Титан (работа 1)

Титан

ВВЕДЕНИЕ

Вероятно, почти о каждом из107 известных ныне элементов написаны научные монографии. Не раз предпринимались попытки рассказать обо всех элементов сразу, но в этом реферате рассказано о металле будущего - титане.

До 1795 г. элемент №22 назывался "менакином". Так назвал его в 1791 г. английский химик и минеролог Уильям Грегор, открывший новый элемент в минерале менаканите.

Спустя четыре года после открытия Грегора немецкий химик Мартин Клапрот обнаружил новый химический элемент в другом минерале – рутиле – и в честь царицы эльфов Титании, (германская мифология) назвал его титаном.

По другой версии название элемента происходит от титанов, могучих сыновней богини земли _ Геи (греческая мифология).

В 1797 г. выяснилось, что Грегор и Клапрот открыли один и тот же элемент, и хотя Грегор сделал это раньше, за новым элементом утвердилось имя, данное ему Клапротом.

Но ни Грегору, ни Клапроту не удалось получить элементарный титан. Выделенный ими белый кристаллический порошок был двуокисьютитана ТiO_>2>. Восстановить этот окисел, выделить из него чистый металл долгое время не удавалось никому из химиков.

В 1823 г. английский ученый У. Волластон сообщил, что кристаллы, обнаруженные им в металлургических шлаках завода "Мортир – Тидвиль", - не что иное, как чистый титан. А спустя 33 года известный немецкий химик Ф. Вёлер доказал, что и эти кристаллы были опять – таки соединением титана, на этот раз – металлоподобным карбонитридом.

Много лет считалось, что металлический титан впервые был получен Берцелиусом в 1825 г. при восстановлении фтортитана калия металлическим натрием. Однако сегодня, сравнивая свойства титана и продукта, полученного Берцелиусом, можно утверждать, что президент Шведской академии наук ошибался, ибо чистый титан быстро растворяется в плавиковой кислоте (в отличии от многих других кислот), а металлический титан Берцелиуса успешно сопротивлялся её действию.

В действительности титан был впервые получен лишь в 1875 г. русским учёным Д.К. Кирилловым. Результаты этой работы опубликованы в его брошюре "Исследование над титаном". Но работа малоизвестного русского ученого осталась незамеченной. Ещё через 12 лет довольно чистый продукт – около 95% титана – получили соотечественники Берцелиуса, известные химики Л. Нильсон и О. Петерсон, восстанавливавшие четырёххлористый титан металлическим натрием в стальной геометрической бомбе.

В 1895 г. французский химик А. Муассан, восстанавливая двуокись титана углеродом в дуговой печи и подвергая полученный материал двукратному рафинированию, получил титан, содержавший всего 2%примесей, в основном углерода. Наконец в 1910 г. американский химик М. Хантер, усовершенствовав способ Нильсона и Петерсона, сумел получить несколько граммов титана чистой около 99%. Именно поэтому в большинстве книг приоритет получения металлического титана приписывается Хантеру, а не Кириллову, Нильсону или Муассану.

Однако ни Хантер, ни его современники не предсказывали титану большого будущего. Всего несколько десятых процента примесей содержалось в металле, но эти примеси делали титан хрупким, непрочным, непригодным к механической обработки. Поэтому некоторые соединения титана нашли применения раньше, чем сам металл. Четыреххлористый титан например, широко использовали в первую мировую войну для создания дымовых завес.

ПРОФЕССИЯ ДВУОКИСИ

В 1908 г. в США и Норвегии началось изготовление белил не из соединений свинца и цинка, как делалось прежде, а из двуокиси титана. Такими белилами можно окрасить в несколько раз большую поверхность, чем тем же количеством свинцовых или цинковых белил. К тому же у титановых белил больше отражательная способность, они не ядовиты и не темнеют под действием сероводорода.В медицинской литературе описан случай. Когда человек за один раз "принял" 460 г двуокиси титана! (Интересно, с чем он его спутал) «Любитель» двуокиси титана не испытал при этом никаких болезненных ощущений. Двуокись титана входит в состав некоторых медицинских препаратов частности мазей против кожных заболеваний.

Однако не медицина, а лакокрасочная промышленность потребляет наибольшее количество TiO_>2>­­.Мировое производство этого соединения намного превысила полмиллиона тонн в год. Эмали на основе двуокиси титана широко используют в качестве защитных и декоративных покрытий по металлу и дереву в судостроении, строительстве и машиностроении. Срок службы сооружений и деталей при этом значительно повышается. Титановыми белилами окрашивают ткани, кожу и другие материалы.

