Титан — свойства, характеристики, сплаты
В периодической системе химический элемент титан обозначается, как Ti (Titanium) и располагается в побочной подгруппе IV группы, в 4 периоде под атомным номером 22. Это серебристо-белый твёрдый металл, который входит в состав большого количества минералов. Купить титан вы можете на нашем сайте.
Открыли титан в конце 18 века химики из Англии и Германии Ульям Грегор и Мартин Клапрот, причём независимо друг от друга с шестилетней разницей. Название элементу дал именно Мартин Клапрот в честь древнегреческих персонажей титанов (огромных, сильных, бессмертных существ). Как оказалось, название стало пророческим, но чтобы познакомиться со всеми свойствами титана, человечеству понадобилось ещё больше 150 лет. Только через три десятилетия удалось получить первый образец металла титана. На тот момент времени его практически не использовали из-за хрупкости. В 1925 году после ряда опытов, при помощи йодидного метода химики Ван Аркель и Де Бур добыли чистый титан.
Благодаря ценным свойствам металла, на него сразу же обратили внимание инженеры и конструкторы. Это был настоящий прорыв. В 1940 году Кролль разработал магниетермический способ получения титана из руды. Этот способ актуален и на сегодняшний день.
Физические и механические свойства
Титан является довольно тугоплавким металлом. Температура его плавления составляет 1668±3°С. По этому показателю он уступает таким металлам, как тантал, вольфрам, рений, ниобий, молибден, тантал, цирконий. Титан – это парамагнитный металл. В магнитном поле он не намагничивается, но не выталкивается из него. Изображение 2
Титан обладает низкой плотностью (4,5 г/см³) и высокой прочностью (до 140 кг/мм²). Эти свойства практически не меняются при высоких температурах. Он более чем в 1,5 раза тяжелее алюминия (2,7 г/см³), зато в 1,5 раза легче железа (7,8 г/см³). По механическим свойствам титан намного превосходит эти металлы. По прочности титан и его сплавы располагаются в одном ряду со многими марками легированных сталей.
По стойкости к коррозии титан не уступает платине. Металл обладает отличной устойчивостью в условиях кавитации. Пузырьки воздуха, образующиеся в жидкой среде при активном движении титановой детали, практически не разрушают её.
Это прочный металл, способный сопротивляться разрушению и пластической деформации. Он в 12 раз твёрже алюминия и в 4 раза — меди и железа. Ещё один важный показатель – это предел текучести. С увеличением этого показателя улучшается сопротивление деталей из титана эксплуатационным нагрузкам.
В сплавах с определёнными металлами (особенно с никелем и водородом) титан способен «запоминать» форму изделия, созданную при определённой температуре. Такое изделие потом можно деформировать и оно надолго сохранит это положение. Если же изделие нагреть до температуры, при которой оно было сделано, то изделие примет первоначальную форму. Называют это свойство «памятью».
Теплопроводность титана сравнительно низкая и коэффициент линейного расширения соответственно тоже.
Из этого следует, что металл плохо проводит электричество и тепло. Зато при низких температурах он является сверхпроводником электричества, что позволяет ему передавать энергию на значительные расстояния. Также титан обладает высоким электросопротивлением.
Чистый металл титан подлежит различным видам обработки в холодном и горячем состоянии. Его можно вытягивать и делать проволоку, ковать, прокатывать в ленты, листы и фольгу с толщиной до 0,01 мм. Из титана изготавливают такие виды проката: титановая лента, титановая проволока, титановые трубы, титановые втулки, титановый круг, титановый пруток.
Химические свойства
Чистый титан – это химически активный элемент. Благодаря тому, что на его поверхности формируется плотная защитная плёнка, металл обладает высокой устойчивостью к коррозии. Он не подвергается окислению на воздухе, в соленой морской воде, не меняется во многих агрессивных химических средах (например: разбавленная и концентрированная азотная кислота, царская водка).
