гвинея (около 10 %). По оценкам экспертов в себестоимости алюминия транспортные затраты на доставку глинозема например из Гвинеи составляют всего 3 – 5 %. Собственное производство глинозема сосредоточено преимущественно у источников сырья и представлено несколькими предприятиями (табл. 43).

Таблица 43

Российские предприятия – производители глинозёма

Завод Местоположение Сырьевая база предприятия
Богословский алюминиевый (1) Свердловской обл., Краснотурьинск Северо-Уральская группа месторождений бокситов
Уральский алюминиевый (3) Свердловской обл., Каменск-Уральский
Волховский алюминиевый Ленинградская обл., Волхов нефелины Хибинского месторождения
Кандалакшский алюминиевый Мурманская обл., Кандалакша
Ачинский глинозёмный комбинат (2) Красноярский край Кия-Шалтырское месторождение нефелинов
«Бокситогорский глинозём» Ленинградская обл. Тихвинское месторождение бокситов
«Пикалевское ПГО глинозём» Ленинградская обл. нефелины Хибинского месторождения

Примечание: жирным шрифтом выделены, с указанием ранга, крупнейшие производители глинозёма.

85 % — 90 % производимого в стране алюминия экспортируется.

Производство алюминиевого проката тяготеет к ареалам потребления и рассредоточено по следующим центрам: Самара (40 %), Каменск-Уральский (30 %), Белая Калитва (15 %), Ступино (10 %), Красноярск, Михайловский, Санкт-Петербург, Саяногорск. Эти предприятия ориентируются на своих потребителей – предприятия авиационной и автомобильной промышленности.

Выпуск алюминиевой банки организован у главных потребителей (Москва и Санкт-Петербург) в таких центрах как Дмитров, Наро-Фоминск, Всеволжск. Суммарно они дают более 90 % выпуска алюминиевой банки в стране. Новое предприятие этого профиля построено в Челябинской области (Аргаяш).

Обсуждаются перспективы возможного строительства новых заводов по выплавке первичного алюминия в Тайшете (Иркутская область), а также вблизи Рефтинской (Свердловская область) и Троицкой (Челябинская область) ГРЭС.

В производстве алюминия используется криолит, изготавливающийся из флюоритовых концентратов. В России действует 2 криолитовых завода: Кувандыкский (Оренбургская область) и Полевской (Свердловская область).

Медная промышленность России. В составе отрасли предприятия по добыче медь содержащих руд (медистые песчаники, медные колчеданы и порфировые руды) и их обогащению — ГОКи, заводы по выплавке черновой и рафинированной (катодной) меди, комбинаты, объединяющие три выше названные стадии, заводы по производству медного проката (фольги, труб и др.) и переработке медьсодержащего вторсырья.

По итогам 2008 года в России было произведено около 1 млн. тонн рафинированной меди – 5 место в мире после Чили, КНР, Японии и США. 70 % производимой в стране меди экспортируется.

Распределение добычи меди между субъектами России выглядит следующим образом: Красноярский край (64 %), Оренбургская область (12 %), Башкортостан (4 %), Свердловская область (4 %), Челябинская область (3 %), Мурманская область (3 %), прочие регионы – 10 %. В перспективе может начаться освоение крупнейшего медного месторождения глобального значения в зоне БАМа – Удоканского (Читинская область). Его запасы оцениваются в 1, 3 млрд. тонн медной руды (30 % от России).

Поскольку содержание меди в рудах невелико, транспортировка медных руд экономически неэффективна. Это является причиной того, что циклы переработки меди от добычи руды до получения концентрата и выплавки чернового металла обычно территориально локализованы в районах залегания соответствующих руд. Вместе с тем, концентрат меди и черновая медь вполне транспортабельны. Это создает предпосылки для более свободного размещения конечных стадий производственного процесса.

Географическая структура производства черновой и рафинированной меди в России характеризуется наличием одного мощного центра, на долю которого приходится 45 % выпуска продукции (Норильский комбинат, в рамках которого объединены все стадии от добычи сырья до производства рафинированной меди) и обширного ареала относительно маломощных предприятий Урала (55 % выпуска продукции). На Урале территориально обособились заводы по выплавке черновой (Карабаш, Ревда, Медногорск, Сибай и др.) – тяготеют к источникам сырья и производству рафинированной (Верхняя Пышма, Кыштым) меди.