Двуокись титана входит в состав фарфоровых масс, тугоплавкий стекол, керамических материалов с высокой диэлектрической проницаемостью. Как наполнитель, повышающий прочность и термостойкость, её вводят в резиновые смеси. Однако все достоинства соединений титана кажутся не существенными на фоне уникальных свойств металлического титана.

ЭЛЕМЕНТАРНЫЙ ТИТАН

В1925 г. голландские учёные ван Аркель и де Бур иодидным способом (о нём - ниже) получили титан высокой степени чистоты – 99,9%. В отличие от титана, полученного Хантером, он обладал пластичностью: его можно было ковать на холоде, прокатывать в листы, ленту, проволоку и даже в тончайшую фольгу. Но даже не это главное. 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.

Замечательна устойчивость титана против коррозии. На пластинке из этого металла за 10 лет пребывания в морской воде не появилось и следов коррозии. За такой срок от железной пластинки остались бы одни воспоминания. Оэтому не случаен интерес к титану авиаконструкторов, судостроителей и гидростроителей.

В конце 1968 г. поднялся в воздух первый в мире сверхзвуковой пассажирский лайнер Ту-144. Рули поворота, элероны и некоторые другие детали этого гигантского самолёта, нагревающиеся во время полёта до высокой температуры, выполнены из титана.

КАК ПОЛУЧАЮТ ТИТАН

Цена – вот что сегодня ещё тормозит производство и потребление титана. Собственно, высокая стоимость – не врожденный порок титана. В земной коре его много – 0,63%. Дорогая цена – следствие чрезвычайной сложности извлечение титана из руд. Если принять стоимость титана в концентрате за единицу, то стоимость готовой продукции – титанового листа в сотни раз больше. Объясняется это высоким сродством титана многим элементам и прочностью химических связей в его природных соединениях. Отсюда – сложности технологии. Вот как выглядит магниетермический способ производства титана, разработанный в 1940 г. американским учёным У. Кролем.

Двуокись титана с помощью хлора (в присутствии углерода) переводят в четырёххлористый титан:

TiO_>2>+C+2Cl_>2>=TiCl_>4>+CO_>2 >

Процесс идёт на трудоёмкость и энергоёмкость производство титана, оно уже сейчас становится одной из важнейших отраслей металлургии. Если в 1947 г. в США было получено всего 2 т этого металла, то через 15 лет – более 350 тыс. т. А в 1975 г. потребление титана в слитках составило в США более 12 млн. т.

Кажется, ещё недавно титан называли редким металлом – сечас он важнейший конструкционный материал. Объясняется это только одним: редким в шахтных электропечах при 800 – 1250 С. Другой вариант – хлорирование в расплаве солей щелочных металлов NaCl и KCl.

Следующая операция (в одинаковой мере важная и трудоёмкая) – очистка TiCl_>4> от примесей – проводится разными способами и веществами. Четырёххлористый титан в обычных условиях представляет собой жидкость с температурой кипения 136 С.

Разорвать связь титана с хлором легче, чем с кислородом. Это можно сделать с помощью магния по реакции:

TiCl_>4>+2Mg = Ti+2MgCl_>2>_>.>

Эта реакция идёт в стальных реакторах при 900 С. В результате образуется так называемая титановая губка, магнием и хлоридом магния. Их испаряют в герметичном вакуумном аппарате при 950 С, а титановую губку затем спекают или переплавляют в компактный металл.

Натриетермический метод получения металлического титана в принципе мало чем отличается от магниетермического. Эти два метода наиболее широко применяются в промышленности.

Для получения более чистого титана и поныне используется иодидный метод, предложенный ван Аркелем и де Буром. Металлотермический губчатый титан превращают в иодид TiI_>4>, который затем возгоняют в вакууме. На своём пути пары иодида титана встречают раскалённую до 1400 С титановую проволоку. При этом иодид разлагается, и на проволоке нарастает слой чистого титана. Этот метод производства титана малопроизводителен и дорог, поэтому в промышленности он применяется крайне ограниченно.

Несмотря сочетанием полезных свойств элемента №22. И, естественно, потребностями техники.

ТИТАН РАБОТАЕТ

Роль титана как конструкционного материала, основы высокопрочных сплавов для авиации, судостроения и ракетной техники, быстро возрастает. Именно в сплавы идёт большая часть выплавляемого в мире титана. Широко известен сплав для авиационной промышленности, состоящий из 90% титана, 6% алюминия и 4% ванадия. В 1976 г. в американской печати появились сообщения о новом сплаве того же назначения: 85% титана, 10% ванадия, 3% алюминия и 2% железа. Утверждают, что этот сплав не только лучше, но и экономичнее.

