Элементарный титан

ТИТАН И МАРС

На Усть-Каменогорском титаномагниевом комбинате для управления технологическими процессами впервые в этой отрасли были применены счётно- решающие машины «Марс». С их помощью регулируют температуру, давление и другие параметры технологического процесса получение титановой губки.

ЭКСКУРСИЯ НА КОМБИНАТ 
Титано-магниевые комбинаты – огромные промышленные предприятия, где каждый цех представляет собой почти целый самостоятельный завод. «Рождению» титана предшествует несколько стадий, так называемых пределов, каждый из которых – определённый технологический этап. 
Восстановительная плавка ильменитового концентрата – первая стадия переработки сырья на комбинате. В обычные электродуговые печи, представляющие собой ванны из огнеупорного кирпича с опущенными почти до самого дна графитированными электродами, загружают шихту. Она состоит из ильменитового концентрата и специального углеродистого восстановителя – кокса, антрацита и других углеродосодержащих веществ с наименьшим количеством золы и серы. В результате плавки получают богатые титаном шлаки и обычный чугун. Присутствие в чугуне титана действует благотворно на чёрный металл, поэтому при производстве чугуна и стали титан к ним нередко добавляют специально. Здесь же титан переходит в чугун непосредственно из ильменитового концентрата. 
Входящая в состав ильменита окись железа восстанавливается до металла, который опускается на дно ванны и, насыщаясь углеродом, превращается в чугун. Чтобы отделить титановые шлаки от чугуна, жидкой массе дают отстояться. Титановые шлаки всплывают, а более тяжёлый чугун оседает на дно. Основу шлака составляет двуокись титана, но она загрязнена примесями соединений железа, кремния, кальция. 
Остывший шлак представляет собой порошок, в котором отчётливо видны мелкие чешуйки. В титановый шлак добавляют нефтян

ая добавка. Его вводят для улучшения структуры металлов, увеличения прочности и коррозийной стойкости. 
Некоторые ядерные реакции должны совершаться в почти абсолютной пустоте. 
Ртутными насосами разрежение может быть доведено до нескольких миллиардных долей атмосферы. Но этого не достаточно, а ртутные насосы на большее не способны. Дальнейшая откачка воздуха осуществляется уже особыми титановыми насосами. Кроме того, для достижения ещё большего разрежения по внутренней поверхности камеры, где протекают реакции, распыляют мелкодисперсный титан.

Титан часто называют металлом будущего. Факты, которыми уже сейчас располагают наука и техника, убеждают, что это не совсем так – титан уже стал металлом настоящего.

ВСЕ ПОЗНАЁТСЯ В СРАВНЕНИИ… 
Лишь три технически важных металла – алюминий, железо и магний – распространены в природе больше, чем титан. Количество титана в земной коре в несколько раз превышает запасы меди, цинка, свинца золота, серебра, платины, хрома, вольфрама, ртути, молибдена, висмута, сурьмы, никеля и олова, вместе взятых.

МИНЕРАЛЫ ТИТАНА. 
Известно около 70 минералов титана, в которых он находится в виде двуокиси и солей титановой кислоты. Наибольшее практическое значение имеют ильменит, рутил, перовскит и сфен. 
Ильменит – метатитанат железа FeTiO3 - содержит 52,65% TiO2. Название этого минерала связано с тем, что он был найден на Урале в Ильменских горах. Крупнейшие россыпи ильменитовых песков имеются в Индии. Другой важнейший материал – рутил представляет собой двуокись титана. Промышленное значение имеют также титаномагнетиты – природная смесь ильменита с минералами железа. Богатые месторождения титановых руд есть в России, США, 
Индии Норвегии, Канаде, Австралии и других странах. 
Не так давно геологи в Северном Прибайкалье новый титаносодержащий минерал, который был назван ландауитом в честь советского физика Л. Д. 
Ландау. 
Всего на земном шаре известно более 150 значительных рудных и россыпных месторождений титана.

В ЖИВЫХ ОРГАНИЗМАХ 
В человеческом организме содержится до 20 мг титана. Больше всего титана в селезёнке, надпочечниках и щитовидной железе. 
В этих органах содержание элемента №22 с возрастом не изменяется, но в лёгких за 65 лет жизни оно возрастает более чем в 100 раз. 
Из представителей флоры богата титаном водоросль кладофора: содержание в ней этого элемента превышает 0,03%.

…И НА СОЛНЦЕ спектральным анализом титан обнаружен на Солнце и в составе некоторых звёздных атмосфер, где он, кстати, преобладает над большинством элементов. 
Но если на земле титан существует главным образом в виде двуокиси TiO2, то в космосе, очевидно, в виде моноокиси TiO.