Таблица 44

Предприятия медной промышленности России

Предприятие Месторасположение Группа Объёмы производства, тыс. т
Добыча руды и производство концентратов
Гайский ГОК Оренбургская обл., Гай УГМК
Бурибаевское РУ Башкортостан, Бурибай
Александринская ГРК Челябинская обл. «Русская медная компания»
Учалинский ГОК Башкортостан, Учалы УГМК
«Сафьяновская медь» Свердловская обл., Реж УГМК
Норильский ГМК Красноярский край, Талнах РАО «Норникель»
«Ормет» Оренбургская область, Орск Русская медная компания
«Уралгидромедь» Свердловская область, Полевской Русская медная компания
Урупский ГОК УГМК
Выплавка черновой меди
«Святогор» Свердловская обл., Красноуральск УГМК
Среднеуральский МПЗ Свердловская обл., Ревда УГМК
Башкирский МСК Башкортостан, Сибай
Кировоградский МПЗ Свердловская обл., Кировоград УГМК
Медногорский МСК Оренбургская обл., Медногорск УГМК
«Карабашмедь» Челябинская обл., Карабаш «Русская медная компания»
Производство рафинированной меди
Норильский ГМК Красноярский край, Норильск РАО «Норникель»
«Уралэлектромедь» Свердловская обл., Верхняя Пышма УГМК
Кыштымский МЭЗ Челябинская обл., Кыштым «Русская медная компания»
«Печенганикель» Мурманская обл., Никель РАО «Норникель»
«Североникель» Мурманская обл., Мончегорск РАО «Норникель»
Производство медного проката
Каменск-Уральский з-д ОЦМ Свердловская обл.
Верх-Нейвинский завод ОЦМ Свердловская область УГМК
Кировский з-д ОЦМ Кировская обл., Киров
Ревдинский з-д ОЦМ Свердловская обл.
Гайский з-д ОЦМ Оренбургская обл., Гай
КМЭЗ Челябинская обл. РМК
«Уралэлектромедь» Свердловская обл. УГМК
Владимирская область, Кольчугино
Переработка медного лома
Новгородский металлургический завод Новгородская область, Великий Новгород «Русская медная компания»

Никелевая промышленность России.В составе отрасли предприятия по добыче никель содержащих руд (сульфидные руды) и их обогащению, заводы по выплавке чернового никеля, металлургические комбинаты полного цикла.

По итогам 2008 года в России было произведено около 300 тыс. тонн никеля – 1 место (25 % мирового рынка). Более 80 % никеля экспортируется.

По запасам никелевых руд Россия занимает 2 место в мире (10 %) после Австралии.

Выплавка никеля размещается вблизи мест добычи сырья и его обогащения. Географическая структура производства достаточно проста: 95 % выпуска сосредоточено в Норильске и отчасти на его дочерних предприятиях в Мурманской области (города Никель и Мончегорск. В 2009 году на российских подразделениях компании «Норникель» было произведено почти 240 тыс. тонн никеля. На маломощные предприятия Урала приходится около 10 % производства никеля (Орск, Верхний Уфалей, Реж).

Интересно, что в 1950 году соотношение между Норильском и уральскими заводами в производстве никеля было противоположным: уральские заводы суммарно давали 65 % выпуска никеля. Как видим, производство постепенно сосредотачивается на наиболее передовых в техническом отношении и лучше обеспеченных сырьем предприятиях.

Попутно в Норильске (60 %) и Верхнем Уфалее (40 %) в рамках производственного комбинирования производят металлический кобальт. Руды Норильского района комплексные. Поэтому «Норникель» является одним из крупнейших производителей в мире платины и палладия. Заметим, что кроме Норильского рудного поля, новый ареал добычи платины сформировался в Камчатском крае («Корякгеологодобыча»).

Цинковая промышленность России.В составе отрасли предприятия по добыче цинк содержащих руд (полиметаллические, медные колчедановые и др.) и их обогащению, заводы по выплавке цинка.

По итогам 2008 года в России было произведено около 230 тыс. тонн цинка. Более 50 % цинка экспортируется. На территории России сосредоточено порядка 20 % мировых запасов цинковых руд. Крупнейшие месторождения цинковых руд на территории Бурятии (40 % от российских запасов), но основной район выпуска цинковых концентратов – Урал (75 %).

Руды цинковых месторождений содержат незначительный процент чистого металла (2 – 4 %) и поэтому не транспортабельны. Вот почему их обогащение сосредоточено у источников сырья. Получаемые в ходе обогащения концентраты (содержание металла до 60 %) вполне транспортабельны. Это создает предпосылки для территориального отрыва предприятий по выплавке цинка от источников сырья. Географический нонсенс: до 2007 года Челябинский цинковый завод часть концентрата закупал у предприятия «Дальполиметалл» (Приморский край). По западным меркам с логистической точки зрения транспортное плечо поставок в 7 000 км заведомо неконкурентоспособно.

В России 55 – 60 % цинка производится на заводе в Челябинске, плохо обеспеченным местным сырьем. Цинковые концентраты на переработку в Челябинск поступают с обогатительных предприятий всего Урала, Северного Кавказа, Сибири и некоторых зарубежных стран. Еще одно предприятие по выплавке цинка размещено во Владикавказе – 30 – 40 % (Северная Осетия) и использует местные цинковые концентраты. Цинковый завод в Белово (Кемеровская область) практически утратил производственный потенциал. Предполагается строительство нового цинкового завода в Орске.

Оловянная промышленность России. В составе отрасли предприятия по добыче оловянной руды (касситерит) и их обогащению, комбинат по выплавке олова. По итогам 2006 года в России было произведено около 5 тыс. тонн олова.

Таблица 45

Распределение разведанных запасов олова по регионам России, %

Регион Доля в разведанных запасах, % Месторождения
Саха (Якутия) 36,8 Депутатское, Алыс-Хая, Илинтас, Бургачан, Полярное, Эсе-Хая, Одинокое, Чурпуннья, Тирехтях
Приморский край 21,9 Хрустальное, Дубровское, Тернистое, Забытое, Дальнетаёжное, Арсеньевское, Зимнее
Чукотский АО 18,1 Валькумейское, Иультинское, Пыркакай
Хабаровский край 16,7 Солнечное, Фестивальное, Придорожное, Перевальное, Соболиное, Правоурмийское
Читинская область 2,8 Шерловогорское
Иркутская область 1,6
Магаданская область 0,9 Омсукчанское
Еврейская АО 0,9 Хинганское

По запасам оловянных руд Россия занимает 2 место в мире после КНР. «Обесценивают» эти запасы особенности географического размещения выявленных месторождений. Более 95 % разведанных и 100 % прогнозных запасов находятся на Крайнем Севере и Дальнем Востоке: в труднодоступных, малоосвоенных районах Якутии, Чукотки, Приморского и Хабаровского краев.