При высоких температурах титан взаимодействует с реагентами намного активнее. На воздухе при температуре 1200°С происходит его воспламенение. Возгораясь, металл даёт яркое свечение. Активная реакция происходит и с азотом, с образованием нитридной плёнки желто-коричневого цвета на поверхности титана.
Реакции с соляной и серной кислотами при комнатной температуре слабые, но при нагреве металл усиленно растворяется. В результате реакции образуются низшие хлориды и моносульфат. Также происходят слабые взаимодействия с фосфорной и азотной кислотами. Металл реагирует с галогенами. Реакция с хлором происходит при 300°С.
Активная реакция с водородом протекает при температуре чуть выше комнатной. Титан активно поглощает водород. 1 г титана может поглотить до 400 см³ водорода. Нагретый металл разлагает двуокись углерода и пары воды. Взаимодействие с парами воды происходит при температуре более 800°С. В результате реакции образуется окисел металла и улетучивается водород. При более высокой температуре горячий титан поглощает углекислый газ и образует карбид и окисел.
Способы получения
Титан является одним из самых распространённых элементов на Земле. Содержание его в недрах планеты по массе составляет 0,57%. Самая большая концентрация металла наблюдается в «базальтовой оболочке» (0,9%), в гранитных породах (0,23%) и в ультраосновных породах (0,03%). Существует около 70 минералов титана, в которых он содержится в виде титановой кислоты или двуокиси. Главные минералы титановых руд это: ильменит, анатаз, рутил, брукит, лопарит, лейкоксен, перовскит и сфен. Основные мировые производители титана – это Великобритания, США, Франция, Япония, Канада, Италия, Испания и Бельгия.
Существует несколько способов получения титана. Все они применяются на практике и вполне эффективны.
1. Магниетермический процесс.
Добывают руду, содержащую титан и перерабатывают его в диоксид, который медленно и при очень высоких температурных значениях подвергают хлорированию. Хлорирование проводят в углеродной среде. Затем хлорид титана, образовавшийся в результате реакции, восстанавливают магнием.
Полученный металл нагревают в вакуумном оборудовании при высокой температуре. В результате магний и хлорид магния испаряются, остаётся титан с множеством пор и пустот. Губчатый титан переплавляют для получения качественного металла.
2. Гидридно-кальциевый метод.
Сначала получают гидрид титана, а затем разделяют его на компоненты: титан и водород. Процесс происходит в безвоздушном пространстве при высокой температуре. Образуется оксид кальция, который проходит отмывку слабыми кислотами.
Гидридно-кальциевый и магниетермический методы обычно используются в промышленных масштабах. Эти методы позволяют получить значительное количество титана за небольшой промежуток времени, с минимальными денежными затратами.
3. Электролизный метод.
Хлорид или диоксид титана подвергается воздействию высокой силы тока. В результате происходит разложение соединений.
4. Йодидный метод.
Диоксид титана взаимодействует с парами йода. Далее на титановый йодид воздействуют высокой температурой, в результате чего получается титан.
Этот метод является наиболее эффективным, но и самым дорогостоящим. Титан получается очень высокой чистоты без примесей и добавок.
Применение титана
Благодаря хорошим антикоррозионным свойствам титан используют для изготовления химической аппаратуры. Высокая жаростойкость металла и его сплавов способствует применению в современной технике. Сплавы титана – это прекрасный материал для самолётостроения, ракетостроения и судостроения.
Из титана создают памятники. А колокола из этого металла известны необычайным и очень красивым звучанием. Двуокись титана является компонентом некоторых лекарственных препаратов, например: мази против кожных заболеваний. Также большим спросом пользуются соединения металла с никелем, алюминием и углеродом.
Титан и его сплавы нашли применение в таких сферах, как химическая и пищевая промышленность, цветная металлургия, электроника, ядерная техника, энергомашиностроение, гальванотехника. Вооружение, броневые плиты, хирургические инструменты и имплантаты, оросительные установки, спортинвентарь и даже украшения делают из титана и его сплавов.
В процессе азотирования на поверхности металла образуется золотистая плёнка, не уступающая по красоте даже настоящему золоту.
