Титан

    Мировое производство металлического титана развивалось  весьма быстро: около 2 т в 1948, 2100 т  в 1953, 20 000 т в 1957; в 1975 оно превысило 50 000 т. 

    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. 

    Физические  свойства

    Титан — легкий серебристо-белый металл. Существует в двух кристаллических  модификациях: ниже температуры 882,5 °С α-Ti с гексагональной плотноупакованной решёткой (a=2,951 Å; с=4,697 Å; z=2; пространственная группа C6mmc), а выше этой температуры β-Ti с кубической объёмноцентрированной упаковкой (a=3,269 Å; z=2; пространственная группа Im3m), температура перехода α↔β 883 °C, ΔH перехода 3,8 кДж/моль. Точка плавления 1671 °C, точка кипения 3260 °C, плотность α-Ti и β-Ti соответственно равна 4,505 (20 °C) и 4,32 (900 °C) г/см³, атомная плотность 5,71×1022 ат/см³.

    Атомный радиус Ti 1,46 , ионные радиусы Ti+ 0,94 , Ti2+ 0,78 , Ti3+ 0,69 , Ti4+ 0,64 , tпл1668±5°С, tкип 3227 °С; теплопроводность в интервале 20—25 °С 22,065 вт/(м × К) [0,0527 кал/(см × сек × °С)]; температурный коэффициент линейного расширения при 20 °С 8,5×10-6, в интервале 20—700 °С 9,7×10-6; теплоёмкость 0,523 кдж/(кг ×К) [0,1248 кал/(г×°С)]; удельное электросо-противление 42,1×10-6 ом ×см при 20 °С; температурный коэффициент электросопротивления 0,0035 при 20 °С; обладает сверхпроводимостью ниже 0,38±0,01 К. Титан парамагнитен, удельная магнитная восприимчивость (3,2±0,4)×10-6 при 20°С. Предел прочности 256 Мн/м2 (25,6 кгс/мм2), относительное удлинение 72%, твёрдость по Бринеллю менее 1000 Мн/м2 (100 кгс/мм2). Модуль нормальной упругости 108000 Мн/м2 (10800 кгс/мм2). Металл высокой степени чистоты ковок при обычной температуре. Пластичен, сваривается в инертной атмосфере.

    Имеет высокую вязкость, при механической обработке склонен к налипанию  на режущий инструмент, и поэтому  требуется нанесение специальных  покрытий на инструмент, различных  смазок.

    При обычной температуре покрывается  защитной пассивирующей пленкой  оксида TiO2, благодаря этому коррозионностоек в большинстве сред (кроме щелочной).

    Исследование  физико-химических свойств металлического титана приводило к почти фантастическим результатам. Оказалось, например, что  титан, будучи почти вдвое легче  железа (плотность титана 4,5 г/см3), по прочности превосходит многие стали. Сравнения с алюминием оказалось  тоже в пользу титана: титан всего  в полтора раза тяжелее алюминия, но зато в шесть раз прочнее  и, что особенно важно, он сохраняет  свою прочность при температурах до 500 С (а при добавки легирующих элементов элементов – до 650 С), вто время как прочность алюминиевых  и магниевых сплавов резко  падает уже при 300С.

      Титан обладает и значительной  твёрдостью: он в 12 раз твёрже  алюминия, в 4 раза – железа  и меди. Ещё одна важная характеристика  металла – предел текучести.  Чем он выше, тем лучше детали  из этого металла сопротивляются  эксплуатационным нагрузкам, тем  дольше они сохраняют свои  формы и размеры. Предел текучести  у титана почти в 18 раз выше, чем у алюминия.

      В отличие от большинства металлов  титан обладает значительным  электросопротивлением: если электропроводность  серебра принять за 100, то электропроводность  меди равна 94, алюминия – 60,железа  и платины – 15, а титана –  всего 3,8. Вряд ли нужно объяснять,  что это свойство,как и немагнитность  титана, представляет интерес для  радиоэлектронники и электротехники.

    Титановая пыль имеет свойство взрываться. Температура  вспышки 400°С. 

