Получение титана в промышленности. Мировой рынок титана

Титан как элемент открыт в 1791 г. Его промышлен­ное производство началось в 50-х годах XX века и по­лучило быстрое развитие. Титановые сплавы имеют на­иболее высокую удельную прочность среди всех метал­лических материалов, а также высокую жаропрочность и коррозионную стойкость и находят все более широ­кое применение в авиационной технике, химическом машиностроении и других областях техники. Титан ис­пользуют для легирования сталей. Двуокись титана TiO 2 используют для производства титановых белил и эмалей; карбид титана TiC - для особо твердых инст­рументальных сплавов.

Титан по распространению в природе занимает чет­вертое место среди металлов и входит в состав более чем 70 минералов. К основным промышленным титаносодержащим минералам относятся рутил (более 90% ТiO 2) и ильменит TiO 2 -FeO (60%TiO 2). Ильменит вхо­дит в состав титаномагнетитов - его смеси с магнит­ным железняком; они содержат до 20% ТiO 2 . К пер­спективным рудам относятся сфен CaO-SiO 2 -TiO2 (32-42% TiO 2) и перовскит СаО- TiO (60% ТiO 2).

Сырьем для получения титана являются титаномагнетитовые руды, из которых выделяют ильменитовый концентрат, содержащий 40 ... 45 % ТiO 2 , -30 % FеО, 20 % Fе 2 О 3 и 5 ... 7 % пустой породы. Название этот концентрат получил по наличию в нем минерала ильменита FеО-ТiO 2 .

Ильменитовый концентрат плавят в смеси с древесным углем, антрацитом, 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 % ТiO 2 , 2 ... 5 % FеО и примеси SiO 2 , А1 2 О 3 , СаО 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 пропус-кании через нее электрического тока. В печь подают брикеты титанового шлака, а через фурмы внутрь печи - хлор. При температуре 800 ... 1250 °С в присутствии углерода образуется четыреххлористый титан, а также хлориды СаС1 2> МgС1 2 и др.:

ТiO 2 + 2С + 2С1 2 = ТiСl + 2СО.

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

Титан из четыреххлористого титана восстанавливают в реакторах при температуре 950 ... 1000 °С. 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

ТiС1 2 = Тi + 2МgС1 2 .

Производство титана является технически сложным процессом. Двуокись титана TiO 2 - химически прочное соединение. Металлический титан (t ПЛ = 1725 °С), обла­дает большой активностью. Он бурно реагирует с азотом при температуре 500-600 °С и кислородом возду­ха при 1200-1300 °С, поглощает водород, взаимодейст­вует с углеродом и т. д. Наиболее широкое распростра­нение получил магниетермический способ, осуществля­емый по следующей технологической схеме: титановая руда ® обогащение ® плавка на титановый шлак ® получение четыреххлористого титана TiCl 4 ® восстановление титана магнием.

Обогащение титановых руд. Титаномагнетиты и другие бедные руды обогащают электромагнитным и другими способами, получая концентрат, содержащий до 50 % TiO 2 и около 35 % Fe 2 O 3 и FeO.

Плавку на титановый шлак проводят в электродуго­вой печи. Шихтой служат прессованные брикеты, со­стоящие из мелкоизмельченного концентрата, антрацита или угля и связующего (сульфитный щелок). В ре­зультате плавки получают богатый титановый шлак, со­держащий до 80 % TiO 2 . Побочным продуктом является чугун, содержащий до 0,5 % Ti. Измельченный шлак подвергают магнитной сепарации (для удаления желе­зосодержащих частиц), смешивают с мелким нефтяным коксом и связующим и спрессовывают в брикеты. После обжига при 700-800 °С брикеты направляют на хлори­рование.

Получение четыреххлористого титана TiCl 4 в гер­метизированных электрических печах представлено на рис. 2.9.

Нижнюю часть печи заполняют угольной (гра­фитовой) насадкой, которая служит электрическим со­противлением и нагревается при пропускании электри­ческого тока. В реакционной зоне печи выше уровня угольной насадки развивается температура 800…850 °С. При хлорировании образуется четыреххлористый титан по реакции TiO 2 +2C-T2Cl 2 =TiCl 4 +2CO. Пары четы­реххлористого титана находятся в паро-газовой смеси, содержащей SiCl 4 и другие хлориды; СО, С1 2 и другие газы.