Где применяют ТИТАН
Главная \ СТАТЬИ О ТИТАНЕ \ Где применяют ТИТАН
Области применения титана
При существующих высоких ценах на титан его применяют преимущественно для производства военного оборудования, где главная роль принадлежит не стоимости, а техническим характеристикам. Тем не менее известны случаи использования уникальных свойств титана для гражданских нужд. По мере снижения цен на титан и роста его производства применение этого металла в военных и гражданских целях будет все больше расширяться.
Авиация. Малый удельный вес и высокая прочность (особенно при повышенных температурах) титана и его сплавов делают их весьма ценными авиационными материалами. В области самолетостроения и производства авиационных двигателей титан все больше вытесняет алюминий и нержавеющую сталь. С повышением температуры алюминий быстро утрачивает свою прочность.
При постройке реактивных двигателей титан применяется преимущественно для изготовления лопаток компрессора, дисков турбины и многих других штампованных деталей. Здесь титан вытесняет нержавеющую и термически обрабатываемую легированную стали. Экономия в весе двигателя в один килограмм позволяет сберегать до 10 кг в общем весе самолета благодаря облегчению фюзеляжа.
В конструкции самолета титан находит широкое применение для деталей фюзеляжа, работающих при повышенных температурах. Листовой титан применяется для изготовления всевозможных кожухов, защитных оболочек кабелей и направляющих для снарядов. Из листов легированного титана изготовляются различные элементы жесткости, шпангоуты фюзеляжа, нервюры и т. д.
Титан получает все большее применение при постройке самолетов F-86 и F-100. В будущем из титана будут делать створки шасси, трубопроводы гидросистем, выхлопные патрубки и сопла, лонжероны, закрылки, откидные стойки и т. д.
Титан можно применять для изготовления броневых плит, лопастей пропеллера и снарядных ящиков.
В настоящее время титан применяется в конструкции самолетов военной авиации Дуглас Х-3 для обшивки, Рипаблик F-84F, Кертисс-Райт J-65 и Боинг В-52.
Применяется титан и при постройке гражданских самолетов DC-7. Фирма «Дуглас» заменой алюминиевых сплавов и нержавеющей стали титаном при изготовлении мотогондолы и противопожарных перегородок уже добилась экономии в весе конструкции самолета около 90 кг. В настоящее время вес титановых деталей в этом самолете составляет 2%, причем эту цифру предусматривается довести до 20% общего веса самолета.
Военно-морской флот. Коррозионная стойкость титана и его сплавов делает их весьма ценным материалом на море. Военно-морское министерство США обстоятельно исследует коррозионную стойкость титана против воздействия дымовых газов, пара, масла и морской воды.
Почти такое же значение в военно-морском деле имеет и высокое значение удельной прочности титана.Применение титана в военно-морском деле включает изготовление выхлопных глушителей для дизельных двигателей подводных лодок, дисков измерительных приборов, тонкостенных труб для конденсаторов и теплообменников. По мнению специалистов, титан, как никакой другой металл, способен увеличить срок службы выхлопных глушителей на подводных лодках. Применительно к дискам измерительных приборов, работающих в условиях соприкосновения с соленой водой, бензином или маслом, титан обеспечит лучшую стойкость. Исследуется возможность применения титана для изготовления труб теплообменников, которые должны обладать коррозионной стойкостью в морской воде, омывающей трубы снаружи, и одновременно противостоять воздействию выхлопного конденсата, протекающего внутри них.
Артиллерия. По-видимому, наиболее крупным потенциальным потребителем титана может явиться артиллерия, где в настоящее время ведутся интенсивные исследования различных опытных образцов. Тем не менее в этой области стандартизовано производство лишь отдельных деталей и частей из титана. Весьма ограниченное использование титана в артиллерии при большом размахе исследований объясняется его высокой стоимостью.
Опорная плита миномета, изготовленная из титана вместо стали.