Самые крупные месторождения располагаются в приарктических районах со слабо развитой инфраструктурой. Все это делает разработку собственных коренных и рассыпных месторождений олова нерентабельной. Вот почему речь должна идти об экономически активных и неактивных запасах.

Выплавка олова организована на комбинате в Новосибирске (99 % российского производства). Сюда по железной дороге поступают концентраты с Дальнего Востока и ближнего зарубежья.

Свинцовая промышленность России.Россия по разведанным запасам свинца (около 10 %) занимает 3 место в мире после Австралии и Казахстана. Балансовые запасы свинца распределены по полиметаллическим, золоторудным, оловяным и молибденовым месторождениям. Почти 70 % разведанных запасов свинца сосредоточено на юге Восточной Сибири (Горевское, Холодненское и Озерное месторождения), но основным поставщиком свинцовых концентратов выступает предприятие «Дальполиметалл» — 70 % (Приморский край).

Крупнейшие производства первичного свинца распложены во Владикавказе (Северная Осетия), Верхней Пышме (Свердловская область) и Рудной Пристани (Приморский край). Крупнейший центр производства рафинированного свинца – Владикавказ. Наиболее крупные центры производства вторичного металла из вторсырья (аккумуляторного лома) – Верх-Нейвинск и Рязань. Более 50 % свинца, потребляемого на внутреннем рынке, Россия импортирует из Казахстана.

Титано-магниевая промышленность России. По производству магния Россия на 2 месте в мире после КНР, а по выпуску титана (титановая губка и прокат) на 1 месте в мире. На российских предприятиях в качестве сырья, из которого извлекают магний, используют карналлит. Самые крупные в мире залежи карналлита, на базе которых и развивается российская магниевая отрасль, обнаружены в 1925 г. на Среднем Урале, в пределах Верхнекамского соленосного бассейна. Основным сырьем для производства титана в России служит ильменит. Среднее содержание титана в ильменитовых рудах составляет около 30 %. 90 % ильменитового концентрата Россия импортирует из Украины. В качестве поставщиков концентрата выступают Вольногорский и Иршанский ГОКи. Часть сырья поступает из Индии. В перспективе, возможен переход на поставки титанового концентрата с территорий Тамбовской (месторождение Центральное) и Челябинской (месторождение Суроямское) областей.

С позиций теории штандорта промышленности Альфреда Вебера (1909) титано-магниевую отрасль следует отнести к группе весотеряющих отраслей – производств, сопряженных с большой потерей исходного веса сырья в процессе его многостадийного передела (материальный индекс — К > 1). В своем размещении весотеряющие производства тяготеют к источникам сырья (resource-oriented). Так, для получения одной тонны магния требуется переработать 10 – 12 тонн карналлитовой руды. Впрочем, сырьевой фактор не следует считать ведущим для данной отрасли. Ориентация на местное сырье желательна, но … к месту металлургического передела могут быть доставлены концентраты соответствующих руд.

Поскольку получение магния и в особенности титана сопряжено с огромным расходом электроэнергии, наиболее значимым принципом их оптимального размещения, следует считать приближение к источникам дешевой электроэнергии. Если электроемкость производства магния (по разным источникам – от 18 до 22 тыс. кВт/час на 1 тонну продукции) близка к аналогичному показателю выплавки алюминия (17 тыс. кВт/час), то электроемкость выплавки титана составляет 30 – 60 тыс. кВт/час. Вот почему первое советское титано-магниевое предприятие было размещено близ «Днепрогэса» в городе Запорожье (Украина).

Третий принцип оптимального размещения предприятий титано-магниевой отрасли обусловлен технологической сопряженностью ее составных подотраслей: титановые предприятия либо тяготеют к местам выплавки магния, либо сливаются с магниевыми заводами в единое целое – комбинаты. Получение чернового титана осуществляется металлотермической реакцией – восстановлением тетрахлорида титана в среде аргона. В качестве восстановителя используют магний. Именно поэтому производство титана и магния объединяют в одну отрасль цветной металлургии.

Итак, оптимальным вариантом размещения предприятий титано-магниевой отрасли будет результирующая трех факторов: сырьевого, энергетического и технологического. Это – теория. На практике же нахождение в одной точке экономического пространства и сырья (локализованного ресурса – по Веберу, с приемлемой себестоимостью добычи и обогащения) и источника дешевой электроэнергии (ГЭС, ТЭС на базе углей открытой добычи) случается, но весьма редко. Знакомство с теорией, позволяет перейти к рассмотрению фактической географии отрасли.