Ее очищают от твердых частиц и охлаждают в кон­денсаторах, в результате чего получают жидкий четыреххлористый титан. Для более полной очистки от твердых частиц конденсат отстаивают и фильтруют.

Четыреххлористый титан отделя­ют от других хлоридов путем ректификации конденсата, основанной на различии температур кипения различных хлоридов. Жид­кий четыреххлористый титан направляют на восстановление.

В настоящее время для получения четыреххлористого титана начинают применять другие спо­собы хлорирования: в хлоратоpax непрерывного действия, в солевом расплаве; перспективным является хлорирование в кипя­щем слое.

Восстановление титана маг­нием из TiCl 4 проводят в герметичных реакторах (ретортах) из нержавеющей стали, установленных в электрических печах сопро­тивления. После установки в печь из реторты откачивают воздух и заполняют ее очищенным арго­ном; после нагрева до температу­ры 700° С заливают расплавлен­ный магний и начинают подачу жидкого TiCl 4 . Титан восстанав­ливается магнием по реакции TiCl 4 +2Mg=Ti+2MgCl 2 . Эта реакция сопровождается выделе­нием большого количества тепла и в реакторе поддерживается не­обходимая температура 800…900 °С без дополнительно­го нагрева за счет регулирования скорости подачи TiCl 4 . Частицы восстановленного титана спекаются в пористую массу (титановая губка), пропитанную магнием и хлористым магнием. Расплав хлористого магния периодиче­ски удаляют через патрубок в дне реактора. В промыш­ленных реакторах (емкостью до 2 т) получают титано­вую губку, содержащую до 60% Ti, 30 °/o Mg и 10 % MgCl 2.

Рафинирование титановой губки производят мето­дом вакуумной дистилляции. Крышку охладившейся ре­торты снимают и вместо нее устанавливают водоохлаждаемый конденсатор; затем реторту снова устанавли­вают в печь. Дистилляция проводится при 950…1000 °С и вакууме около 10 -3 мм рт. ст. Примеси титановой губ­ки Mg и MgCl 2 расплавляются, частично испаряются и затем выделяются в конденсаторах. Получаемый обо­ротный магний возвращается в производство, MgCl 2 используют для производства магния.

Получение титановых слитков . Титановые слитки получают переплавкой титановой губки в вакуумных электрических дуговых печах. Расходуемый электрод изготавливают прессованием из измельченной титано­вой губки. Электрическая дуга горит между расходуе­мым электродом и ванной расплавленного металла, по­степенно заполняющего изложницу, затвердевающего и образующего слиток.

Наличие вакуума предохраняет металл от окисле­ния и способствует его очистке от поглощенных газов и примесей.

Для получения слитков может быть использована дробленая титановая губка, загружаемая в печь доза­тором. В этом случае дуга горит между расплавленным металлом и графитовым электродом, поднимаемым по мере заполнения изложницы металлом.

Для обеспечения высокого качества слитков плавку повторяют два раза. При второй плавке расходуемым электродом служит слиток, полученный при первой плавке.

Титановые сплавы выплавляют в электрических ду­говых вакуумных печах, аналогичных применяемым для переплавки титановой губки. В качестве шихтовых ма­териалов используют титановую губку и легирующие элементы в соответствии с заданным химическим соста­вом сплава. Из шихты прессованием при 280….330 °С изготавливают переплавляемый (расходуемый) элек­трод. Плавку ведут в вакууме или в атмосфере аргона. Перед началом плавки на поддон в качестве затравки насыпают слой стружки из сплава такого же состава. Для более равномерного распределения легирующих элементов в сплаве полученный слиток переплавляют вторично.

Натриетермический способ получения титана отличается от магниетермического тем, что титан из TiCl 4 восстанавливают ме­таллическим натрием. Этот процесс проводят при относительно не­высокой температуре, и титан в меньшей степени загрязняется примесями. Вместе с тем натриетермический способ технически более сложен.