    Химические  свойства

    Титан устойчив к разбавленным растворам  многих кислот и щелочей (кроме HF, H3PO4 и концентрированной H2SO4).

    Легко реагирует даже со слабыми кислотами  в присутствии комплексообразователей, например, с плавиковой кислотой HF он взаимодействует благодаря образованию комплексного аниона [TiF6]2-.

    При нагревании на воздухе до 1200°C Ti загорается с образованием оксидных фаз переменного состава TiOx. Из растворов солей титана осаждается гидроксид TiO(OH)2·xH2O, осторожным прокаливанием которого получают оксид TiO2. Гидроксид TiO(OH)2·xH2O и диоксид TiO2 амфотерны.

    TiO2 взаимодействует с серной кислотой при длительном кипячении. При сплавлении с содой Na2CO3 или поташом K2CO3 оксид TiO2 образует титанат: TiO2+K2CO3=K2TiO3+CO2.

    При нагревании Ti взаимодействует с галогенами. Тетрахлорид титана TiCl4 при обычных условиях — желтоватая, сильно дымящая на воздухе жидкость, что объясняется сильным гидролизом TiCl4 содержащимися в воздухе парами воды и образованием мельчайших капелек HCl и взвеси гидроксида титана.

    Восстановлением TiCl4 водородом, Al, Si, другими сильными восстановителями, получен трихлорид и дихлорид титана TiCl3 и TiCl2 — твердые вещества с сильно восстановительными свойствами. Ti взаимодействует с Br2 и I2.

    С N2 выше 400 °C титан образует нитрид TiNx(x=0,58-1,00). При взаимодействии титана с C образуется карбид титана TiCx (x=0,49-1,00).

    При нагревании Ti поглощает H2 с образованием соединения переменного состава TiHх (x=1,0). При нагревании эти гидриды разлагаются с выделением H2. Титан образует сплавы со многими металлами.

    Чистый  титан — химически активный переходный элемент, в соединениях имеет  степени окисления + 4, реже +3 и +2. При  обычной температуре и вплоть до 500—550 °С коррозионно устойчив, что  объясняется наличием на его поверхности  тонкой, но прочной окисной плёнки. При измельчении в порошок горит на воздухе.

      С кислородом воздуха заметно  взаимодействует при температуре  выше 600 °С с образованием TiO2. Тонкая титановая стружка при недостаточной смазке может загораться в процессе механической обработки. При достаточной концентрации кислорода в окружающей среде и повреждении окисной плёнки путём удара или трения возможно загорание металла при комнатной температуре и в сравнительно крупных кусках.

      Окисная плёнка не защищает  титан в жидком состоянии от  дальнейшего взаимодействия с  кислородом (в отличие, например, от алюминия), и поэтому его  плавка и сварка должны проводиться  в вакууме, в атмосфере нейтрального  газа или под флюсом. Титан  обладает способностью поглощать  атмосферные газы и водород,  образуя хрупкие сплавы, непригодные  для практического использования;  при наличии активированной поверхности  поглощение водорода происходит  уже при комнатной температуре  с небольшой скоростью, которая  значительно возрастает при 400 °С и выше. Растворимость водорода  в титане является обратимой,  и этот газ можно удалить  почти полностью отжигом в  вакууме. С азотом титан реагирует  при температуре выше 700 °С, причём  получаются нитриды типа TiN; в виде тонкого порошка или проволоки титан может гореть в атмосфере азота. Скорость диффузии азота и кислорода в титане значительно ниже, чем водорода. Получаемый в результате взаимодействия с этими газами слой отличается повышенными твёрдостью и хрупкостью и должен удаляться с поверхности титановых изделий путём травления или механической обработки. Титан энергично взаимодействует с сухими галогенами, по отноше-нию к влажным галогенам устойчив, так как влага играет роль ингибитора.

      Металл устойчив в азотной  кислоте всех концентраций (за  исключением красной дымящейся,  вызывающей коррозионное растрескивание  титана, причём реакция иногда  идёт со взрывом), в слабых растворах  серной кислоты (до 5% по массе). Соляная, плавиковая, концентрированная  серная, а также горячие органические  кислоты: щавелевая, муравьиная  и трихлоруксусная реагируют  с титаном.