Фактическое размещение предприятий отрасли по территории России хоть и не опровергает изложенных выше теоретических основ, но содержит в себе один существенный момент. Первые предприятия авиационной металлургии были размещены вовсе не там, где следует ожидать из предсказаний теории! В 1931 г. вошел в строй действующих магниевый завод в Санкт-Петербурге (позднее был преобразован в НИИ легких металлов), а уже в 1933 в поселке Сетунь (Кунцевский район Московской обл.; в настоящее время – территория Москвы) был пущен завод авиационной металлургии, выпускавший алюминиевые и магниевые сплавы и полуфабрикаты на их основе. Оба маломощных металлургических завода являлись опытными, но именно на них отрабатывались промышленные технологии приемлемые для внедрения в массовое производство.

Магний и особенно титан были выделены химиками из более сложных соединений много позже других их собратьев по таблице Менделеева: магний в 1808, а титан в 1910 гг. Долгое время технологии получения магния и титана высокой степени чистоты оставались неизвестными. Применительно к титану это произошло только в 1925 г. в Нидерландах. Именно поэтому роль стартовой площадки развития отрасли выполнили ареалы высокой технологической культуры и наивысшей концентрации НИОКР в стране. Новаторские металлургические технологии, зародившись в «центре», позднее были переданы на «периферию» (Приднепровье, Средний Урал, Казахстан), отвечающую принципам оптимального размещения отрасли. С позиций теории географического распространения научно-технического прогресса, основы которой заложены трудами Торстена Хагерстранда, подобное взаимодействие между «центром» и «периферий» является диффузией перемещения. При диффузии перемещения изучаемое явление покидает свой первоначальный ареал и перемещается на новые территории.

Все ныне действующие на территории России предприятия титано-магниевой отрасли были созданы в исторически сжатые сроки, во многом продиктованными оборонными задачами. Глубинное, тыловое положение Среднего Урала по отношению к возможному театру военных действий видимо сыграло не последнюю роль в процессе принятия размещенческих решений.

Для магниевой отрасли характерна система размещения, характеризующаяся территориальной общностью, близостью предприятий, занятых добычей и обогащением исходного сырья, получением готовой продукции; для титановой отрасли, наоборот, характерна децентрализованная система размещения, при которой отдельные стадии производства существуют обособленно. Иными словами, объем транспортной работы на единицу однородной продукции в рассматриваемых отраслях различен. Если в магниевой отрасли России «транспортное плечо» измеряется несколькими км., то в титановой превышает 2 тыс. км (с учетом доставки ильменитового концентрата из Украины). В тоже время технологическая сродственность данных отраслей «притягивает» их друг к другу: расстояние от Березников до Верхней Салды составляет около 400 км.

Таким образом, для рассматриваемой отрасли цветной металлургии характерна следующая технологическая цепочка: производство слитков магния (Соликамск, Березники) → производство губчатого титана (Березники) → производство конструкционных титановых сплавов и полуфабрикатов (Верхняя Салда).

По данным из пресс-релиза компании Boeing за лето 2009 года, на ближайшие 30 лет планы развития бизнеса Boeing в РФ составляют около $27 млрд. Они будут вложены в программу сотрудничества с российскими партнерами в области производства титана, проектирование и разработку гражданской авиатехники, а также приобретение различных услуг и материалов.

Золотодобывающая промышленность России. До конца 19 века Россия занимала 1 место в мире по добыче золота. В настоящее время она опустилась на 5 место в мире после ЮАР, США, Канады и Австралии. Запасы выявлены в 35 субъектах федерации, но добыча ведется только в 28.

Таблица 46

Динамика добычи золота в Российской Федерации, кг

2015 (прогноз)
168 100 131 938 130 792 176 000 225 000

Почти 70 % золота добывается из россыпных месторождений и поэтому работа предприятий отрасли носит во многом сезонный характер (в теплый период года). Почти 90 % золота добывается на Дальнем Востоке и Восточной Сибири. Многие десятилетия основным ареалом добычи золота была Якутия и Магаданская область, но с 2003 года лидерство за Красноярским краем (табл. 47).

Таблица 47

Добыча золота ведущими регионами России, кг

Красноярский край 6 335 36 000
Якутия (Саха) 32 800 18 600
Магаданская обл. 30 880 15 400
Иркутская обл. 11 000 16 040
Хабаровский край 7 795 15 200
Амурская обл. 10 800 19 900
Бурятия 2 600 6 000
Свердловская обл. 4 077 8 300
Забайкальский край 7 800 5 600
Чукотский АО 14 412 24 800
Челябинская обл. 1 945 3 650
Камчатский край 2 240
Тыва 1 470
Хакасия 1 195 1 170

Из таблицы следует, что добыча золота существенно сократилась в экстремальных ареалах и возросла в тех регионах, которые отличаются более комфортными природно-климатическими условиями.

Добычное золото с целью получения слитков так называемого банковского золота (999, 9 проба) поступает на аффинажные заводы. В России право осуществлять аффинаж драгоценных металлов имеют 10 организаций. Как видно из табл. 49 в Подмосковье и Москве сформировался наиболее крупный сгусток аффинажных предприятий, максимально удаленных от мест добычи золота. Наиболее мощные заводы функционируют в Касимове (50 %) и Красноярске (25 %).

Таблица 48

Средняя себестоимость добычи золота по основным странам продуцентам в 2005 году, долл./ унц.