Проходят испытания изготовленные из титана орудийные станки, крестовины лафетов и цилиндры противооткатных приспособлений. Широкое применение титан может получить при производстве управляемых снарядов и ракет.
Проведенные первые исследования титана и его сплавов показали возможность изготовления из них броневых плит. Замена стальной брони (толщиной 12,7 мм) титановой броней одинаковой снарядостойкости (толщиной 16 мм) позволяет получить, по данным этих исследований, экономию в весе до 25%.
Современный уровень развития воздушного транспорта делает очевидными преимущества легких броневиков и других машин из титана. Артиллерийское ведомство намерено снарядить в будущем пехоту касками, штыками, гранатометами и ручными огнеметами, сделанными из титана. Первое применение в артиллерии титановый сплав получил для изготовления поршня некоторых автоматических орудий.Замена конструкционных материалов, потребляемых в настоящее время предприятиями транспортного машиностроения, титаном должна привести к снижению расхода топлива, росту полезной грузоподъемности, повышению предела усталости деталей кривошипно-шатунных механизмов и т. п. На железных дорогах исключительно важно снизить мертвый груз. Существенное уменьшение общего веса подвижного состава за счет применения титана позволит сэкономить в тяге, уменьшить габариты шеек и букс.
Важное значение вес имеет и для прицепных автотранспортных средств. Здесь замена стали титаном при производстве осей и колес также позволила бы увеличить полезную грузоподъемность.
Все эти возможности можно было бы реализовать при снижении цены титана с 15 до 2-3 долларов за фунт титановых полуфабрикатов.
Химическая промышленность. При производстве оборудования для химической промышленности самое важное значение имеет коррозионная стойкость металла. Существенно также снизить вес и повысить прочность оборудования. Логически следует предположить, что титан мог бы дать ряд выгод при производстве из него оборудования для транспортировки кислот, щелочей и неорганических солей. Дополнительные возможности применения титана открываются в производстве такого оборудования, как баки, колонны, фильтры и всевозможные баллоны высокого давления.
О применимости титана для производства баллонов, в которых длительно хранятся газы и жидкости под давлением, свидетельствует применяемая при микроанализе продуктов сгорания вместо более тяжелой трубки из стекла (показана в верхней части снимка). Благодаря малой толщине стенок и незначительному удельному весу эта трубка может взвешиваться на более чувствительных аналитических весах меньших размеров. Здесь сочетание легкости и коррозионной стойкости позволяет повысить точность химического анализа.Прочие области применения. Применение титана целесообразно в пищевой, нефтяной и электротехнической промышленности, а также для изготовления хирургических инструментов и в самой хирургии.
Столы для подготовки пищи, пропарочные столы, изготовленные из титана, по качествам превосходят стальные изделия.
В нефте- и газобурильной областях серьезное значение имеет борьба с коррозией, поэтому применение титана позволит реже заменять корродирующие штанги оборудования. В каталитическом производстве и для изготовления нефтепроводов желательно применять титан, сохраняющий механические свойства при высокой температуре и обладающий хорошей коррозионной устойчивостью.
В электропромышленности титан можно применить для бронирования кабелей благодаря хорошей удельной прочности, высокому электрическому сопротивлению и немагнитным свойствам.
В различных отраслях промышленности начинают применять крепежные детали той или иной формы, изготовленные из титана. Дальнейшее расширение применения титана возможно для изготовления хирургических инструментов главным образом благодаря его коррозионной стойкости. Инструменты из титана в этом отношении превосходят обычные хирургические инструменты при многократном кипячении или обработке в автоклаве.
В области хирургии титан оказался лучше виталлиума и нержавеющих сталей. Присутствие титана в организме вполне допустимо. Пластинка и винты из титана для крепления костей находились в организме животного несколько месяцев, причем имело место прорастание кости в нитки резьбы винтов и в отверстие пластинки.
Преимущество титана заключается также в том, что на пластине образуется мышечная ткань.
Использование металлического титана и диоксида титана
Самолет-разведчик ЦРУ А-12: Фотография сверхзвукового разведывательного самолета ЦРУ А-12 под названием «Титановый гусь», готовящегося к дозаправке на большой высоте.