Кальциееидридный способ основан на том, что при взаимо­действии двуокиси титана TiO 2 с гидридом кальция СаН 2 образу­ется гидрид титана ТiH2, из которого затем выделяется металли­ческий титан. Недостаток этого способа состоит в том, что получа­емый титан сильно загрязнен примесями.

Иодидный способ применяют для получения неболь­ших количеств титана очень высокой чистоты, до 99,99%. Он основан на реакции Ti+2I 2 « TiI 4 , которая при 100 …200 °С идет слева направо (образование Til 4), при 1300…1400 °С -в обратном направлении (разло­жение ТiI 4).

Рафинируемую титановую губку помещают в ретор­ту и нагревают до 100…200 °С; внутрь реторты вводят и разбивают ампулу с йодом, взаимодействующим с ти­таном по реакции Ti+2I 2 ® TiI 4 . Разложение TiI 4 ® Ti+2I 2 и выделение титана происходит на титановых проволоках, натянутых в реторте, нагретых до 1300… 1400 °С пропусканием тока.

Титан отличается высокой механической прочностью, коррозионной стойкостью, жаропрочностью (Тпл = 1660 °С) и малой плотностью (4,51 г/см 3) . Его применяют как конструкционный материал в самолетостроении, а также при постройке сосудов, предназначенных для транспортирования концентрированной азотной и разбавленной серной кислот.

Применяют также диоксид TiO 2 для производства титановых белил и эмали. Наиболее распространенным сырьем для производства титана и диоксида Ti служит ильменитовый концентрат, выделяемый при обогащении титаномагнетитовых железных руд, в котором содержится, %: 40-60 TiO 2 , ~30 FeO, ~20 Fe 2 O 3 и 5-7 пустой породы (CaO, MgO, Al 2 O 3 , SiO 2), причем титан в виде минерала ильменита FeO TiO 2 .

Технологический процесс производства титана из ильменитового концентрата состоит из следующих основных стадий:

• получение титанового шлака восстановительной плавкой,
• получение тетрахлорида титана хлорированием титановых шлаков,
• производство титана (губки, порошка) восстановлением из тетрахлорида.

Восстановительная плавка ильменитового концентрата имеет целью перевести TiO 2 в шлак и отделить оксиды железа путем их восстановления . Плавку проводят в электро дуговых печах. Сначала загружают концентрат и восстановитель (кокс, антрацит), их нагревают до ~ 1650 °С. Основной реакцией является: FeO TiO 2 + С = Fe + TiO 2 + CO. Из восстановленного и науглероживающегося железа образуется чугун, а оксид титана переходит в шлак, который содержит 82-90% TiO 2 .

Получение тетрахлорида титана TiCl 4 осуществляют воздействием газообразного хлора на TiO 2 при температурах 700-900 °С, при этом протекает реакция:

TiO 2 + 2Cl 2 + 2С = TiCl 4 + 2СО.

Хлорирование осуществляют в шахтных хлораторах непрерывного действия или в солевых хлораторах. Шахтный хлоратор - это футерованный цилиндр диаметром до 2 и высотой до 10 м, в который сверху загружают брикеты из измельченного титанового шлака и снизу вдувают газ магниевых электролизеров, содержащий 65-70 % Cl 2 . Взаимодействие TiO 2 брикетов и хлора идет с выделением тепла, обеспечивающего необходимые для процесса температуры (~ 950 °С в зоне реагирования). Образующийся в хлораторе газообразный TiCl 4 отводят через верх, остаток шлака от хлорирования непрерывно выгружают снизу.

Солевой хлоратор представляет собой футерованную шамотом камеру, наполовину заполненную отработанным электролитом магниевых электролизеров, содержащим хлориды калия, натрия, магния и кальция. Сверху в расплав загружают измельченные титановый шлак и кокс, а снизу вдувают хлор. Температура 800-850 °С, необходимая для интенсивного протекания хлорирования титанового шлака в расплаве, обеспечивается за счет тепла протекающих экзотермических реакций хлорирования.