Показатель ЮАР США Австралия Канада Россия Узбекистан
Себестоимость 120-140

Таблица 49

Аффинажные заводы России

Организация Местоположение
Приокский завод цветных металлов Касимов, Рязанская обл.
Новосибирский аффинажный завод Новосибирск
Щелковский завод драгоценных металлов Щелково, Московская обл.
Красноярский завод цветных металлов Красноярск
Екатеринбургский завод ОЦМ Екатеринбург
Кыштымский медеэлектролитный завод Кыштым, Челябинская обл.
Колымский аффинажный завод Хасын. Магаданская обл.
«Уралэлектромедь» Верхняя Пышма, Свердловская обл.
«Норникель» Норильск
Концерн «ОНИКС» Москва

В России в 2010 г., по данным аффинажных заводов, было добыто и произведено 201 715 кг золота, из них: собственно добыча – 176 448 кг, попутное и вторичное производство – 12 675 и 12 592 кг соответственно. С учетом экспорта золота в рудах и концентратах (962,4 кг) общая добыча и производство золота в РФ в 2010 г. составили 202 677 кг.

Серебродобывающая промышленность России. Большая часть запасов серебра приурочена к комплексным месторождениям (золоторудным, полиметаллическим, медно-никелевым, медно-колчеданным) и поэтому большая часть добычи этого металла носит попутный характер. Почти 70 % запасов серебра России сосредоточено в Магаданской области (Дукат), на которую приходится более 50 % российской добычи металла. Среди других регионов по добыче серебра выделяются Оренбургская область (10 %), Красноярский край (10 %), Башкортостан (7 %), Свердловская (6 %) и Челябинская (6 %) области.

Только на месторождении Дукат добывается более 600 тонн серебра ежегодно, а общая добыча по стране превышает 1 300 тонн.

Вольфрамо-молибденовая промышленность России. Предприятия отрасли имеют важное оборонное значение, но в период рыночных преоразований отрасль деградировала. Более 80 % сырья для выплавки вольфрама добывается и обогащается в Приморском крае (Приморский ГОК). Выплавка сплавов на основе вольфрама имеется в городах Челябинск, Электросталь, Кировоград, Владикавказ (завод «Победит») и Нальчик.

Основные мощности по добыче и производству молибдена сосредоточены в Читинской области (Жирекенский ферромолибденовый завод).

Мышьяковая промышленность России. Отрасль была представлена до недавнего времени одним единственным в стране и СНГ предприятием – обжиговым заводом в городе Пласт (Челябинская обл.). Используется местное («Южуралзолото») и дальнепривозное сырье. Основная продукция – различные лигатуры. Предприятие не функционирует.

Редкометальная промышленность России. Отрасль представлена такими предприятиями как: Забайкальский ГОК, Малышевское рудоуправление (Свердловская область), Орловский ГОК, «Севредмет» (Мурманская область – Ловозерское тантал-ниобиевое месторождение). Лопаритовый концентрат, производимый «Севредметом» поступает в Соликамск на переработку с целью получения пентоксида ниобия и тантала (большая часть экспортируется).

Отметим, что на Малышевском ГОКе производится бериллиевый концентрат и добываются изумруды (100%). На опытном химическом заводе в Верхней Пышме выпускается ниобий и цирконий. Производство индия сконцентрировано в Челябинске. 100 % борных продуктов России производится в Дальнегорске (Приморский край). 80 % плавикошпатового концентрата выпускается на Ярославском ГОКе (Приморский край).

Алмазодобывающая и гранильная отрасли России. По статистике алмазодобычу относят к цветной металлургии. Добыча алмазов в России ведется с 1955 года, гранильная промышленность – с 1967.

В Сибири обнаружено около 800 кимберлитовых трубок, но только 13 из них имеют промышленное значение (78 % геологических запасов). В Архангельской области – 5 кимберлитовых трубок (22 % геологических запасов). Алмазоносные месторождения Урала россыпные и близки к исчерпанию.

Таблица 50

Основные объекты компании «Алмазы России – Саха»

Айхальский ГОК (Айхал) карьер «Айхал» карьер «Сытыканский» карьер «Юбилейный» 2 обогатительные фабрики
Мирнинский ГОК (Мирный) карьер «Мир» обогатительная фабрика прииск «Ирелях» карьер и сезонная обогатительная фабрика «Водораздельные галечники» подземный рудник «Интернациональный»
Удачнинский ГОК (Удачный) карьер «Удачный» обогатительная фабрика прииск «Анабар»
Нюрбинский ГОК (Накын) карьер «Нюрбинский» 2 обогатительные фабрики
Анабарский ГОК (Эбелях)
Ленск Юринг-Хая речной (на р. Лене) и морской (на трассе Северного Морского Пути) порты

Ежегодно добывается алмазов в России почти на 3 млрд. долл, а бриллиантов производится только на 0,8 млрд. долл. В 2009 году в стране добыто 34 759 млн. каратов алмазов. 97 % добычи сосредоточено в Якутии (компания «Алроса») – 25 % мирового производства (табл. 50).

В небольших количествах алмазы добываются в Пермском крае (Красновишерск и Александровский район). Новый центр алмазодобычи формируется в Архангельской области (Зимнебережное кимберлитовое поле – на родине М.В. Ломоносова). По мнению геологов перспективны на алмазы некоторые территории Тульской и Ярославской областей.

Крупнейшее гранильное предприятие работает в Смоленске (завод «Кристалл»). Здесь алмазы подвергаются обдирке, огранке, сортировке и инвентаризации. На каждый бриллиант ставится лазерное клеймо с индивидуальным номером. Менее крупные центры огранки алмазов: Москва, Екатеринбург, Пермь («КамаКристалл»).