Название подходит, так как многие его детали сделаны из титана. Изображение Центрального разведывательного управления.
Что такое титан?
Титан— это прочный, устойчивый к коррозии и инертный металл серебристого цвета. Это девятый по распространенности элемент в земной коре. Вместо того, чтобы встречаться в крупных месторождениях, небольшое количество титана встречается почти в каждой породе.
Титан является важным компонентом небольшого числа минералов. Около 90% титана в земной коре содержится в ильмените, минерале, о котором большинство людей никогда не слышали. Это оксид железа и титана с химическим составом FeTiO 3 . Остальной приповерхностный титан Земли содержится в таких минералах, как анатаз, брукит, лейкоксен, перовскит, рутил и сфен.
РЕКЛАМА
Nitinol 60: Nitinol 60 представляет собой сплав, содержащий 60 процентов никеля и 40 процентов титана. Обычно для изготовления подшипников используется нержавеющая сталь, поскольку она твердая, но нержавеющая сталь подвержена коррозии.
Нитинол 60 решил проблему коррозии без потери прочности и не вступал в реакцию со смазкой для подшипников. Изображение НАСА.
Использование металлического титана
Титан — знакомый металл. Многие знают, что он используется в ювелирных изделиях, протезах, теннисных ракетках, вратарских масках, ножницах, велосипедных рамах, хирургических инструментах, мобильных телефонах и других высокопроизводительных продуктах. Титан так же прочен, как сталь, но весит примерно вдвое меньше. Он в два раза прочнее алюминия, но всего на 60% тяжелее.
Титан сочетается с железом, алюминием, ванадием, никелем, молибденом и другими металлами для получения высокоэффективных сплавов. Реактивные двигатели, космические корабли, военная техника, подшипники, бронежилеты и другие высокотехнологичные изделия нуждаются в деталях, изготовленных из этих сплавов.
Титановые авиационные детали: Металлический титан и его сплавы обеспечивают получение высокопрочных, легких, коррозионно-стойких деталей для авиационных двигателей, органов управления и конструкционных компонентов.
Этот НАСА F-16XL имеет титановую перчатку для исследований ламинарного потока, покрывающую часть его левого крыла. Изображение НАСА Джима Росса.
Белая краска: Большая часть белой краски, используемой сегодня, содержит диоксид титана в качестве пигмента. Это придает краске яркий белый цвет, который остается стойким, с непрозрачностью, которую можно покрыть одним слоем, и яркостью, отражающей свет. Когда краска высыхает, на вашей стене остается минеральное покрытие — диоксид титана. Правообладатель иллюстрации iStockphoto / Okea.
Что такое диоксид титана?
Диоксид титана представляет собой яркий белый непрозрачный материал с химическим составом TiO 9.0011 2 . Его получают путем окисления ильменита или других минералов титана при высоких температурах. Затем его измельчают в мелкий порошок, необходимый для многих целей.
В форме диоксида титана используется примерно в десять раз больше титана, чем в металлическом титане. Большинство людей никогда не слышали об использовании титана в такой форме.
Это связано с тем, что диоксид титана является ингредиентом продуктов, а не основным материалом.
Полировальные пасты: Порошок диоксида титана тщательно классифицируется по размеру частиц и продается в качестве полироли для гранильных и металлических работ. Изображение представляет собой только что открытую бочку каменного тумблера с густой белой пеной полироли.
Использование диоксида титана
Титан чаще всего используется в качестве отбеливающего, осветляющего и непрозрачного агента. Высококачественные белые краски обычно содержат значительное количество диоксида титана, который имеет название пигмента «титановые белила». Диоксид титана увеличивает белизну краски и ее отражательную способность. Когда вы входите в комнату и включаете свет, краска обладает высокой отражающей способностью и делает комнату ярче, потому что больше света отражается от окрашенных поверхностей. Диоксид титана также увеличивает непрозрачность краски, позволяя во многих случаях покрывать одним слоем то, что находится ниже.
