Титан – металл века

Стремительно развивается научно-технический прогресс в наш бурный век. И многим своим завоеваниями обязан он тем, что люди научились получать великолепные конструкционные материалы, среди которых одно из первых мест занимает титан.

Значение металлов в человеческом обществе все более возрастает. Переворот в технике происходит с интенсивным развитием алюминиевой и магниевой промышленности. В последние десятилетия человечество получило в свое распоряжение группы редких металлов. И вот уже в наши дни на авансцену истории «поднимается» новый промышленный металл – титан.

Титан – распространенное многозначное слово. С детства наслышаны мы о титанах – легендарных героях-гигантах, один из которых, по имени Прометей, подарил людям огонь, научил их ремеслам и жестоко поплатился за это.

Титанами называют людей, обладающих колоссальной творческой энергией, подвижников, борцов. Получил имя Титан и самый большой спутник планеты Сатурн.

И, может быть, не все знают, что есть еще одно значение слова «титан» - химический элемент, металл, и что в этом значении слово с каждым годом становится все более распространенным. Это говорит о том, что растет популярность и самого металла, расширяется его применение в народном хозяйстве.

Титан с большим правом, чем алюминий, можно назвать металлом ХХ века. И как много значений у слова «титан», так много эпитетов и наименований у самого металла. «Вечный», «парадоксальный», «металл сверхзвуковых скоростей», «металл будущего» - вот только некоторые из них.

Элемент титан открыт в 1791 г. Грегором (английским любителем-минералогом) в черных магнитных железистых песках прихода Менакеи в Корнуэлле. Новый элемент назвали менакенитом.

В 1795 г. немецкий химик Клапрот, исследуя минерал рутил, установил, что он представляет собой окисел нового элемента, названного им титаном. Несколько лет спустя была доказана идентичность менакенита и титана. До 1849 г. за металлический титан принимали металлоподобный карбонитрид титана, найденный в шлаках доменных печей. Относительно чистый титан был получен лишь в 1910 г. Хантером, спустя 120 лет после открытия элемента.

Применение титана в технике в виде химических соединений и присадок в сплавы относится к первым десятилетиям ХХ века.

В годы второй мировой войны возник интерес к титану как конструкционному материалу. Это привело к разработке промышленных способов получения ковкого титана и организации в начале 50-х годов в ряде стран крупного производства металла и сплавов на его основе.

Титан по внешнему виду напоминает сталь. Чистый металл ковок и хорошо поддается механической обработке давлением.

Атомный номер 22, атомная масса 47,9, плотность 4,51 г/см3, температура плавления 1668 ± 4°С, кипения 3300°С.

Физические и особенно механические свойства титана сильно зависят от его чистоты. Характерное свойство этого металла - способность растворять кислород, водород и азот.

На воздухе металл устойчив, при нагревании до 400 - 600ºC он покрывается оксидной пленкой, затрудняющей дальнейшее окисление.

По коррозионной стойкости титан близок к хромоникелевой быстрорежущей стали. Металл не коррозирует в холодной и кипящей воде, практически стоек в азотной кислоте любой концентрации на холоде и при нагревании, разбавленной (до 10%) серной кислоте на холоде, достаточно стоек в разбавленной соляной кислоте (5-10%-ной) на холоде.

Титан весьма стоек в морской воде. Титан растворяется в плавиковой кислоте. Коррозионная стойкость титана в кислотах (HCl, H₂SO₄, HNO₃) улучшается при легировании рядом металлов: цирконием, ванадием, ниобием, танталом, молибденом или вольфрамом.

Титан обладает удивительным свойством - "памятью". В сплаве с некоторыми металлами (например, с никелем) он запоминает форму изделия, которую из него сделали при определенной температуре. Если такое изделие потом деформировать, например, в пружину, изогнуть, то оно останется в таком положении на долгое время. После нагревания до той температуры, при которой это изделие сделано, оно принимает первоначальную форму, Это свойство титана широко используется в космической технике, в медицине.

Титан входит в первую десятку самых распространенных элементов нашей планеты.

В пятнадцатикилометровой толще земной коры его более половины процента: почти все кристаллические горные породы, пески, глины и прочие составляющие поверхности нашей планеты содержат титан. Содержание титана в почвах (а речь может идти только о его соединениях, так как в свободном виде титана в природе нет) в различных районах земного шара колеблется от половины до полутора процентов. Больше всего титана в глинах, в суглинках его меньше совсем немного в известковых почвах. Меньше всего титана в пахотных землях и в пустынях.

Титан находят в вулканической пыли, в газах, выделяющихся из кратеров вулканов каменных материалах. В 1866 году с помощью метода спектрального анализа наличие титана обнаружено в атмосфере Солнца. Элемент этот находится на ближайшей к нам звезде в ионизированной форме.

Во многих растениях есть титан, правда, его меньше, чем в почвах, на которых они растут. Титан в растениях исчисляется сотыми и тысячными долями процента. Впервые он был там обнаружен немецким химиком Адергольдом в 1852 году.

Довольно высокое содержание этого элемента характерно для листьев табака, для водорослей, сахарного тростника, лука. Из других культур наиболее им богаты бобовые и гречиха. Наличие титана отмечено в семенах хлопка, подсолнечника, в красном клевере, каштане, тыкве, кукурузе, а также в различных деревьях.

Титан в живых организмах впервые обнаружил английский химик Риз в 1835 году. Растения, как правило, концентрируют титан в больших количествах, чем животные, но многие организмы тоже содержат немало этого элемента. К ним, в первую очередь, необходимо отнести крабов, устриц, ракушек, целый ряд рыб и других обитателей морей.

Титан найден в тканях лошадей, овец, собак, кроликов, телят, причем, больше всего титана содержится в легких, печени, волосяном покрове и почках животных.

В организме взрослого человека находится около 20 миллиграммов титана. Особенно богаты этим элементом селезенка, надпочечники и щитовидная железа. Так как титана сравнительно много в почвах, то мы постоянно вдыхаем его вместе с обычной пылью. Небольшое количество титана есть в костях и зубах человека, в материнском молоке.

Обнаружено также, что титан – составная часть коровьего молока, куриных яиц и многих других пищевых продуктов.

Таким образом, по распространенности в природе титан занимает среди металлов четвертое место (после алюминия, железа и магния). В земной коре он составляет 0,6%, то есть втрое больше, чем медь, цинк, никель, ванадий, хром и марганец вместе взятые.

Создание крупной промышленности стало возможным только на базе достижений вакуумной металлургии. Титановая индустрия - крайне сложное производство, и поэтому оно осуществляется только в наиболее развитых в промышленном отношении странах мира.

Трудность получения титановых сплавов заключается в том, что в металле, который в расплавленном состоянии жадно поглощает из воздуха кислород, азот, водород, а также вступает в реакцию с углеводом, железом и многими другими элементами, количество примесей не должно превышать сотых, а иногда и тысячи долей процента. В противном случае, полученный титан становиться непригодным для использования в качестве конструкционного материала.

Поэтому при плавке и формировании металла, при получении и охлаждении слитка, а также во время термической обработки и сварки титан изолируют от соприкосновения с воздухом. Все эти операции выполняются в вакууме или под защитой инертных газов – аргона или гелия. Требования к чистоте металла настолько велики, а обеспечить ее настолько непросто, что титан восстанавливают в стальных герметичных аппаратах, заполненных инертным газом.

Способы получения титана во всем мире можно подразделить на следующие группы:

- восстановлением тетрахлорида титана (ТiCl₄) магнием или натрием;

- восстановление TiО₂ кальцием или гидридом кальция;

- электролитические способы (в том числе, амальгамная технология).

Выбор магниетермического или натриетермического способа зависит от ресурсов по производству магния и натрия в данной стране, соотношения и стоимости, созданных мощностей по тому или иному методу. Каждый из этих способов имеет свои преимущества и недостатки.

В мировой практике, в том числе и в Казахстане преимущественное развитие получил магниетермический способ получения титана.

В зависимости от принятого способа восстановления, титан получают в форме губчатого металла или порошка (при натриетермии). Дальнейшая переработка в компактный металл осуществляется плавкой или иногда методом порошковой металлургии.

В настоящее время город Усть-Каменогорск является крупным промышленным центром республики Казахстан. Основная продукция – титановая губка, производится магниетермическим способом. Исходное сырье (титановый шлак) хлорируется газообразным хлором с получением четыреххлористого титана. Полученный продукт очищается от примесей и восстанавливается магнием.

При восстановлении образуется титановая губка и хлористый магний. Губка измельчается и отправляется потребителю, а хлористый магний возвращается на процесс электролиза с получением магния и хлора.

АО Усть-Каменогорский Титано-магниевый комбинат получает в качестве сырья ильменитовый концентрат, которое производится на южном Урале. В Кустанайской области находится Тобольское месторождение, которое готовится к разработке титано-циркониевых руд.

В соответствии с Программой развития титано-магниевой промышленности, разведаны и утверждены запасы трех титановых месторождений, имеющих промышленное значение (Шокаш в Актюбинской области, Обуховское в Акмолинской области, Сатпаевское в Восточно-Казахстанской области), идет их освоение.

АО «УКТМК» является одним из 7 производителей титана губчатого, на долю которого приходится около 20% мирового производства, и только 5 производителей титановой губки сертифицированы на ее применение в изделиях для авиакосмоса.

Начиная с 1994 года, титан полностью экспортируется на рынки промышленно развитых стран.

Япония, США, Россия, Китай основную часть производимой губки используют для своего производства, поэтому на долю АО «УКТМК» как чистого экспортера титана губчатого приходиться 30 – 35% мирового объема экспорта титана губчатого, при этом, доля казахстанского титана на рынке США превысила 50%.

Основная часть титана применяется в авиакосмической промышленности (50%), затем идет, такие как химическая промышленность и производство энергии (40%), биомедицина, спорт и ювелирные изделия.

Основные области применения титана и его сплавов. Титан благодаря хорошему сочетанию механических и технологических свойств и высокой коррозионной стойкости находит широкое применение в самых различных отраслях промышленности: авиакосмической, химическом и нефтяном машиностроении, черной и цветной металлургии, пищевой промышленности и в других отраслях.

Применение титана в авиастроении. Авиационная промышленность была первым потребителем титана. Создание летательных аппаратов со скоростями близкими к скорости звука и превосходящими ее, определило ряд технических и экономических требований к конструкционным материалам, идущим на изготовление корпуса самолета и его обшивки, а также двигателей, которые невозможно было удовлетворить без применения материалов на основе титана. Авиационно-космическая техника сейчас определяет темпы развития титановой промышленности, хотя доля ее в общем объеме потребления титана постепенно снижается.

Применение титана в химической промышленности, машиностроении и других отраслях народного хозяйства. Благодаря высокой коррозионной стойкости титан и его сплавы широко используются в химической промышленности: теплообменники и выпарная аппаратура, реакторы, скрубберы, сушилки, разделительные колонны, емкости, насосы, прочее оборудование. Примерно 30% титана расходуется на изготовление коммуникаций из титана, применяемых в химической промышленности, используется в хлорном производстве.

Широкое применение титан находит в производстве искусственного волокна, красителей, азотной кислоты, синтетических жирны кислот, хлорированных углеводородов, кальцинированной соды, в хлорорганическом синтезе, во многих агрессивных средах.

Большой интерес вызывает применение фасонного литья для изготовления титановых насосов и запорной арматуры.

В мировой практике трубы из титана широко применяют в нефтяной промышленности, в судостроении с увеличением размеров кораблей требуются все более мощные турбинные двигатели, паровые котлы и конденсаторы.

По объему применения титана цветная металлургия занимает второе место среди гражданских отраслей промышленности. Наибольшее распространение титановое оборудование получило на предприятиях кобальтово-никелевой и титаново-магниевой промышленности, а также в производстве меди, цинка, свинца, ртути и других металлов.

Титан применяется в качестве элемента, повышающего твердость алюминиевых сплавов, и модификатора, позволяющего получать мелкозернистую структуру металла.

Добавки титана повышают качество чугуна и стали. Отдельно или с другими элементами титан применяется как раскислитель при производстве многих низколегированных и углеродистых сталей.

Сегодня во многих сферах человеческой деятельности титан - незаменимый металл. И все же, как пишет академик Г. Марчук, "потенциальные возможности этого металла как конструкционного материала пока еще реализованы не полностью. Ведь титан претендует на роль одного из главных кирпичей в фундаменте цивилизации будущего". В основном титан не полностью реализовал свои возможности только из-за ограниченного производства этого поистине всемогущего металла. По оценкам экономистов, ожидается, что широкое внедрение титана в промышленность начнется только тогда, когда цены на металл и его сплавы будут соотноситься с ценами на нержавеющую сталь и алюминий от 1:1 до 1:1,5. Для резкого снижения себестоимости титановой продукции должны в комплексе обеспечиваться следующие основные пути.

Во-первых, дальнейшее совершенствование технологии получении титановой губки и слитков титана: использование более мощных печей, внедрение новых способов плавки, увеличение веса слитков, максимальное использование отходов и повышение выхода годного металла.

Во-вторых, расширение ассортимента титановых сплавов с применением дешевых элементов для легирования (алюминий, железо, кремний, марганец и др.). Освоение производства биметаллов титан - сталь, титан - алюминий.

ЛИТЕРАТУРА

1. Корнилов И.И. Титан. - М.: Изд. «Наука», 1975.

2. Севрюков Н.Н., Кузьмин Б.А., Челищев Е.В. Общая металлургия. - М.: Металлургия, 1976.

3. Гармата В.А., Петрунько А.Н., Галицкий Н.В., Олесов Ю.Г., Сандлер Р.А. Титан. - М.: Металлургия, 1983.

4. Николаев Г.И. Металл века. - М.: Металлургия, 1987.

5. АО «УК ТМК» 40 лет, 1965 - 2005 гг.