Газообразный TiCl 4 из верха хлоратора отводят на очистку от примесей, отработанный электролит периодически заменяют. Основное преимущество солевых хлораторов состоит в том, что не требуется дорогостоящее брикетирование шихты. Отводимый из хлораторов газообразный TiCl 4 содержит пыль и примеси газов - СО, СO 2 и различные хлориды, поэтому его подвергают сложной, проводимой в несколько стадий очистке.

Металлатермическое восстановление титана из тетрахлорида TiCl 4 проводят магнием или натрием. Для восстановления магнием служат аппараты, представляющие собой помещенную в печь герметичную реторту высотой 2-3 м из хромо-никелевых сталей. После ввода в разогретую до ~ 750 °С реторту магния в нее подают тетрахлорид титана
.

Восстановление титана магнием TiCl 4 + 2Mg = Ti + + 2MgCl 2 идет с выделением тепла, поэтому электронагрев печи отключают и реторту обдувают воздухом, поддерживая температуру в пределах 800-900 °С; ее регулируют также скоростью подачи тетрахлорида титана. За один цикл восстановления длительностью 30-50 ч получают 1-4 т титана в виде губки (твердые частицы титана спекаются в пористую массу - губку). Жидкий MgCl 2 из реторты периодически выпускают.

Титановая губка впитывает много MgCl 2 и магния, по-этому после окончания цикла восстановления проводят вакуумную отгонку примесей. Реторту после нагрева до ~ 1000 °С и создания в ней вакуума выдерживают в течение 35-50 ч; за это время примеси испаряются. Иногда отгонку примесей из губки проводят после ее извлечения из реторты.

Восстановление титана натрием проводят в аппаратах, схожих с применяемыми для магниетермического восстановления. В реторте после подачи TiCl 4 и жидкого натрия идет реакция восстановления титана: TiCl 4 + 4Na = Ti + 4NaCl. Температура в 800-880 °С поддерживается за счет выделяющегося при восстановлении тепла.

Полученную твердую массу, содержащую 17 % Ti и 83 % NaCl извлекают из реактора, измельчают и выщелачивают из нее NaCl водой, получая титановый порошок.
Рафинирование титана .
Для получения титана высокой чистоты применяют так называемый иодидный способ, при котором используется реакция Ti + 2I 2 = TiI 4 . При температуре 100-200 °С реакция протекает в направлении образования Til 4 , а при температуре 1300-1400 °С - в обратном направлении.

Титановую губку (порошок) загружают в специальную реторту, помещаемую в термостат, где температура должна быть на уровне 100-200 °С, и внутри нее спеиальным приспособлением разбивают ампулу с иодом. Через несколько натянутых в реторте титановых проволок пропускают ток, в результате чего они накаливаются до 1300-1400 °С. Пары иода реагируют с титаном губки по реакции Ti + 2I2 - TiI 4 .

Полученный TiI 4 разлагается на раскаленной титановой проволоке, образуя кристаллы чистого Ti и освобождая иод. Пары иода вновь вступают во взаимодействие с рафинируемым титаном, а на проволоке постепенно наращивается слой кристаллизующегося чистого титана. Процесс заканчивают при толщине получаемого прутка титана 25-30 мм. Получаемый металл содержит 99,9-99,99 % Ti, в одном аппарате получают ~ 10 кг чистого титана в сутки.

Для получения ковкого Ti в виде слитков губку переплавляют в вакуумной дуговой печи. Расходуемый (плавящийся) электрод получают прессованием губки и титановых отходов. Жидкий титан затвердевает в печи в водоохлаждаемом кристаллизаторе.

Титан и его сплавы являются ценными конструкционными сплавами. По сочетанию свойств они превосходят многие легированные стали и сплавы металлов. Получение металлического титана затрудняется его очень высокой химической активностью при повышенных температурах. Титан образует химические соединения и твердые растворы со многими элементами. Поэтому при производстве титана требуются особые условия, обеспечивающие достаточную чистоту производимого металла.