РЕКЛАМА
В течение почти 2000 лет «свинцовые белила» были важным пигментом, используемым в белой краске. В 1904 году производитель красок Sherwin-Williams сообщил об опасности красок, содержащих свинец. С этого времени производители красок начали отказываться от свинцовых пигментов, и наиболее подходящей заменой стал титановый пигмент. Сегодня большая часть производимой белой краски содержит диоксид титана в качестве пигмента.
Диоксид титана впрессовывается в волокна высококачественной бумаги для улучшения ее белизны, яркости и текстуры. Его добавляют в обезжиренное молоко, чтобы улучшить его белизну и непрозрачность. По той же причине его добавляют в зубную пасту, резину, пластик, косметику, солнцезащитный крем и многие продукты питания. Эти материалы используются почти каждым человеком на Земле почти каждый день. Мало кто осознает, какую роль в них играет титан. Его можно использовать в продуктах питания, косметике и других продуктах, потребляемых людьми, поскольку он инертен.
Порошок диоксида титана также сортируется по размеру частиц для использования в качестве полировочного состава. Используется для полировки драгоценных камней, металлов и других материалов. Часто он менее эффективен, чем другие полироли, но когда он эффективен, он может обеспечить экономию средств.
Тяжелый минеральный песок: Неглубокие раскопки в Фолли-Бич, Южная Каролина, обнажают тонкие слои тяжелых минеральных песков. Большая часть ильменита, добываемого сегодня, добывается из песков с высокой концентрацией минералов. Фотография Карлтона Берна, Геологическая служба США.
РЕКЛАМА
Откуда взялся титан?
Большая часть титана в мире производится путем добычи тяжелых минеральных песков. Эти пески залегают вниз по уклону от обнаженных массивов магматических пород, таких как габбро, норит и анортозит. Эти породы содержат титансодержащие минералы, такие как ильменит, анатаз, брукит, лейкоксен, перовскит, рутил и сфен.
Когда эти породы разрушаются в результате выветривания, минералы титана оказываются одними из самых стойких. Они концентрируются в результате выветривания и переносятся вниз по течению в виде песчинок и ила. В конце концов, они откладываются в виде песка вдоль береговой линии континента. Здесь их обычно выкапывают или добывают. Добыча полезных ископаемых также ведется во внутренних районах, где минералы титана отлагались в периоды, когда уровень моря был выше, чем мы знаем сегодня.
Эти тяжелые минеральные пески могут содержать несколько процентов по весу ильменита и других минералов титана. После добычи песок поступает на обогатительную фабрику, где извлекаются титаносодержащие минералы. Одновременно могут быть извлечены и другие ценные полезные ископаемые. Затем они перерабатываются или продаются для производства металлического титана или диоксида титана. Затем песок возвращается на место, где он был добыт, а пляж рекультивируется.
Титан в речных отложениях и почвах: Карта, показывающая изобилие титана в форме диоксида титана в речных отложениях и почвах части востока Соединенных Штатов.
Богатая титаном зона, соответствующая физико-географической провинции Вирджиния-Блу-Ридж, показывает значения более 3% по весу диоксида титана, Геологическая служба США.
Производство титана в США
Соединенные Штаты используют больше титановых минералов, чем производят в настоящее время, что делает их нетто-импортером титана. У атлантического побережья Флориды было проведено ограниченное количество дноуглубительных работ. Там береговые отложения драгируются и перерабатываются для удаления тяжелых минеральных песков. Ильменит является основным титансодержащим минералом, добытым в результате этой деятельности.
Добыча полезных ископаемых на суше велась во многих местах Вирджинии. Там в физико-географической провинции Блю-Ридж в результате эрозии обнажено ильменитосодержащее тело анортозитов. Отложения, образовавшиеся в результате этой эрозии, могут локально содержать несколько процентов тяжелых минералов по весу, причем ильменит является основным минералом, содержащим титан.