      Титан коррозионно устойчив в  атмосферном воздухе, морской  воде и морской атмосфере, во  влажном хлоре, хлорной воде, горячих  и холодных растворах хлоридов, в различных технологических  растворах и реагентах, применяемых  в химической, нефтяной, бумагоделательной  и др. отраслях промышленности, а  также в гидрометаллургии. Титан  образует с С, В, Se, Si металлоподобные соединения, отличающиеся тугоплавкостью и высокой твёрдостью. Карбид TiG (tпл 3140 °С) получают нагреванием смеси TiO2 с сажей при 1900—2000 °С в атмосфере водорода; нитрид TiN (tпл 2950 °С) — нагреванием порошка титана в азоте при температуре выше 700 °С. Известны силициды TiSi2, Ti5Si3, TiSi и бориды TiB, Ti2B5, TiB2. При температурах 400—600 °С титан поглощает водород с образованием твёрдых растворов и гидридов (TiH, TiH2). При сплавлении TiO2 со щелочами образуются соли титановых кислот мета- и ортотитанаты (например, Na2TiO3 и Na4TiO4), а также полититанаты (например, Na2Ti2O5 и Na2Ti3O7). К титанатам относятся важнейшие минералы титана, например ильменит FeTiO3, перовскит CaTiO3. Все титанаты малорастворимы в воде. Двуокись титана, титановые кислоты (осадки), а также титанаты растворяются в серной кислоте с образованием растворов, содержащих титанилсульфат TiOSO4. При разбавлении и нагревании растворов в результате гидролиза осаждается H2TiO3, из которой получают двуокись титана. При добавлении перекиси водорода в кислые растворы, содержащие соединения Ti (IV), образуются перекисные (надтитановые) кислоты состава H4TiO5 и H4TiO8 и соответствующие им соли; эти соединения окрашены в жёлтый или оранжево-красный цвет (в зависимости от концентрации титана), что используется для аналитического определения титана. 

    Применение

    Основные  преимущества титана перед др. конструкционными металлами: сочетание лёгкости, прочности  и коррозионной стойкости. Титановые  сплавы по абсолютной, а тем более  по удельной прочности (то есть прочности, отнесённой к плотности) превосходят  большинство сплавов на основе др. металлов (например, железа или никеля) при температурах от -250 до 550 °С, а  по коррозионности они сравнимы со сплавами благородных металлов (см. также Лёгкие сплавы). Однако как  самостоятельный конструкционный  материал титан стал применяться  только в 50-е гг. 20 в. в связи с  большими техническими трудностями  его извлечения из руд и переработки (именно поэтому титан условно  относили к редким металлам). Основная часть титана расходуется на нужды  авиационной и ракетной техники  и морского судостроения. Сплавы титана с железом, известные под названием  «ферротитан» (20—50% титана), в металлургии  качественных сталей и специальных  сплавов служат легирующей добавкой и раскислителем.

      Технический титан идёт на  изготовление ёмкостей, химических  реакторов, трубопроводов, арматуры, насосов и др. изделий, работающих  в агрессивных средах, например  в химическом машиностроении. 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. В гидрометаллургии цветных металлов применяется аппаратура из титана. Он служит для покрытия изделий из стали. Использование титана даёт во многих случаях большой технико-экономический эффект не только благодаря повышению срока службы оборудования, но и возможности интенсификации процессов (как, например, в гидрометаллургии никеля). Биологическая безвредность титана делает его превосходным материалом для изготовления оборудования для пищевой промышленности (пищевая добавка E171) и в восстановительной хирургии. В условиях глубокого холода прочность титана повышается при сохранении хорошей пластичности, что позволяет применять его как конструкционный материал для криогенной техники. Нитинол (никель-титан) — сплав, обладающий памятью формы, применяемый в медицине и технике.

    Титан используется в художественном литье. Он хорошо поддаётся полировке, цветному анодированию и др. методам отделки поверхности и поэтому идёт на изготовление различных художественных изделий, в том числе и монументальной скульптуры. Примером может служить памятник в Москве, сооруженный в честь запуска первого искусственного спутника Земли.