Для получения титана применяют магниетермический способ, который включает операции:

• получение титановых концентратов;
• производство титанового шлака;
• производство четыреххлористого титана;
• восстановление четыреххлористого титана магнием;
• вакуумная сепарация реакционной массы;
• плавка титановой губки в вакуумных печах.

Получение титановых концентратов

Титановые руды подвергают обогащению, в результате которого получают концентраты с повышенным содержанием TiO 2 . Наиболее распространенным сырьем для получения титана является титано-магнетитановые руды, из которых выделяют ильменитовый концентрат, содержащий 40 – 45% TiO 2 , 30% FeO, 20% Fe 2 O 3 и 5 – 7% пустой породы.

Производство титанового шлака

Основное назначение этого процесса – отделение оксидов железа от оксида титана. Для этого ильменитовый концентрат плавят в смеси с древесным углём и антрацитом в электропечах, где оксиды железа и часть титана восстанавливаются по реакции:

3(FeO·TiO 2) + 4C = 3Fe + Ti 3 O 5 + 4CO

Восстановленное железо науглероживается, образуя чугун, который собирается на дне ванны печи, отделяясь от остальной массы шлака вследствие различия их удельных весов. Чугун и шлак разливают отдельно в изложницы. Полученный титановый шлак содержит 80 – 90% TiO 2 .

Производство четырёххлористого титана

Для получения металлического титана используют хлорид титана, полученный путём хлорирования титанового шлака. Для этого титановый шлак измельчают, смешивают с углем и каменноугольным пеком, так как процесс хлорирования может проходить успешно только в присутствии восстановителя, и брикетируют при нагреве до 800 °С без доступа воздуха. Полученные брикеты подвергают хлорированию в специальных печах. В нижней части печи располагается угольная насадка, нагревающаяся при пропускании через неё электрического тока. В печь подают брикеты титанового шлака, а через фурмы – хлор.

При температуре 800 – 1250 °С в присутствии углерода образуются четыреххлористый титан по реакции:

TiO 2 + 2C + 2Cl 2 = TiCl 4 + 2CO

В качестве побочных продуктов получаются также хлориды других металлов (FeCl 2 , MnCl 2 , CrCl 3 CaCl 2 и др.).

Благодаря различию температур кипения образующихся хлоридов, четыреххлористый титан отделяется и очищается от остальных хлоридов методом ректификации в специальных установках.

Восстановление четыреххлористого титана магнием

Восстановление осуществляется в специальных реакторах при температуре 950 – 1000 °С. В реактор загружают чушковый магний и после откачки воздуха и заполнения полоти реактора аргоном внутрь его подают парообразный четыреххлористый титан. Процесс восстановления титана идёт по реакции:

TiCl 4 + 2Mg = Ti + 2MgCl 2

Металлический титан оседает на стенках, образуя губчатую массу, а хлористый магний в виде расплава выпускают через лётку реактора. В результате восстановления образуется реакционная масса, представляющая собой губку титана, пропитанную магнием и хлористым магнием, содержание которых достигает 35 – 40%.

Вакуумная сепарация реакционной массы

Сепарацию проводят с целью отделения титановой губки от магния и хлористого магния. Процесс отделения состоит в том, что реакционную массу нагревают до 900 – 950 °С в герметичном устройстве электронагревательной печи, в котором создаётся вакуум. При этом часть хлористого магния удаляется в жидком виде, а остальная часть хлористого магния и магний испаряются. Титановая губка после очистки направляется на плавку.

Плавка титановой губки в вакуумнодуговых печах. Плавка губки методом вакуумно-дугового переплава является основным способом переработки её в слитки. Вакуум печи предохраняет титан от окисления и способствует очистке его от примесей. Полученные слитки титана переплавляют вторично для удаления дефектов, используя как расходуемые электроды. После этого чистота титана составляет 99,6 – 99,7%. После вторичного переплава слитки используют для обработки давлением (ковка, штамповка, прокатка).