Дата добавления: 2016-05-30; просмотров: 4393;

Сырье для получения титана

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 8

Из числа известных минералов титана основное промышленное значение имеют два: рутил и ильменит.

Рутил — природный оксид титана ТiO2 — является наилучшим видом сырья при производстве титана, но крупные месторождения рутиловых руд встречаются редко. Ильменит FeTiO3 — наиболее распространенный минерал титана. Ильменитовые руды представляют собой россыпные породы, встречающиеся часто в смеси с магнетитом Fe3O4. Такие руды называют титаномагнетитами. До 40% ильменита добывается из речных и прибрежных морских песков. В этих рудах содержание титана доходит до 35 %.

Перспективным сырьем для получения титана являются перовскитовые СаТiO3 и сфеновые СаО • ТiO2 • SiO2 руды. Их использование становится рентабельным только при комплексной переработке.

Ценными элементами — спутниками титана в рудах — являются тантал, ниобий, цирконий и элементы редких земель.

Титановые руды с содержанием титана от 6 до 35 % перед поступлением в металлургическое производство подвергают обогащению с использованием гравитационных методов, магнитной или

Некоторые титаномагнетитовые руды не поддаются механическому обогащению. В этом случае для выделения титана используют восстановительную плавку с получением чугуна и богатого титанового шлака (80.. .87% ТiO2). Восстановительную плавку применяют также для первичной обработки ильменитовых концентратов с целью разделения титана и железа.

Таким образом, исходным сырьем для металлургического производства титана могут быть рудные концентраты и титановые шлаки, а также иногда технический диоксид титана, получаемый при разложении ильменитовых концентратов серной кислотой.

Все перечисленные сырьевые источники содержат титан в форме ТiO2. Прямое восстановление ТiO2 до металла сопряжено со значительными трудностями. Причиной этого является высокая активность титана при повышенных температурах, особенно по отношению к кислороду, азоту и углероду.

Реакции взаимодействия титана с кислородом, азотом, углеродом, оксидом углерода и парами воды протекают с большой убылью энергии Гиббса. Поэтому даже ничтожные количества этих примесей ведут к образованию оксидов, карбидов и нитридов титана. Кроме того, кислород и азот способны растворяться в титане.

Следовательно, на всех стадиях производства титана необходимо исключить его контакт с указанными выше веществами. Это достигается герметизацией металлургической аппаратуры и созданием в ней нейтральной атмосферы (аргон, гелий) или вакуума. Кроме того, обязательным условием является высокая чистота исходных соединений титана, а также применяемых реагентов-восстановителей.

В настоящее время подавляющая часть титана, выпускаемого промышленностью, производится путем восстановления тетрахлорида титана магнием. В небольших количествах титан получают восстановлением ТiO2 кальцием или гидридом кальция.

Схема наиболее распространенной технологии получения титана из ильменитов, включающая операцию восстановления титана металлическим магнием, приведена на рис. 150. В голове технологической схемы перед хлорированием проводят пирометаллургическую подготовку исходного сырья восстановительной плавкой на титановый шлак. На восстановительную плавку могут поступать ильменитовые концентраты или титаномагнетитовые руды.Целью плавки является избирательное восстановление оксидов железа. Возможность разделения титана и железа в этом процессе основана на большом различии в прочности оксидов титана и железа. При восстановительной плавке оксиды железа восстанавливаются до металлического состояния с получением чугуна, а титан в виде ТiO2 переходит в шлак.

Рис.150. Принципиальная технологическая схемаполучения титана изильменитовых концентратов

Необходимость проведения восстановительной плавки связана с тем, что прямое хлорирование железосодержащих концентратов требует больших дополнительных затрат хлора на образование хлорида железа, который трудно в дальнейшем использовать.

Восстановительную плавку ильменитовых концентратов проводят в электрических печах. Основной процесс плавки описывается в общем виде уравнением.

FeTiO3 + С — Fe + TiO3 + CO. (126)

Плавку стремятся вести с минимальной добавкой флюсов или совсем без них, чтобы не снижать содержания TiO- в шлаках менее 82… 87 %. Титановые шлаки имеют высокую температуру плавления (> 1500 °С) и значительную вязкость, что и обусловливает применение для восстановительной плавки электрических печей.

В качестве восстановителя при плавке используют кокс или антрацит. Шлак и чугун периодически сливают через летку в общую изложницу. Температура шлака на выпуске составляет 1570… 1650 *С. После расслаивания и затвердевания чугун и шлак разделяют и направляют на соответствующую переработку. Извлечение титана в шлак составляет 96… 96,5 %.

Технология получения металлического титана из титановых шлаков и других видов окисленного сырья слагается из двух основных стадий. Вначале хлорированием исходных сырьевых материалов газообразным хлором получают тетрахлорид титана по реакции

ТiO2 + 2С12 + 2С * TiCl4 + 2CO. (127)

Затем после очистки технического тетрахлорида от примесей ректификацией его подвергают магниетермическому восстановлению до металлического титана:

Т1С14(ГАЗ) + 2Мg(Ж) = Ti(ТВ) + 2МgС12(Ж) + 519 кДж. (128)

Газообразный хлор в виде анодного газа магниевых электролизеров и металлический магний, необходимые для получения титана, поступают из магниевого производства, а хлорид магния, получающийся по реакции (128), вновь возвращается на электролитическое получение магния. Технологическая кооперация титанового и магниевого производств является важнейшим атрибутом современной титаномагниевой промышленности.