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИК 
Титанат бария, будучи наэлектризован, проявляет высокие пьезоэлектрические свойства, т.е. может превращать механическую энергию сжатия или расширения кристалла в электрическую. Пьезокристаллы титаната бария по многим характеристикам превосходят такие распространённые пьезоэлектрики, как кварц и сегнетова соль.

НЕОБЫЧАЙНОЕ СВОЙСТВО 
Разработаны материалы, которые будучи сильно деформированными на холоде, при нагревании вновь принимают первоначальную форму. Один из таких 
«памятливых» материалов представляет собой интерметаллические соединения титана и никеля, отличающееся высокой прочностью., пластичностью и коррозийной стойкостью. 
Проволоке из этого материала можно придать форму радиоантенны и сжать её в небольшой шар. После нагревания этот шарснова превратится в антенну.

ТИТАН, РАКЕТЫ И ГАЗЫ 
Титан используется для производства баллонов, в которых газы могут храниться длительное время под большим давлением. В американских ракетах типа «Атлас» сферические резервуары для хранения сжатого гелия сделаны из титана. 
Из титановых сплавов изготовляют баки для жидкого кислорода, применяемые в ракетных двигателях.

ТИТАН И МАРС

На Усть-Каменогорском титаномагниевом комбинате для управления технологическими процессами впервые в этой отрасли были применены счётно- решающие машины «Марс». С их помощью регулируют температуру, давление и другие параметры технологического процесса получение титановой губки.

ЭКСКУРСИЯ НА КОМБИНАТ 
Титано-магниевые комбинаты – огромные промышленные предприятия, где каждый цех представляет собой почти целый самостоятельный завод. «Рождению» титана предшествует несколько стадий, так называемых пределов, каждый из которых – определённый технологический этап. 
Восстановительная плавка ильменитового концентрата – первая стадия переработки сырья на комбинате. В обычные электродуговые печи, представляющие собой ванны из огнеупорного кирпича с опущенными почти до самого дна графитированными электродами, загружают шихту. Она состоит из ильменитового концентрата и специального углеродистого восстановителя – кокса, антрацита и других углеродосодержащих веществ с наименьшим количеством золы и серы. В результате плавки получают богатые титаном шлаки и обычный чугун. Присутствие в чугуне титана действует благотворно на чёрный металл, поэтому при производстве чугуна и стали титан к ним нередко добавляют специально. Здесь же титан переходит в чугун непосредственно из ильменитового концентрата. 
Входящая в состав ильменита окись железа восстанавливается до металла, который опускается на дно ванны и, насыщаясь углеродом, превращается в чугун. Чтобы отделить титановые шлаки от чугуна, жидкой массе дают отстояться. Титановые шлаки всплывают, а более тяжёлый чугун оседает на дно. Основу шлака составляет двуокись титана, но она загрязнена примесями соединений железа, кремния, кальция. 
Остывший шлак представляет собой порошок, в котором отчётливо видны мелкие чешуйки. В титановый шлак добавляют нефтяной кокс. В качестве связующего вещества применяют каменноугольные пек или смолу. Из полученной массы, называемой шихтой, прессуют брикеты. Их высушивают, затем в специальных печах, куда не проникает воздух, при температуре 700 – 900С спекают. В результате происходит процесс коксования, поры в брикетах увеличиваются. 
Теперь уже можно подавать брикеты в шахтную печь. 
Печь для хлорирования – это стальной цилиндр, выложенный изнутри слоем особо стойкого кирпича. В цилиндр через загрузочное устройство сверху попадают брикеты шихты, с помощью электронагревательных элементов доводят их температуру до 800 – 850С. хлор подают снизу. Печь герметически закрыта и работает непрерывно. Процессы хлорирования идут в нижнем, нагретом слое шихты. По мере расходования брикетов добавляют новые, причём загружают их так, что герметичность печи не нарушается.

ТРУДНОСТИ ОБРАБОТКИ 
Приятно считать, что титан поддаётся механической обработке подобно нержавеющим сталям. Это значит, что обрабатывать титан в 4-5 раз труднее, чем обычную сталь, но это всё же не составляет неразрешимой проблемы. 
Основные проблемы при обработки титана – это большая склонность его к налипанию и задиранию, низкая теплопроводность, а также то обстоятельство, что практически все металлы и огнеупорны растворяются в титане, в результате чего представляет собой сплав титана и твёрдого материала режущего инструмента. Такая обработка вызывает быстрый износ резца.

Для уменьшения налипания и задирания и для отвода большого количества тепла, которое выделяется при резании, применяют охлаждающие жидкости. 
Точение заготовки производят спомощью резцов из твёрдых сплавов причём скорость обработки, как правило, ниже, чем при точении нержавеющей стали.