Титан особо ценится за низкую плотность в сочетании с высокой прочностью и отличной стойкостью к коррозии. Максимальный показатель прочности на разрыв чистого титана может достигнуть 740 Н/мм2, а показатель такого сплава как LT 33, содержащего алюминий, ванадий и олово, достигает 1200 Н/мм2. Температурный коэффициент расширения металла составляет около половины от температурного коэффициента расширения нержавеющей стали и меди, и одну третью часть от данного коэффициента алюминия. Его плотность составляет около 60% от плотности стали, одну вторую от плотности меди и в 1.7 раз больше, чем у алюминия. Его модуль упругости составляет половину от модуля упругости нержавеющей стали, что делает его стойким и прочным к ударам.Авиакосмическая промышленность остается самым крупным потребителем этого металла. Титановые сплавы, способные к функционированию при температурах от 0°С до 600°С, используются в авиадвигателях для дисков, лопастей, валов и корпусов. Высокопрочные сплавы широко используются в производстве различных деталей, входящих в конструкцию летательных аппаратов - от мелких крепежных деталей, которые весят несколько граммов, до тележек шасси и больших крыльевых балок, вес которых достигает 1 тонны. Титан может составлять 10 процентов ненагруженного веса некоторых серийных пассажирских самолетов. Сейчас титан в основном потребляется в виде диоксида титана - нетоксичного белого пигмента, который используют для производства красок, бумаги, пластмассы и косметики.

Начало

Хотя о существовании титановых минералов известно более 200 лет, серийное производство титана и пигмента диоксида титана для продажи началось не раньше 1940 года. В.Дж.Кроли запатентовал метод производства титана методом угле-хлорирования титанового диоксида в 1938году. Этот элемент был назван в честь Титанов из греческой мифологии немецким химиком МТ.Клапрот, который успешно отделил диоксид титана от рутила в конце восемнадцатого века.

Американское Геологическое управление подсчитало, что добыча ильменита в мире в 2004 году в целом составила 4.8 млн тонн, в то время как добыча рутила в мире в целом составила 400 000 тонн. Ильменит обеспечивает потребность в титановых минералах в мире на 90%. По подсчетам Американского Геологического управления мировые ресурсы анатаза, рутила и ильменита в общем составляют более двух миллиардов тонн.

Производство

Первый этап в производстве титана заключается в изготовлении губки путем хлорирования руды рутила. Хлор и кокс соединяют с рутилом для создания тетрахлорида титана, который затем в замкнутой системе соединяют с магнием для производства титановой губки и хлорида магния. Магний и хлорид магния извлекают для переработки путем использования вакуумного дистилляционного процесса или технологического процесса выщелачивания, создателем которого является Кроль. Основными производителями титановой губки являются США, Россия, Казахстан, Украина, Япония и Китай.

Метод вакуумно-дугового переплава или электронно-лучевая холодная подовая печь используются для плавки губки со скрапом и/или легирующими элементами, такими как ванадий, алюминий, молибден, олово и цирконий для производства переплавленных электродов. Данные электроды можно вновь переплавить методом вакуумно-дугового переплава для производства материала по наиболее строгим спецификациям в авиакосмической сфере и в сфере высоких технологий, или их можно отлить прямо в слябы.

Слитки ВДП имеют цилиндрическую форму и могут весить до 7.94 тонн. Их куют для изготовления слябов или биллетов или используют для прецизионного литья. Методом прокатки производят плиты, листы прутки, стержни и проволоку. Трубы производят из нарезанных из листов штрипсов.

Применение

В повседневной жизни титан обычно ассоциируется с ценными изделиями, такими как наручные часы, оправы для очков, спортивные товары и ювелирные изделия, но кроме этого он широко используется в авиации, а также в других областях, в которых титан, благодаря сочетанию своих физических свойств и био-совместимости, имеет преимущества перед другими металлами. В зависимости от непосредственного назначения, титан конкурирует с никелем, нержавеющей сталью и циркониевыми сплавами.

Многообещающие признаки роста показывает автомобильный сектор. В системах подвесок, например, замена стальных пружин на титановые дает преимущество в виде уменьшения веса на 60%. Также титан применяют в производстве коленчатых валов, соединительных тяг и выхлопных систем. Электростанции и заводы по опреснению морской воды также являются важными областями для роста применения титана. В то же время идет развитие производства титановых подложек для компьютерных жестких дисков.