Восстановление титана из его тетрахлорида магнием проводят при 750… 850 «С, т.е. при температуре, значительно ниже температуры его плавления. По этой причине металл получают в виде спеченных кристаллов — губки. Губчатый титан (титановая губка) является товарной продукцией титаномагниевых комбинатов. Слитки компактного титана получают на металлообрабатывающих предприятиях.

Весьма- перспективным является электролитический способ получения титана. Главное его преимущество — отсутствие дефицитного металлического восстановителя. Достигнуты значительные успехи в разработке и совершенствовании этого метода. Общие принципы процесса электролиза уже используются в промышленной практике при электролитическом рафинировании титана (например, некачественного губчатого металла, отходов плавки титана и его сплавов).

Date: 2015-11-15; view: 1420; Нарушение авторских прав

Понравилась страница? Лайкни для друзей:

Производство титана

Титан как элемент открыт в 1791 г. Его промышлен­ное производство началось в 50-х годах XX века и по­лучило быстрое развитие. Титановые сплавы имеют на­иболее высокую удельную прочность среди всех метал­лических материалов, а также высокую жаропрочность и коррозионную стойкость и находят все более широ­кое применение в авиационной технике, химическом машиностроении и других областях техники. Титан ис­пользуют для легирования сталей. Двуокись титана TiO2 используют для производства титановых белил и эмалей; карбид титана TiC — для особо твердых инст­рументальных сплавов.

Титан по распространению в природе занимает чет­вертое место среди металлов и входит в состав более чем 70 минералов. К основным промышленным титаносодержащим минералам относятся рутил (более 90% ТiO2) и ильменит TiO2-FeO (60%TiO2). Ильменит вхо­дит в состав титаномагнетитов — его смеси с магнит­ным железняком; они содержат до 20% ТiO2. К пер­спективным рудам относятся сфен CaO-SiO2-TiO2 (32—42% TiO 2) и перовскит СаО- TiO (60% ТiO 2).

Сырьем для получения титана являются титаномагнетитовые руды, из которых выделяют ильменитовый концентрат, содержащий 40 … 45 % ТiO2, -30 % FеО, 20 % Fе2О3 и 5 … 7 % пустой породы. Название этот концентрат получил по наличию в нем минерала ильменита FеО-ТiO2.

Ильменитовый концентрат плавят в смеси с древесным углем, антрацитом, где оксиды железа и титана восстанавливаются. Образующееся железо науглероживается, и получается чугун, а низшие оксиды титана переходят в шлак. Чугун и шлак — разливают отдельно в изложницы. Основной продукт этого процесса — титановый шлак — содержит 80 … 90 % ТiO 2, 2 … 5 % FеО и примеси SiO2, А12О3, СаО и др. Побочный продукт этого процесса — чугун — используют в металлургическом производстве.

Полученный титановый шлак подвергают хлорированию в специальных печах. В нижней части печи располагают угольную насадку, нагревающуюся при пропус-кании 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 СаС12> МgС12 и др.:

ТiO2 + 2С + 2С12 = ТiСl + 2СО.

Четыреххлористый титан отделяется и очищается от остальных хлоридов благодаря различию температуры кипения этих хлоридов методом ректификации в специальиых установках.

Титан из четыреххлористого титана восстанавливают в реакторах при температуре 950 … 1000 °С. В реактор загружают чушковый магний; после откачки воздуха и заполнения полости реактора аргоном внутрь его подают парообразный четыреххлористый титан. Между жидким магнием и четыреххлористым титаном происходит реакция

ТiС12 = Тi + 2МgС12.

Производство титана является технически сложным процессом. Двуокись титана TiO2 — химически прочное соединение. Металлический титан (tПЛ = 1725 °С), обла­дает большой активностью. Он бурно реагирует с азотом при температуре 500—600 °С и кислородом возду­ха при 1200—1300 °С, поглощает водород, взаимодейст­вует с углеродом и т. д. Наиболее широкое распростра­нение получил магниетермический способ, осуществля­емый по следующей технологической схеме: титановая руда ® обогащение ® плавка на титановый шлак ® получение четыреххлористого титана TiCl4 ® восстановление титана магнием.

Обогащение титановых руд. Титаномагнетиты и другие бедные руды обогащают электромагнитным и другими способами, получая концентрат, содержащий до 50 % TiO2 и около 35 % Fe2O3 и FeO.

Плавку на титановый шлак проводят в электродуго­вой печи. Шихтой служат прессованные брикеты, со­стоящие из мелкоизмельченного концентрата, антрацита или угля и связующего (сульфитный щелок). В ре­зультате плавки получают богатый титановый шлак, со­держащий до 80 % TiO2. Побочным продуктом является чугун, содержащий до 0,5 % Ti. Измельченный шлак подвергают магнитной сепарации (для удаления желе­зосодержащих частиц), смешивают с мелким нефтяным коксом и связующим и спрессовывают в брикеты. После обжига при 700—800 °С брикеты направляют на хлори­рование.

Получение четыреххлористого титанаTiCl4 в гер­метизированных электрических печах представлено на рис. 2.9.

