Титан: ключевые свойства, применения и промышленное использование

История

Титан известен как переходный металл в периодической таблице элементов, обозначаемый символом Ti. Это лёгкий, серебристо-серый материал с атомным номером 22 и атомной массой 47,90. Плотность 4510 кг/м³, что находится между плотностями алюминия и нержавеющей стали. Точка плавления примерно 1667 °C, кипения — 3287 °C. Химически ведёт себя похоже на цирконий и кремний. Обладает отличной коррозионной стойкостью и высоким отношением прочность/вес.

Титан — четвёртый по распространённости металл, составляя около 0,62% земной коры. Редко встречается в чистом виде, титан обычно существует в минералах: анатаз,brukite, ильменит, лейкоксен, перовскит, рутил и сфен. Хотя титан относительно обширен, он остаётся дорогим из-за сложности изоляции. Ведущие производители титановых концентратов: Австралия, Канада, Китай, Индия, Норвегия, ЮАР и Украина. В США основные штаты-производители: Флорида, Айдахо, Нью-Джерси, Нью-Йорк и Вирджиния.

Тысячи титановых сплавов разработаны и группируются в четыре основные категории. Их свойства зависят от базовой химической структуры и манипуляций при производстве. Элементы для сплавов: алюминий, молибден, кобальт, цирконий, олово, ванадий. Альфа-фазные сплавы — наименьшая прочность, но куемы и сварны. Альфа-бета — высокая прочность. Близко к альфа — средняя прочность, хорошая ползучесть. Бета-фазные — наивысшая прочность любого титанового сплава, но лишены дуктилности.

Применения титана и его сплавов многочисленны. Аэрокосмическая отрасль — крупнейший потребитель титановых продуктов. Полезен из-за высокого отношения прочность/вес и высокотемпературных свойств. Типично для самолётов и крепёжей. Те же свойства делают титан полезным для газотурбинных двигателей. Используют для компрессорных лопаток, обтекателей, капотов двигателей и теплозащитных экранов.

Благодаря хорошей коррозионной стойкости, титан важен для металлоотделочной промышленности. Здесь используют для теплообменных катушек, приспособлений и облицовок. Стойкость титана к хлору и кислоте делает его важным в химической переработке. Используют для насосов, клапанов и теплообменников на химических линиях. Нефтепереработка использует титановые материалы для конденсаторных труб из-за коррозионной стойкости. Это свойство также полезно для оборудования в десалинизации.

Титан используют в производстве имплантов для человека из-за хорошей биосовместимости. Одно из самых заметных недавних применений — искусственные сердца, первые имплантированные человеку в 2001 году. Другие использования: тазобедренные протезы, кардиостимуляторы, дефибрилляторы, локтевые и тазобедренные суставы.

Наконец, титановые материалы используют в производстве многочисленных потребительских товаров. Обувь, ювелирные изделия, компьютеры, спортивное оборудование, часы, скульптуры. Как диоксид титана — белый пигмент в пластике, бумаге и краске. Даже как белый пищевой краситель и солнцезащитный фильтр в косметике.

История

Большинство историков кредитуют Уильяма Грегора за открытие титана. В 1791 году он работал с меначанитом (минерал в Англии), когда узнал новый элемент и опубликовал результаты. Элемент был переоткрыт несколько лет позже в руде рутил немецким химиком М. Х. Клапротом. Клапрот назвал элемент титан в честь мифологических гигантов — Титанов.

И Грегор, и Клапрот работали с титановыми соединениями. Первая значительная изоляция почти чистого титана совершена в 1875 году Кирилловым в России. Изоляция чистого металла не демонстрировалась до 1910 года, когда Мэтью Хантер и его ассоцииаты реагировали тетрахлорид титана с натрием в нагретой стальной бомбе. Этот процесс дал отдельные куски чистого титана. В середине 1920-х группа голландских учёных создала тонкие проволоки чистого титана диссоциационной реакцией на тетрайодиде титана.

Эти демонстрации побудили Уильяма Кролла начать эксперименты с разными методами эффективной изоляции титана. Ранние эксперименты привели к разработке процесса изоляции титана восстановлением магнием в 1937 году. Этот процесс, теперь называемый процессом Кролла, остаётся основным процессом производства титана. Первые продукты из титана появились около 1940-х и включали проволоки, листы и стержни.

Пока работа Кролла продемонстрировала метод производства титана в лабораторном масштабе, потребовалось почти десятилетие для адаптации к крупномасштабному производству. Эта работа проводилась Бюро минов США с 1938 по 1947 год под руководством Р. С. Дина. К 1947 году они сделали различные модификации процесса Кролла и произвели почти 2 тонны титанового металла. В 1948 году DuPont открыло первое крупномасштабное производственное предприятие.

Этот крупномасштабный метод позволил использовать титан как структурный материал. В 1950-х он использовался преимущественно аэрокосмической отраслью в строительстве самолётов. Поскольку титан превосходил сталь во многих приложениях, отрасль росла быстро. К 1953 году ежегодное производство достигло 2 млн фунтов (907 200 кг), и основным заказчиком титана было американское военное. В 1958 году спрос на титан упал значительно, потому что военное сместило фокус с пилотируемых самолётов на ракеты, для которых сталь была более подходящей. С тех пор титановая отрасль имела различные циклы высокого и низкого спроса. Множество новых применений и отраслей для титана и его сплавов открыто за годы. Сегодня около 80% титана используется аэрокосмической отраслью и 20% неаэрокосмическими.

Сырьё

Титан получают из различных руд, естественно встречающихся на Земле. Основные руды для производства титана включают ильменит, лейкоксен и рутил. Другие заметные источники: анатаз, перовскит и сфен.