Эти отложения были извлечены и обработаны для удаления из них тяжелых минералов. Район, где ведется эта добыча, соответствует богатым титаном речным отложениям и почвам, отобранным, проанализированным и нанесенным на карту Национальной геохимической службой (см. Прилагаемую карту).
Для удовлетворения своих потребностей в титане Соединенные Штаты импортируют концентраты титановых минералов. Ведущими производителями титана являются: Австралия, Канада, Китай, Япония, Кения, Мадагаскар, Мозамбик, Норвегия, Россия, Саудовская Аравия, Сенегал, Сьерра-Леоне и Южная Африка.
| Другие металлы |
Найдите другие темы на Geology.com:
|
| ||
|
| ||
|
| ||
|
Как делают титан? | Металлургия для чайников
Титан известен как переходный металл в периодической таблице элементов, обозначаемый символом Ti.
Это легкий серебристо-серый материал с атомным номером 22 и атомным весом 47,90. Его плотность составляет 4510 кг/м 3 , что находится где-то между плотностью алюминия и нержавеющей стали. Он имеет температуру плавления примерно 3032°F (1667°C) и температуру кипения 5,9°С.48 ° F (3287 ° C). Химически он ведет себя подобно цирконию и кремнию. Обладает отличной коррозионной стойкостью и высоким соотношением прочности к весу.
Применение титана
Титан в качестве полезного металлического сплава широко не использовался до конца 1940-х годов. Чаще всего его легируют молибденом, марганцем, железом и алюминием. По весу титан является одним из самых прочных легкодоступных металлов, что делает его идеальным для широкого спектра практических применений. Он на 45% легче стали при сопоставимой прочности и в два раза прочнее алюминия, но тяжелее всего на 60%. Титан — это металл, присутствующий в метеоритах и на солнце. Он также является девятым по распространенности металлом в земной коре и встречается в минералах рутила, ильменита, сфена, титанатов и железных руд.
В1946, Уильям Дж. Кролл показал, что титан можно производить в промышленных масштабах.
Titanium Metal
В коммерческих целях титановые сплавы используются везде, где важны прочность и вес. Велосипедные рамы, детали автомобилей и самолетов, а также конструкционные детали являются некоторыми распространенными примерами. В медицине используются титановые штифты из-за их нереактивности при контакте с костью и плотью. По этой же причине из титана делают многие хирургические инструменты, а также пирсинг.
Блок-схема диоксида титана
Титан предлагается для использования в опреснительных установках из-за его высокой коррозионной стойкости в морской воде (особенно при покрытии платиной). Многие корабли используют титан для движущихся компонентов, постоянно подвергающихся воздействию морской воды, таких как гребные винты и такелаж.
Титан используется в производстве человеческих имплантатов, потому что он хорошо совместим с человеческим телом. Одним из наиболее заметных недавних применений титана является искусственное сердце, впервые имплантированное человеку в 2001 году.
Другие применения титана включают замену тазобедренного сустава, кардиостимуляторы, дефибрилляторы, а также локтевые и тазобедренные суставы.
Схема обработки титана
Наконец, титановые материалы используются в производстве многочисленных потребительских товаров. Он используется в производстве таких вещей, как обувь, украшения, компьютеры, спортивный инвентарь, часы и скульптуры. Как диоксид титана, он используется в качестве белого пигмента в пластике, бумаге и красках. Он даже используется в качестве белого пищевого красителя и солнцезащитного крема в косметических продуктах.
Титан получают из различных руд, встречающихся в природе на Земле. Основные руды, используемые для производства титана, включают ильменит, лейкоксен и рутил. Другие известные источники включают анатаз, перовскит и сфен. Ильменит и лейкоксен являются титаносодержащими рудами. Ильменит (FeTiO3) содержит примерно 53% диоксида титана.
Концепции производства Ti восстановлением Mg.
(a) процесс Кролла, (b) подача газа TiCl4 через расплав соли и (c) комбинированный процесс с подачей газа TiCl4 для образования Ti2+ и образования металлического Ti из расплава соли.
