Как получают титан, от руды до готового металла
О титане и его применении
Титан легче стали в полтора раза, но сохраняет сопоставимую прочность. На воздухе металл покрывается оксидной пленкой, которая препятствует дальнейшей коррозии. Организм человека не вырабатывает антитела к титану, что позволяет использовать его для протезов суставов, зубных имплантов и фиксирующих пластин при переломах.
В авиационных двигателях титановые детали работают при температурах до шестисот градусов. Стальные детали той же массы деформировались бы при таких условиях. Килограмм титана стоит тридцать-пятьдесят долларов, килограмм стали — около доллара. Разница в цене объясняется сложностью извлечения титана из руды.
Где добывают титановую руду
Содержание титана в земной коре составляет чуть больше половины процента. Металл находится в химически связанном состоянии с кислородом и другими элементами. Промышленную ценность представляют ильменит — черные пески с австралийских и индийских пляжей, содержащие треть титана по массе, рутил — минерал с шестьюдесятью процентами титана, который встречается редко, и лейкоксен — ильменит, обогащенный естественным выветриванием.
В России работают Ярегское месторождение в Коми и несколько карьеров на Урале. Австралия добывает треть мировой титановой руды, Южная Африка — пятую часть.
Процесс Кролла — как это работает на практике
Люксембургский металлург Вильгельм Кролл разработал этот метод в сороковом году прошлого века. При прямом восстановлении руды углеродом, как это делают с железом, титан образует карбиды и становится хрупким. Кролл нашел обходной путь через промежуточное хлорирование.
Сначала руду измельчают до мелких частиц. На вибрирующих столах тяжелые частицы с титаном отделяются от пустой породы. Магнитная сепарация удаляет железо. Получается концентрат — черный порошок, в котором девяносто пять процентов диоксида титана.
Затем в печь высотой около десяти метров загружают концентрат с коксом и подают хлор. При девятистах градусах образуется тетрахлорид титана — прозрачная жидкость, кипящая при ста тридцати шести градусах. На заводах её называют четыреххлористым титаном. Вещество реагирует с влагой воздуха, выделяя едкий туман, поэтому все операции проводят в герметичном оборудовании.
В стальной реактор помещают расплавленный магний и подают под его слой пары тетрахлорида. При восьмистах пятидесяти градусах магний связывает хлор, а металлический титан осаждается на стенках реактора пористой массой. Процесс занимает двое-трое суток.
После остывания реактор вскрывают и извлекают блок из титана, хлорида магния и остатков магния. В вакуумной печи при тысяче градусов магний и его соль испаряются. Остается титановая губка — пористые куски металла размером с кулак.
Другие способы — почему их редко используют
В процессе Хантера вместо магния используют натрий. Металл получается чище, но натрий воспламеняется при контакте с водой и стоит дороже магния.
При электролизе пытаются разложить соединения титана электрическим током по аналогии с производством алюминия. Проблема в том, что при рабочих температурах титан частично растворяется в электролите и загрязняется материалом электродов.
Исследователи из Кембриджа в двухтысячном году предложили FFC-процесс — восстановление твердого оксида титана в расплаве хлорида кальция. Несколько компаний испытывают опытные установки, но промышленного внедрения пока нет.
Превращение губки в слитки
Температура плавления титана — тысяча шестьсот шестьдесят восемь градусов. На воздухе при такой температуре металл поглощает кислород и азот, становится хрупким. Поэтому плавку ведут в вакууме или аргоне.
Куски губки прессуют в электроды длиной два-три метра. В вакуумной камере между таким электродом и медным водоохлаждаемым поддоном зажигают электрическую дугу. Титан плавится и стекает в поддон, формируя слиток массой до десяти тонн. Для выравнивания состава слиток переплавляют два-три раза.
Титановые сплав
Чистый титан недостаточно прочен для ответственных конструкций. Добавка шести процентов алюминия и четырех процентов ванадия дает сплав Ti-6Al-4V — из него изготавливают большую часть титановых изделий. Алюминий повышает прочность и снижает вес, ванадий улучшает пластичность.
Для работы в морской воде в сплав вводят молибден — он усиливает стойкость к хлоридной коррозии. В медицинских сплавах используют цирконий и ниобий — эти элементы биологически инертны.
Проблемы производства
На тонну титана расходуется сорок-пятьдесят мегаватт-часов электроэнергии — столько потребляет жилой дом за несколько месяцев. Хлор и хлорид магния токсичны, их необходимо улавливать и перерабатывать. Магний регенерируют электролизом хлорида магния, что требует дополнительных пятнадцати мегаватт-часов на тонну.
Современные заводы возвращают хлор и магний в производственный цикл, используют тепло реакций для подогрева сырья. Полностью исключить отходы пока не получается — часть хлоридов приходится нейтрализовать и складировать.
Что дальше ?
Ежегодно в мире производят двести тысяч тонн титана. Для сравнения, стали выплавляют почти два миллиарда тонн. При снижении цены титана вдвое его можно будет применять в автомобилях, строительных конструкциях, бытовой технике. Разрабатываемые методы прямого восстановления могут сократить число технологических стадий и снизить себестоимость металла на двадцать-тридцать процентов.