Нижнюю часть печи заполняют угольной (гра­фитовой) насадкой, которая служит электрическим со­противлением и нагревается при пропускании электри­ческого тока. В реакционной зоне печи выше уровня угольной насадки развивается температура 800…850 °С. При хлорировании образуется четыреххлористый титан по реакции TiO2+2C-T2Cl2=TiCl4+2CO. Пары четы­реххлористого титана находятся в паро-газовой смеси, содержащей SiCl4 и другие хлориды; СО, С12 и другие газы.

Ее очищают от твердых частиц и охлаждают в кон­денсаторах, в результате чего получают жидкий четыреххлористый титан. Для более полной очистки от твердых частиц конденсат отстаивают и фильтруют.

Четыреххлористый титан отделя­ют от других хлоридов путем ректификации конденсата, основанной на различии температур кипения различных хлоридов. Жид­кий четыреххлористый титан направляют на восстановление.

В настоящее время для получения четыреххлористого титана начинают применять другие спо­собы хлорирования: в хлоратоpax непрерывного действия, в солевом расплаве; перспективным является хлорирование в кипя­щем слое.

Восстановление титана маг­нием из TiCl4проводят в герметичных реакторах (ретортах) из нержавеющей стали, установленных в электрических печах сопро­тивления. После установки в печь из реторты откачивают воздух и заполняют ее очищенным арго­ном; после нагрева до температу­ры 700° С заливают расплавлен­ный магний и начинают подачу жидкого TiCl4. Титан восстанав­ливается магнием по реакции TiCl4+2Mg=Ti+2MgCl2. Эта реакция сопровождается выделе­нием большого количества тепла и в реакторе поддерживается не­обходимая температура 800…900 °С без дополнительно­го нагрева за счет регулирования скорости подачи TiCl4. Частицы восстановленного титана спекаются в пористую массу (титановая губка), пропитанную магнием и хлористым магнием. Расплав хлористого магния периодиче­ски удаляют через патрубок в дне реактора. В промыш­ленных реакторах (емкостью до 2 т) получают титано­вую губку, содержащую до 60% Ti, 30 °/o Mg и 10 % MgCl2.

Рафинирование титановой губкипроизводят мето­дом вакуумной дистилляции. Крышку охладившейся ре­торты снимают и вместо нее устанавливают водоохлаждаемый конденсатор; затем реторту снова устанавли­вают в печь. Дистилляция проводится при 950…1000 °С и вакууме около 10-3 мм рт. ст. Примеси титановой губ­ки Mg и MgCl2 расплавляются, частично испаряются и затем выделяются в конденсаторах. Получаемый обо­ротный магний возвращается в производство, MgCl2 используют для производства магния.

Получение титановых слитков. Титановые слитки получают переплавкой титановой губки в вакуумных электрических дуговых печах. Расходуемый электрод изготавливают прессованием из измельченной титано­вой губки. Электрическая дуга горит между расходуе­мым электродом и ванной расплавленного металла, по­степенно заполняющего изложницу, затвердевающего и образующего слиток.

Наличие вакуума предохраняет металл от окисле­ния и способствует его очистке от поглощенных газов и примесей.

Для получения слитков может быть использована дробленая титановая губка, загружаемая в печь доза­тором. В этом случае дуга горит между расплавленным металлом и графитовым электродом, поднимаемым по мере заполнения изложницы металлом.

Для обеспечения высокого качества слитков плавку повторяют два раза. При второй плавке расходуемым электродом служит слиток, полученный при первой плавке.

Титановые сплавы выплавляют в электрических ду­говых вакуумных печах, аналогичных применяемым для переплавки титановой губки. В качестве шихтовых ма­териалов используют титановую губку и легирующие элементы в соответствии с заданным химическим соста­вом сплава. Из шихты прессованием при 280….330 °С изготавливают переплавляемый (расходуемый) элек­трод. Плавку ведут в вакууме или в атмосфере аргона. Перед началом плавки на поддон в качестве затравки насыпают слой стружки из сплава такого же состава. Для более равномерного распределения легирующих элементов в сплаве полученный слиток переплавляют вторично.

Натриетермический способ получения титана отличается от магниетермического тем, что титан из TiCl4 восстанавливают ме­таллическим натрием. Этот процесс проводят при относительно не­высокой температуре, и титан в меньшей степени загрязняется примесями. Вместе с тем натриетермический способ технически более сложен.

Кальциееидридный способ основан на том, что при взаимо­действии двуокиси титана TiO2 с гидридом кальция СаН2 образу­ется гидрид титана ТiH2, из которого затем выделяется металли­ческий титан. Недостаток этого способа состоит в том, что получа­емый титан сильно загрязнен примесями.

Иодидный способприменяют для получения неболь­ших количеств титана очень высокой чистоты, до 99,99%. Он основан на реакции Ti+2I2 » TiI4, которая при 100 …200 °С идет слева направо (образование Til4), при 1300…1400 °С —в обратном направлении (разло­жение ТiI4).

Рафинируемую титановую губку помещают в ретор­ту и нагревают до 100…200 °С; внутрь реторты вводят и разбивают ампулу с йодом, взаимодействующим с ти­таном по реакции Ti+2I2 ® TiI4. Разложение TiI4 ® Ti+2I2 и выделение титана происходит на титановых проволоках, натянутых в реторте, нагретых до 1300… 1400 °С пропусканием тока.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *