пользователей: 21251
предметов: 10459
вопросов: 177801
Конспект-online
зарегистрируйся или войди через vk.com чтобы оставить конспект.
РЕГИСТРАЦИЯ ЭКСКУРСИЯ

55. Титан и его использование, сырьевая база титановой промышленности.

 

С

Главные промышленные минералы титана: ильменит FeTiO3 (42-62% TiO2), рутил (92-98% TiO2), анатаз (полиморфная модификация рутила), лейкоксен – продукт изменения ильменита (FeTiO3×Fe2O3×nTiO2, 63-90% TiO2). Основными источниками для производства титана и диоксида являются ильменитовый, рутиловый и в меньшей степени лейкоксеновый концентраты. Лучшие и наиболее дорогие из них рутиловые, содержащие более 91% TiO2. Ильменитовые концентраты содержат TiO2 на уровне 42-62%. Для повышения качества титанового сырья, идущего на получение металла или диоксида из ильменитовых или лейкоксеновых концентратов, производят титановый шлак (70-85% TiO2) и синтетический рутил (95-98% TiO2). Эти титановые полупродукты с высоким содержанием TiO2 наиболее предпочтительны для получения их них металла, пигментного диоксида титана и другой товарной продукции. Схема использования различных концентратов титана показана на рис. 1. Для передела титановых концентратов на пигментный диоксид применяют сернокислотный (сульфатный) и хлоридный способы. За рубежом более 50% диоксида титана получают по хлоридной технологии. В СССР, а теперь на территории СНГ применялась и применяется только сернокислотная технология переработки собственных ильменитовых концентратов и импортных шлаков. При этом способе железо, содержащееся в ильменитовых концентратах, не используется, а значительные по объему отходы сернокислого железа требуют утилизации или захоронения. Образуется большое количество разбавленной 20-22%-ной гидролизной серной кислоты ( в пересчете на моногидрат ~2 т на 1 т ТiO2), загрязненной сульфатом железа, 1-2% титанилсульфата и несколькими процентами других сульфатов. Примерный расход основных материалов на производство 1 т диоксида титана из ильменитовых концентратов сернокислотным методом составляет: ильменитового концентрата, содержащего 42% TiO2 – 3,1 т; серной кислоты (моногидрат) – 4-4,5 т; железной стружки – 0,24 т. Хлоридный способ промышленного получения рутильной формы диоксида титана был изобретен компанией DuPont (США) в 1950 г. Хлоридный метод по сравнению с сернокислотным имеет более короткую технологическую схему, экологически менее вреден, почти безотходен, процесс непрерывный и поддается автоматизации. Нерешенным является вопрос использования образующейся соляной кислоты. Кроме того, для хлоридного способа сырьем могут служить только богатые титановые полупродукты (шлак или искусственный рутил), т.е. требуется предварительная весьма энергоемкая переработка ильменитовых и лейкоксеновых концентратов в процессе электроплавки или гидрометаллургии. К качеству же ильменитовых концентратов для сернокислотной технологии предъявляют менее жесткие требования. Именно поэтому в Китае, титановая промышленность которого ориентирована на использование отечественного ильменитового сырья, преобладает использование сульфатной технологии (на начало 2011 г. в Китае лишь на одном предприятии применяется хлоридная технология и компания DuPont уже в течение нескольких лет не может согласовать с китайскими властями разрешение на строительство своего «хлоридного» предприятия).  В настоящее время масштабы применения в мире сульфатных и хлоридных способов примерно одинаковы. Если в 70-80 гг. использовался преимущественно хлоридный способ, как экологически более чистый, то в последнее время в связи с совершенствованием технологии переработки концентратов сульфатным методом, созданием малоотходного производства, резким сокращением токсичных отходов, выпуском широкого спектра железооксидных пигментов и значительным снижением стоимости серной кислоты, предприятия стали шире использовать сульфатную технологию как экономически более выгодную, отвечающую экологическим требованиям. Поэтому повысился интерес к ильменитовым концентратам высокого качества для непосредственной их переработки сульфатным способом. Лучшими для этой цели являются ильменитовые