Если необходимо разрезать листы из титана, то эту операцию осуществляют на гильотинных ножницах. Сортовой прокат больших диаметров режут механическими пилами, применяяножовочные полотна с крупным зубом. Менее толстые прутки разрезают на токарных станках. 
При фрезеровании титан остаётся верным себе и налипает на зубья фрезы. 
Фрезы тоже изготовляют из твёрдых сплавов, а для охлаждения применяют смазки, отличающиеся большой вязкостью. 
При сверлении титана основное внимание обращают на то, чтобы стружка не скапливалась в отводящих канавках, так как это быстро повреждает сверло. В качестве материала для сверления титана применяют быстрорежущую сталь. 
При использовании титана как конструкционного материала титановые детали соединяют друг с другом и с деталями из иных материалов разными методами. 
Основной метод – сварка. Самые первые попытки сварить титанбыли неудачными, что объяснялось взаимодействием расплавленного металла с кислородом, азотом и водородом воздуха, ростом зерна при нагреве, изменениями в микроструктуре и другими факторами, приводимые к хрупкости шва. Однако все эти проблемы, ранее казавшиеся неразрешимыми, были решены в самые короткие сроки в наши дни сварка титана – обычная промышленная технология. 
Но, хотя проблемы решены, сварка титана не стала простой и лёгкой. 
Основная её трудность и сложность заключается в необходимости постоянного и неукоснительного предохранения сварного шва от загрязнения примесями. 
Поэтому при сварке титана используют не только инертный газ высокой чистоты и специальные бескислородные флюсы, но и разнообразные защитные козырьки, прокладки, которые защищают остывающие. 
Чтобы максимально снизить рост зерна и уменьшить изменения в микроструктуре, сварку ведут с большой скоростью. Почти все виды сварки производят в обычных условиях, применяя специальные меры для защиты нагретого металла от соприкосновение с воздухом. 
Но мировая практика знает и сварку в контролируемой атмосфере. Такая защита сварного шва обычно необходима при выполнении особо ответственных работ, когда требуется стопроцентная гарантия того, что сварной шов не будет загрязнён. Если свариваемые части не велики, сварку ведут в специальной камере, заполненной инертным газом. Сварщик хорошо видит всё, что ему нужно через специальное окно. 
Когда же сваривают большие детали и узлы, контролируемую атмосферу создают в специальных вместительных герметичных помещениях, где сварщики работают, применяя индивидуальные системы жизнеобеспечения. Разумеется, эти работы ведут сварщики самой высокой квалификации, но и обычную сварку титана должны проводить только специально обученные этому делу люди. 
В тех случаях, когда сварка не возможна или попросту не целесообразна, прибегают к пайке. Пайка титана осложняется тем, что он при высоких температурах химически активен и очень прочно связан с покрывающей его поверхность – окисной плёнкой. Подавляющее большинство металлов непригодно для использования в качестве припоев при пайке титана, так как получаются хрупкие соединения. Только чистые серебро и алюминий подходят для этой цели. 
Соединять титан с титаном, а также с другими металлами можно и механически 
– клепкой или при помощи болтов. При использовании титановых заклёпок время клёпки увеличивается почти вдвое по сравнению с применением высокопрочных алюминиевых деталей, а гайки и болты из нового промышленного металла непременно покрывают слоем серебра или синтетического материала тефлона, иначе при завинчивании гайки титан будет, как это ему неизменно присуще, налипать и задираться и резьбовое соединение не сможет выдержать больших напряжений. 
Склонность к налипанию и задиранию, обусловленная высоким коэфициентом трения, - очень серьёзный недостаток титана. Это приводит к тому, что титановые сплавы быстро изнашиваются и их нельзя использовать для изготовления деталей, работающих в условиях трения скольжения. При скольжении по любому металлу титан налипает на его поверхность, и деталь вязнет, схваченная липким слоем титана. 
Впрочем, говорить, что титановые сплавы нельзя применять при изготовлении трущихся деталей, неверно. Существует немало способов, упрочняющих поверхность титана и устраняющих склонность к налипанию. Один из них – азотирование. 
Процесс заключается в том, что детали, нагретые до 850-950 градусов, выдерживают в чистом газообразном азоте более суток. На поверхности металла образуется золотисто-жёлтая плёнка нитрида титана большой микротвёрдости. 
Износостойкость титановых деталей повышается во много раз и не уступает изделиям из специальных поверхностно упрочнённых сталей. 
Другой распространённый метод устранения склонности титана к задиранию – оксидирование. При этом в результате нагрева на поверхности деталей образуется окисная плёнка. При низкотемпературном оксидировании свободный доступ воздуха к металлу затруднён и окисная плёнка получается плотной, хорошо связанной с основной толщей титана. 
Высокотемпературное оксидирование заключается в том, что в течении 5-6 часов детали выдерживают на воздухе нагретыми до 850 градусов, а затем резко охлаждают в воде, чтобы удалить с поверхности рыхлую окалину. В результате оксидирования сопротивление износу возрастает в 15-100 раз.

