Производство титана

Сырьем для получения титана являются титаномагнетитовые руды, из которых путем обогащения получают ильменитовый концентрат, содержащий 40-45 % TiO₂, ~ 30 5 FeO, 20 % Fe₂O₃ и 5-7 % пустой породы. Название этот концентрат получил по наличию в нем минерала ильменита FeO – TiO₂.

Ильменитовый концентрат плавят в смеси с древесным углем, антрацитом в руднотермических печах, где оксиды железа и титана восстанавливаются. Образующееся железо науглероживается, и получается чугун, а низшие оксиды титана переходят в шлак. Чугун и шлак разливают отдельно в изложницы. Основной продукт этого процесса – титановый шлак содержит 80 – 90 % TiO₂, 2-5 % FeO и примеси – SiO₂, Al₂O₃, CaO и др. Побочный продукт этого процесса – чугун – используют в металлургическом производстве.

Полученный титановый шлак подвергают хлорированию в специальных печах. В нижней части печи располагают угольную насадку, нагревающуюся при пропускании через нее электрического тока. В печь подают брикеты титанового шлака, а через фурмы внутрь печи – хлор. При температуре 800 – 1250 ºС в присутствии углерода образуется четыреххлористый титан, а также хлориды CaCl₂, MgCl₂ и др.

TiO₂ + 2C + 2Cl₂ = TiCl₄ + 2CO

Четыреххлористый титан отделяется и очищается от остальных хлоридов благодаря различию температуры кипения этих хлоридов методом ректификации в специальных установках.

Титан из четыреххлористого титана восстанавливают магнием в реакторах при температуре 950-1000 ºС. В реактор загружают чушковый магний; после откачки воздуха и заполнения полости реактора аргоном внутрь его подают парообразный четыреххлористый титан. Между жидким магнием и четыреххлористым титаном происходит реакция:

2Mg + TiCl₄ = Ti + 2MgCl₂.

Твердые частицы титана спекаются в пористую массу – губку, а жидкий MgCl₂ выпускают через летку реактора. Губка титана содержит 35 – 40% магния и хлористого магния. Для удаления из титановой губки этих примесей ее нагревают до температуры 900-950 ºС в вакууме.

Титановую губку плавят методом вакуумно-дугового переплава. Вакуум в печи предохраняет титан от окисления и способствует очистке его от примесей. Полученные слитки титана имеют дефекты, поэтому их вторично переплавляют. используя как расходуемые электроды. После этого чистота титана составляет 99,6-99,7 %. После вторичного переплава слитки используют для обработки давлением.

Титан – тугоплавкий металл [температура плавления (1665 + 5) С], плотность 4500 кг/м³. Временное сопротивление чистого титана Од = 250 МПа, относительное удлинение 8 = 70 %, он обладает высокой коррозийной стойкостью. Удельная прочность титана выше, чем у многих легированных конструкционных сталей. Поэтому при замене сталей титановыми сплавами можно при равной прочности уменьшить массу детали на 40 %. Однако титан имеет низкую жаропрочность, так как при температурах выше 550-600 ºС легко окисляется и поглощает водород. Титан хорошо обрабатывается давлением, сваривается, из него изготавливают сложные отливки, но обработка его резанием затруднительна.

Титан и его сплавы используют для изготовления деталей самолетов, в химическом машиностроении. судостроении и других отраслях машиностроения.