ТИТАНОВЫЕ РУДЫ

Титан — металл серебристого цвета с голубо­ватым отливом; имеет невысокую плотность 4,507 г/см⁸, плавится при температуре 1660 °С, кипит при 3260 °С. Титан имеет две аллотропические модификации; до 882 °С существует а-титан, имеющий гексагональную решетку с параметрами а0 = 0,295 нм и С0 = 0,468 нм, и при более высоких температурах — β-титан с кубической объемно центрированной решеткой с параметром а = 0,304 нм.

Механические свойства титана изменяются от содержа­ния в нем примесей. Чистый титан ковок, имеет невысо­кую твердость (НВ 70); технический титан хрупок и тверд (НВ 180—280).

Вредные примеси титана — азот и кислород резко снижают его пластичность, а углерод при содержании более 0,15 % снижает ковкость, затрудняет обработку титана резанием и резко ухудшает свариваемость. Во­дород в большой степени повышает чувствительность титана к надрезу, поэтому этот эффект называют водо­родной хрупкостью.

На поверхности титана образуется стойкая оксидная пленка, вследствие чего титан обладает высокой сопротив­ляемостью коррозии в некоторых кислотах, морской и пресной воде. На воздухе титан устойчив и мало изме­няет свои механические свойства при нагреве до 400 °С. При более высоком нагреве он начинает поглощать кис­лород, ухудшаются его механические свойства, а выше 540 °С—становится хрупким. При нагреве выше 800 °С титан энергично поглощает кислород, азот и водород, что используется в металлургии при производстве леги­рованной стали.

Титан образует ряд оксидов. Из них наиболее изучены TiO2, Ti2O3. Двуокись титана ТіО2—амфотерный по­рошок белого цвета, практически не растворимый в воде и разбавленных кислотах. Двуокись титана является основным продуктом переработки титанового сырья.

За последние десятилетия после промышленного освое­ния ковкого титана его стали широко использовать как прочный, относительно легкий коррозионно-стойкий и жаропрочный конструкционный материал в самолето­строении, ракетостроении, при производстве реактивных двигателей. Он получил признание и в судостроении благодаря его устойчивости против воздействия морской

воды.

По распространенности в земной коре титан занимает десятое место среди других элементов (0,61 %). Известно примерно 60 минералов титана, из них наибольшее про­мышленное значение имеют ильменит, рутил, сфен.

Ильменит FeO-ТіО2 впервые был найден на Урале в Ильменских горах, откуда и получил свое название. Это блестящий минерал буро-черного цвета, измельча­ющийся при выветривании и поэтому часто встречаю­щийся в россыпях. Важным источником ильменита служат титаномагнетитовые железные руды — смеси ильменита с магнетитом Fе3О4 и частично с гематитом Fе2О3. В этих рудах содержание двуокиси титана достигает иногда 20 %. Титаномагнетитовые руды можно подвергать гра­витационному и магнитному обогащению, в результате чего удается получать концентрат, содержащий более 40 % TiO2, ~50 % оксидов железа и ~8 % других ок­сидов.

Рутил ТіО2 прозрачен, обладает алмазно-металличе­ским блеском, бывает окрашен в различные цвета (красно-коричневый, желтый, синий, черный). Крупные место­рождения рутила встречаются редко.

Сфен (титанит) CaO -TiO2-SiO2 —титаносиликат каль­ция встречается вместе с другими полезными минера­лами — апатитом и нефелином и при условии комплекс­ной переработки может быть перспективным сырьем, хотя он и беднее, чем ранее рассмотренные минералы.

Известно несколько различных способов получения титана из его руд, причем во всех случаях металлургиче­ской переработке всегда предшествует обогащение руды и получение концентрата.

§ 15. Поняття про виробництво титану

1. Титанові руди — це рутил ТіO2, ільменіт FeO · ТіО2 і тита­номагнетит—суміш ільменіту з оксидами заліза Fе3O4 і (част­ково) Fе2О3. Титанові руди збагачують флотацією або магніт­ною сепарацією, внаслідок чого утворюється концентрат з ви­соким вмістом оксиду титану (90—99% ТіО2).

Одним з основних способів добування металевого титану з оксидів є магнієтермічний, який складається з двох стадій:

вироблення чотирихлористого титану і виділення металевого ти­тану.

2. Чотирихлористий титан виробляють відновленням ТіО2 і хлоруванням титану в хлораторі. Кожух 1 хлоратора (рис. 43, а) виготовляють з листової сталі і футерують ізсередини фа­сонною динасовою цеглою 2 з шамотним термоізоляційним шаром. Через бункер 6 у хлоратор завантажують брикети 5 пресованої суміші титанового концентрату ί деревянного вугілля (або графіту). Знизу через патрубок 4 в хлоратор надходить хлор. Процес хлорування відбувається при температурі 800— 850° С. Нагрівається хлоратор за допомогою нагрівальних гра­фітових елементів 3 опору. В ньому відбувається реакція

ТіО2 + 2С + 2Сl2 = ТіСІ3 + 2СО.

Пара чотирихлористого титану TiCl4, що утворюється, тру­бопроводом 7 надходить у пилоочисник 8. а потім — у конден­сатор 9, де перетворюється на рідину. Рідкий чотирихлористий титан після відстоювання надходить на дальше очищення — фільтрацію і дистиляцію.

3. Виділення металевого титану. З очищеного чотирихлори­стого титану відновлюють металевий титан. Цей процес ведуть у спеціальних ретортах (рис. 43, б). У стальний стакан 17 корпуса 11 реактора за­вантажують чушковий маг­ній, герметично закривають кришкою 14, відкачують по­вітря з реактора і заповню­ють простір очищеним арго­ном. Потім за допомогою електронагрівника 12 реак­тор нагрівають до темпера­тури 800—850° С і подають у нього по трубі 13 чотирихлористий титан. Процес відновлення титану відбувається за реакцією ТіСІ4 (пара) + 2Mg (рідина) = Ті (тверде тіло) +2MgCl2 (рідина).

Рис. 43. Схема вироблення титану.

Металевий титан виділяється у вигляді губки 16, а хлористий магній 10 відсмоктується вакуум-насосом по трубопроводу 15. Після закінчення процесу реактор охолоджують і виймають стакан з титановою губкою. Губка містить значну кількість шкідливих домішок, тому її очищають вакуумною дистиляцією. Для цього стакан з губкою поміщають у спеціальний апарат, де утворюється вакуум і одночасно здійснюється нагрівання до температури 900—950° С. Це забезпечує видалення з пор губчастої маси залишків металевого і хлористого магнію. Після охолодження апарата стакан виймають і титанову губку від­правляють на механічне дроблення. Потім подрібнену губку обробляють металокерамічним або іншими методами плавлення для того, щоб мати компактний титан.

Суть металокерамічного методу плавлення компактного титану полягає в тому, що титанові порошки пресують у заго­товки і потім спікають у вакуумній печі при температурі 1050— 1100° С. Компактний титан виробляють також плавленням губки в електричних дугових печах з нейтральною атмосферою (в се­редовищі аргону) або у вакуумі. Для цього застосовують електродугові печі двох типів: 1) з постійним вольфрамовим електродом; 2) з пресованим електродом з титанової губки, який витрачається.