СОЮЗНИК МЕТАЛЛУРГОВ 
Когда слышишь или читаешь слова «металлургия», «металлург», представляешь себе пышущие жаром печи, раскалённый поток металла, видишь ревущее пламя. 
Но металлург бывает совершенно другой. 
Нередко руды обрабатывают растворами кислот, в результате чего металл в виде солей переходят из сырья в раствор. Нерастворимый осадок состоит из пустой породы и при фильтрации легко отделяется от растворимых солей, из которых затем осаждают металл. Водные растворы соединений металлов можно подвергать электролизу и тогда на катоде наращивается слой требуемого металла. При этих и некоторых других процессах широко пользуются также методами отстаивания, выпаривания, экстракции, ионного обмена, при которых разбавленные кислоты становятся более концентрированными и интенсивно действуют на материалы технического оборудования. 
Металлургические процессы, основанные на основе жидкостей, называют гидрометаллургическими – от греческого слова, обозначающего воду. Гораздо более привычные для нас методы, при которых требуются высокие температуры, нагрев, пламя, называют пирометаллургическими – от другого греческого слова, обозначающего огонь. Так вот, при проведении целого ряда гидрометаллургических процессов крайне необходим такой коррозионностойкий, надёжный и долговечный металл, как титан. 
Поэтому его и используют на многих переделах производство цветных металлов. На одних – больше, на других – меньше, но уровень его применения постоянно возрастает, и ныне цветная металлургия – крупнейший потребитель титана среди всех отраслей народного хозяйства страны. 
Первыми стали широко применять титановое оборудование предприятия никель- кобальтовой промышленности, что позволило экономить многие миллионы рублей, давать высококачественную продукцию. Благодаря разработке и освоению целого комплекса надёжных технологических аппаратов из титана на комбинате 
«Североникель» впервые в практике производства цветных металлов удалось осуществить комплексную автоматизацию технологических процессов. 
Никель-кобальтовые предприятия используют фильтровальное оборудование, экстракторы, выпарные аппараты, вентиляторы, автоклавы, теплообменники, хлорные эжекторы – всего более 200 наименований изделий, изготовляемых из титана. Это даёт ощутимый технико-экономический эффект. 
Титановые матрицы для осаждения никеля в 3 раза легче и в 15 раз долговечнее стальных. Благодаря их использованию в 10 раз снизился процент брака. В результате замены насосов из кислотоупорного литья титановыми ежегодная экономия на комбинате «Североникель» составляет более 700 тысяч рублей. 
Используемые при производстве титана и магния титановые насосы дают условно годовой эффект по каждому агрегату от 900 до 1800 рублей. Срок их службы при перекачке растворов хлористых солей, натрия, калия, магния, слабой соляной кислоты в 15-20 раз выше, чем чугунных или изготовленных из кислотоупорных сталей. Потери жидкости снижаются в 2,5 раза. 
Наиболее эффективными оказалось оборудование из нового промышленного металла на переделах хлорирования титановых шлаков и при улавливании пыли и газов. Под воздействием ионов хлора как углеродистые, так и нержавеющие стали интенсивно разрушаются, подвергаются язвенной и точечной коррозии. 
Титановые сплавы несравненно более стойки и оборудовании, изготовленное из них, служит гораздо дольше. Титановые ёмкости в цехах хлорирования работают по 3-4 года, тогда как стальные выходят из строя уже через 2 месяца. 
При отсасывании отходящих газов титано-магниевого производства титановые вентиляторы эксплуатируются 5 лет, стальные – не более 1-2 месяцев, срок службы газоходов из титана в 20, в 30 раз превышает срок службы стальных! 
В 1969 году на Березниковском титано-магниевом комбинате была пущена 120- метровая вытяжная труба. Труба кактруба – для выброса производственных газов, внешне ничего особенно собой не представляет. И мало ли заводских труб! Но березниковского бала особенной: впервые в мировой практике она была изготовлена из титана. Ныне она уже не единственная в мире: точно такая же труба возведена и на Запорожском титано-магниевом комбинате. 
Планируются построить ещё несколько титановых титановых труб на различных заводах страны. 
Успешно используют титан в титановой промышленности и за рубежом. 
Американская фирма ТМКА сообщает, что титановый агрегат для выщелачивания магния и хлористого магния из титановой губки (в США губку очищают не нагревании в вакууме, а промыванием «царской водкой») заменил более десятка прежних малопроизводительных аппаратов и приносит ежегодный доход в 370 тысяч долларов. 
При получении магниевых сплавов используют стойкие в расплавленном магнии