концентраты, получаемые из ильменитовых и ильменит-титаномагнетитовых руд коренных месторождений и россыпей ближнего сноса, в которых ильменит не подвергся гипергенным изменениям. Так, на территории бывшего СССР только ильменитовые концентраты Иршанской группы (Украина) были пригодны для переработки на пигментный диоксид титана по сульфатной технологии, так как иршанский ильменит малоизмененный ( не лейкоксенизированный, соотношение в минерале окисного железа к закисному меньше или равно единице) и легко вскрывается серной кислотой. Ильмениты Вольногорского комбината не пригодны для производства пигмента по сульфатной технологии, они могут идти на плавку на шлак. Получаемый диоксид титана может быть рутильной или анатазной модификации ( в зависимости от специфики строения кристаллической решетки). Анатазная форма существенно уступает по производству рутильной, так как хуже рассеивает свет (примерно на 30%) и менее атмосферостойкая (хуже защищает от УФ лучей). В результате более сильного взаимного притяжения ионов в молекулах рутила данная модификация обладает большей твердостью (абразивностью), более высокими показателем преломления (2,55 – у анатаза и 2,7 – у рутила) и диэлектрической постоянной. Плотность при 20°C для рутила – 4,235 г/см3, для анатаза – 4,05 г/см3. По своим химическим свойствам TiO2 относится к амфотерным оксидам, то есть проявляет как кислотные, так и основные свойства. TiO2 практически не растворяется в воде, разбавленных растворах щелочей и минеральных кислотах, кроме плавиковой и концентрированной серной. К физическим свойствам TiO2 относится появление желтизны после нагревания и обесцвечивание после охлаждения. Хорошо очищенный TiO2 – самый стабильный (нелетучий, нерастворимый в кислотах, щелочах и растворах при нормальных условиях) из всех известных белых пигментов (практически не поглощает никакого падающего света в видимой области спектра). Около 5% минерального сырья в мире используется на производство титановой губки, из которой в дальнейшем производят титановый прокат. Получение металлического титана включает сл. операции: -плавка ильменитовых концентратов в дуговых электропечах для отделения железа с получением титановых шлаков. В связи с тем, что титан концентрируется в шлаке, существуют жесткие ограничения по содержанию SiO2, P2O5, S в титановых концентратах; -хлорирование титановых шлаков с получением четыреххлористого титана, очистка TiCl4 от примесей; - получение металлического титана из его хлорида; - получение слитков титана (плавка в дуговой вакуумной печи, иодидное рафинирование). Цель первой операции (восстановительной плавки) – удаление основной массы железа для улучшения последующего процесса хлорирования. В противном случае значительное количество хлора будет расходоваться на хлорирование железа. В качестве восстановителя используют измельченный кокс. Получаемый титановый шлак содержит 85-90% TiO2, 3-5% FeO, 2-4% SiO2, 0,5-1% CaO, 2-4% Al2O3, остальное MgO, MnO, V2O5, Cr2O3. Извлечение титана в титановый шлак составляет 96-97%. Титановый шлак считается титановым полупродуктом. Затем титановый шлак хлорируют с получением тетрахлорида титана. После его очистки проводят магнийтермическое восстановление титана. Восстановление титана до металла осуществляется в реакторе из нержавеющей хромоникелевой стали в атмосфере аргона при температуре 800-9000С. Металлический титан, образующийся при магнийтермическом восстановлении, собирается на дне реторты в виде губчатой массы (титановой губки), пропитанной магнием, который периодически выводят из аппарата через специальное сливное отверстие. Реакционная масса, заполняющая аппарат после окончания процесса, содержит около 50% титана, избыточный магний и его хлорид. Эти примеси удаляют с помощью вакуумной отгонки.  Полученный в результате магнийтермического восстановления технический титан (губка) содержит (%): около 0,07 Cl; 0,1 Fe; 0,05 Ni; по 0,02 C и N; 0,04-0,05 Si. Общее извлечение титана из шлака составляет 70-75%. В товарной форме куски губки после дробления имеют размер 12-70 мм. Губку упаковывают в барабаны, которые вакуумируют и плотно закрывают