Лейкоксен имеет аналогичный состав, но содержит около 90% диоксида титана. Они встречаются в отложениях твердых пород или на пляжах и аллювиальных песках. Рутил представляет собой относительно чистый диоксид титана (TiO2). Анатаз является еще одной формой кристаллического диоксида титана и совсем недавно стал важным коммерческим источником титана. Оба они встречаются в основном в пляжных и песчаных отложениях.
Концептуальный процесс непрерывного производства титана. Частицы Ti осаждаются на поверхности пузырьков TiCl4, растут в слое Mg и опускаются вниз сквозь расплав соли.
Перовскит (CaTiO3) и сфен (CaTi-SiO5) — кальциевые и титановые руды. Ни один из этих материалов не используется в коммерческом производстве титана из-за сложности удаления кальция. В будущем вполне вероятно, что перовскит можно будет использовать в коммерческих целях, поскольку он содержит почти 60% диоксида титана и содержит только кальций в качестве примеси.
Сфен содержит кремний в качестве второй примеси, что еще больше затрудняет выделение титана.
СЭМ-изображение порошка Ti, полученного при температуре 1123K путем впрыскивания TiCl4 в ванну Mg-MgCl2
Титан производится с использованием процесса Кролла. Этапы включают экстракцию, очистку, производство губки, создание сплава, а также формование и придание формы. В Соединенных Штатах многие производители специализируются на разных этапах этого производства. Например, есть производители, которые просто производят губку, другие, которые только плавят и создают сплав, а третьи производят конечный продукт. В настоящее время ни один производитель не выполняет все эти шаги.
Добыча
В начале производства производитель получает титановые концентраты из шахт. В то время как рутил можно использовать в его естественной форме, ильменит обрабатывается для удаления железа, так что он содержит не менее 85% диоксида титана. Эти материалы помещаются в реактор с псевдоожиженным слоем вместе с газообразным хлором и углеродом.
Материал нагревают до 1652°F (900°C), последующая химическая реакция приводит к образованию нечистого тетрахлорида титана (TiCl4) и монооксида углерода. Примеси возникают из-за того, что на старте не используется чистый диоксид титана. Следовательно, различные нежелательные хлориды металлов, которые образуются, должны быть удалены.
Очистка
Прореагировавший металл помещают в большие дистилляционные резервуары и нагревают. На этом этапе примеси отделяют с помощью фракционной перегонки и осаждения. Это действие удаляет хлориды металлов, включая железо, ванадий, цирконий, кремний и магний.
Производство губки
Затем очищенный тетрахлорид титана в виде жидкости переносят в реактор из нержавеющей стали. Затем добавляют магний и нагревают контейнер примерно до 2012°F (1100°C). Аргон закачивается в контейнер, чтобы удалить воздух и предотвратить загрязнение кислородом или азотом. Магний реагирует с хлором, образуя жидкий хлорид магния. Это оставляет чистый титан в твердом состоянии, поскольку температура плавления титана выше, чем у реакции.
Твердое вещество титана удаляют из реактора бурением и затем обрабатывают водой и соляной кислотой для удаления избытка магния и хлорида магния. Полученное твердое тело представляет собой пористый металл, называемый губкой.
Создание сплава
Губка из чистого титана затем может быть преобразована в пригодный для использования сплав в дуговой печи с плавящимся электродом. На этом этапе губка смешивается с различными добавками сплава и металлоломом. Точная пропорция губки к материалу сплава определяется в лаборатории перед производством. Затем эта масса спрессовывается в компакты и сваривается вместе, образуя губчатый электрод. Затем губчатый электрод помещают в вакуумную дуговую печь для плавления. В этом медном контейнере с водяным охлаждением электрическая дуга используется для расплавления губчатого электрода с образованием слитка.
Весь воздух в контейнере либо удаляется (образуется вакуум), либо атмосфера заполняется аргоном для предотвращения загрязнения. Обычно слиток переплавляют еще один или два раза, чтобы получить коммерчески приемлемый слиток.