Ильменит и лейкоксен — титаносодержащие руды. Ильменит (FeTiO₃) содержит примерно 53% диоксида титана. Лейкоксен имеет похожий состав, но около 90% диоксида титана. Находятся ассоциированными с твёрдыми породными залежями или в пляжах и аллювиальных песках. Рутил — относительно чистый диоксид титана (TiO₂). Анатаз — другая кристаллическая форма диоксида титана, ставшая значительным коммерческим источником недавно. Оба встречаются преимущественно в пляжных и песчаных отложениях.

Перовскит (CaTiO₃) и сфен (CaTiSiO₅) — кальциево-титановые руды. Ни один из этих материалов не используется в коммерческом производстве титана из-за трудности удаления кальция. В будущем вероятно, что перовскит может использоваться коммерчески, так как содержит почти 60% диоксида титана и имеет только кальций как примесь. Сфен имеет кремний как вторую примесь, делая изоляцию титана ещё сложнее.

Помимо руд, другие соединения, используемые в производстве титана, включают хлор, углерод и магний.

Титан используется для широкого спектра изделий: велосипедные рамы, тазовые импланты, очки, серьги.

Производственный процесс

Титан производят процессом Кролла. Этапы включают экстракцию, очистку, производство губки, создание сплава и формовку. В США многие производители специализируются на разных фазах. Например, есть производители, делающие только губку, другие только плавят и создают сплав, и другие производят конечные продукты. В настоящее время ни один производитель не выполняет все этапы.

Экстракция

• 1 На старте производства производитель получает титановые концентраты из шахт. Пока рутил можно использовать в натуральной форме, ильменит обрабатывают для удаления железа, чтобы содержал минимум 85% диоксида титана. Эти материалы кладут в флюидизированный слой реактора вместе с хлором и углеродом. Материал нагревают до 900 °C, и последующая химическая реакция создаёт нечистый тетрахлорид титана (TiCl₄) и угарный газ. Примеси — результат того, что чистый диоксид титана не используется в начале. Поэтому различные нежелательные хлориды металлов, которые образуются, должны быть удалены.

Очистка

• 2 Реагировавший металл кладут в большие дистилляционные баки и нагревают. На этом этапе примеси разделяют фракционной дистилляцией и осадкой. Это действие удаляет хлориды металлов, включая железо, ванадий, цирконий, кремний и магний.

Производство губки

• 3 Далее, очищенный тетрахлорид титана перекладывают как жидкость в нержавеющий реактор. Магний добавляют и емкость нагревают до около 1100 °C. Аргонкачают в емкость, чтобы удалить воздух и предотвратить загрязнение кислородом или азотом. Магний реагирует с хлором, производя жидкий хлорид магния. Это оставляет чистый твёрдый титан, так как точка плавления титана выше температуры реакции.
• 4 Твёрдый титан удаляют из реактора бурением, затем обрабатывают водой и соляной кислотой для удаления излишков магния и хлорида магния. Полученный твёрдый — пористый металл, называемый губкой.

Создание сплава

• 5 Чистая титановая губка конвертируют в пригодный сплав через дуговую печь с расходным электродом. На этом этапе губку смешивают с различными сплавными добавками и металлоломом. Точная пропорция губки к сплавному материалу формулируется в лаборатории перед производством. Эта масса прессуют в компакты и сваркивают вместе, образуя губчатый электрод.
• 6 Губчатый электрод помещают в вакуумную дуговую печь для плавления. В этой водоохлаждаемой медной емкости электрическая дуга плавит губчатый электрод, формируя слиток. Весь воздух в емкости либо удаляют (образуя вакуум), либо атмосфера заполняется аргоном для предотвращения загрязнения. Обычно слиток переплавляют ещё раз или два для получения коммерчески приемлемого слитка. В США большинство слитков этим методом весят около 4082 кг и имеют диаметр 76,2 см.
• 7 После изготовления слитка его удаляют из печи и инспектируют на дефекты. Поверхность могут обусловить по требованию клиента. Слиток могут отгрузить производителю готовых изделий, где его можно фрезеровать и фabricовать в различные продукты.

Побочные продукты/Отходы

При производстве чистого титана образуется значительное количество хлорида магния. Этот материал рециклируется в рециклинговой ячейке сразу после производства. Рециклинговая ячейка сначала разделяет магниевый металл, затем собирает хлор. Оба компонента повторно используются в производстве титана.

Будущее

Будущие достижения в производстве титана, вероятно, найдутся в области улучшенного производства слитков, разработки новых сплавов, снижения производственных затрат и применения в новых отраслях. В настоящее время есть потребность в более крупных слитках, чем могут производить доступные печи. Исследования ведутся для разработки более крупных печей. Работа также ведётся над нахождением оптимального состава различных титановых сплавов. В конечном счёте исследователи надеются, что специализированные материалы с контролируемой микроструктурой будут легко производиться. Наконец, исследователи изучают разные методы очистки титана. Недавно учёные Кембриджа объявили метод производства чистого титана прямо из диоксида титана. Это может существенно снизить производственные затраты и увеличить доступность.

Где узнать больше

Книги

Отмер, К. Encyclopedia of Chemical Technology. Нью-Йорк: Marcel Dekker, 1998.

U.S. Department of the Interior U.S Geological Survey. Minerals Yearbook Volume 1. Вашингтон, DC: U.S. Government Printing Office, 1998.

Периодические издания

Фримантл, М. "Titanium Extracted Directly from TiO2." Chemical and Engineering News (25 сентября 2000).

Эйлон Д. "Titanium for Energy and Industrial Applications." Metallurgical Society AIME (1987).

Другие

WebElements Web Page. Декабрь 2001. .

Перри Романовски