Применение:

  • Титан в виде сплавов является важнейшим конструкционным материалом в авиа- и ракетостроении, в кораблестроении.
  • Металл применяется в: химической промышленности (реакторы,трубопроводынасосытрубопроводная 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, украшениях для пирсинга, медицинской промышленности (протезы,остеопротезы), стоматологических и эндодонтических инструментах, зубных имплантатах, спортивных товарах, ювелирных изделиях, мобильных телефонах, лёгких сплавах и т. д.
  • Титановое литье выполняют в вакуумных печах в графитовые формы. Также используется вакуумное литье по выплавляемым моделям. Из-за технологических трудностей в художественном литье используется ограниченно. Первой в мировой практике монументальной литой скульптурой из титана являетсяпамятник Юрию Гагарину наплощади его имени в Москве[13].
  • Титан является легирующейдобавкой во многих легированных сталях и большинстве спецсплавов[каких?].
  • 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.

 

 

 

 

 

 

 

Титан применяют в виде губки и порошка. Губчатый титан, имеющий развитую поверхность, в небольших количествах используют для очистки и осушки различных газов. В последние годы ускоренными темпами развивается новая отрасль в промышленности - порошковая металлургия, в том числе порошковая металлургия титана. Изделия из высокопористых титановых порошков обладают всеми свойствами компактного титана: малой плотностью, высокой прочностью, высокой коррозионной стойкостью. Их получают прокаткой или прессованием с последующим спеканием. Эффективность от применения 1 тонны титановых фильтрующих элементов, используемых в химической, пищевой и других отраслях промышленности, составляет несколько десятков тысяч рублей. Пластичность титана и его сплавы по сравнению с другими конструкционными металлами обладают более высокой удельной прочностью и исключительной коррозийной стойкостью в атмосферных условиях и агрессивных средах. Титан стоек в воде, в том числе и морской. Это ценное свойство металла широко используется в судостроении. Существенное значение имеют такие свойства титана, как высокая температура плавления, малый коэффициент термического расширения, стойкость против эрозии и кавитации, немагнитность, биологическая инертность. Хорошая растворимость многих элементов, образования химических соединений с переменной растворимостью позволяет на основе титана получать сплавы с разнообразной структурой и свойствами. Легированием и последующей термообработкой временное сопротивление сплава титана можно повысить до 1500 МПа и более, что характерно только для специальных сталей. Удельная прочность титановых сплавов высока, и это позволяет снизить массу конструкций. Преимущества титановых сплавов перед специальными сталями, алюминиевыми и магниевыми сплавами сохраняются при температурах до 400-500 и даже 600°С, когда алюминиевые и магниевые сплавы вообще не применимы. При 300-350°С титановые сплавы прочнее алюминиевых в 10 раз.

Эти уникальные свойства титана и его сплавов привлекли внимание конструкторов самолетов, ракет, подводных лодок, различных химических аппаратов и на длительный период определили главное применение проката из титана            в этих отраслях. Показательны в этом отношении данные по структуре потребления проката из титана и его сплавов в США по годам, приведенные ниже:

 

 

1955

1961

1966

1975

1979

Ожидаемая в 2000

Авиация, %

97

92

93

74

80

 

военная

94

72

74

54

45

 

гражданская

3

20

19

20

35

 

Пр€омышленность...

(судостроение и др.), %

3

6

7

26

20

22

 

Эти данные показывают, что доля титана, используемого в промышленности, увеличивается, и сферы его применения расширяются. Титан и его сплавы подвергают различным видам механической, термической и химико-термической обработки. Они хорошо свариваются автоматической сваркой            в защитной среде инертных газов, электрошлаковой и контактной сваркой. Всё это способствует применению его в судостроении, химическом и нефтяном машиностроении, металлургии, химической, нефтехимической, целлюлозно-бумажной, пищевой промышленности.

Из титана и его сплавов в СССР серийно изготавливают теплообменные и колонные аппараты, детали электролизеров, фильтры, емкости, насосы, вентиляторы и газоходы, арматуру и трубопроводы. Известно применение титана          в прикладной электрохимии для изготовления гальванических ванн, анодов и других изделий. На Березниковском титано-магниевом комбинате изготовлена и работает 120-метровая титановая труба массой 200 т. Подобная труба из железобетона имела бы массу 4500 т. Медицинские инструменты, изготовленные из титановых сплавов, на 20-30% легче инструментов из нержавеющей стали, обладают высокой коррозионной стойкостью, более долговечны и удобны в работе. Титан хорошо вживается в организм человека, и этим пользуются врачи-травматологи.

Титановые емкости (бочки) для хранения и перевозки вина лучше дубовых и стальных: в них сохраняется аромат, цвет и вкус вин в течение многих лет и исключается появление металлического привкуса.

Титан используют как декоративный материал в архитектуре и монументальной скульптуре. Им облицован обелиск в ознаменование запуска первого искусственного спутника Земли, сооружений в Москве около ВДНХ , монумент "Штык" в Белоруссии, памятник к 100-летию организации Международного союза электросвязи в Женеве. Из титана изготовлен вымпел, доставленный          на Луну советской космической ракетой. Перечисление областей применения титана можно было бы продолжить, но в этом нет необходимости . По мере удешевления титана без сомнения будут появляться все новые и новые сферы потребления этого замечательного металла.


14.06.2016; 11:54
хиты: 3
рейтинг:0
для добавления комментариев необходимо авторизироваться.
  Copyright © 2013-2016. All Rights Reserved. помощь