А вообще в титановые сплавы входят очень многие элементы, вплоть до платины и палладия. Последние (в количестве 0,1 – 0,2%) повышают и без того высокую химическую стойкость титановых сплавов.

Прочность титана повышают и такие «легирующие добавки», как азот и кислород. Но вместе с прочностью они повышают твёрдость и, главное, хрупкость титана, поэтому их содержание строжайшие регламентируются: в сплав допускаются не более 0.15% кислорода и 0,05% азота.

Несмотря что титан дорог, замена им более дешёвых материалов во многих случаях оказывается экономически выгодной. Вот характерный пример. Корпус химического аппарата, изготовленный из нержавеющей стали, стоит 150 рублей, а из титанового сплава – 600 рублей. Но при этом стальной реактор служит лишь 6 месяцев, а титановый – 10 лет. Прибавьте затраты на замену стальных реакторов, вынужденные простои оборудования – и станет очевидно, что применять дорогостоящий титан бывает выгоднее, чем сталь.

Значительные количества титана использует металлургия. Существуют сотни марок сталей и других сплавов, в состав которых титан входит как легирующая 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 FeTiO_>3 > - содержит 52,65% TiO_>2>. 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 TiO_>2>, 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 титановые мешалки и тигли. Из титана изготовляют также лопасти перемешивающих устройств на известковых газоотчистках.

Титан оказался наиболее подходящим материалом для изготовления матриц, применяемых при электролитическом осаждении меди. Внедрение титановых матриц на ряде предприятий страны намного облегчило труд рабочих-сдирщиков, на 30 процентов повысило производительность труда. Срок службы матриц увеличился в 3 раза.

С титанового барабан-катода снимают гораздо более высококачественную медную фольгу, тогда как при использовании катода из нержавеющей стали процент брака велик, фольга получается шероховатой.

Весьма эффективными оказываются титановые приспособления для отчистки и подачи отходящих газов агломашин, плавильных и обжиговых печей в производстве свинца и цинка, а также детали реакторов, сгустителей, змеевиков и многого другого оборудования из нового промышленного материала. Титан находит применение при производстве вольфрама и молибдена, сурьмы ртути, циркония, редкоземельных и драгоценных металлов.

При обработки цветных меиаллов используют титановые травильные ванны, детали очистных сооружений, установок переработки раствора, ёмкости, что намного повышает срок службы оборудования. На одном из из уральских заводов из титана изготовляют клещи, которыми захватывают горячие прокатываемые и прессуемые металлические заготовки. Масса ручного инструмента уменьшилась вдвое.

Вспомогательное оборудование из титана используют на некоторых предприятиях чёрной металлургии нашей страны. Благодаря высокой коррозийной стойкости в сернистых газах новый конструкционный материал обеспечивает надёжную работу электрофильтров, применяемых в коксохимическом и ферросплавном производствах, повышает долговечность газоочистных сооружений доменных, мартёновских, конверторных и агломерационных цехов.

Более 10 лет работают на Запорожском коксохимическом заводе титановые нутч-фильтры, растворители, кристаллизаторы, трубопроводы и другое оборудование участка роданистого натрия. Кроме того, благодаря их применению удалось избежать в конечном продукте примесей железа, тяжёлых металлов, которые по техническим условиям недопустимы и от которых прежде невозможно было избавиться.

Испытания, проведённые на заводе «Запорожсталь» Институтом титана, показали, что, если использовать для слива отработанных травильных растворов трубопроводы из нового металла, их срок службы будет измеряться десятками лет. ныне существуют звенья, изготовленные из углеродистой стали и защищённые резиной, служат полтора, максимум три месяца. Вот почему предприятие решило приобрести полкилометра титановых труб для замены ими стальных.

Очень перспективно облицовывать титаном ванны, используемые на многих металлургических, сталепроволочных-канатных, метизных заводов для травления заготовок в кислотах с целью удаления окалины с поверхности. Поскольку травильные растворы загрязнены частицами железа и его соединений, а также содержат специальные солевые добавки (что способствует замедлению коррозии), стойкость титана в них намного выше, чем в обычных растворов кислот – без добавок и примесей, благодаря чему титановые травильные ванны служат десятки лет, тогда как обычные выходят из строя гораздо раньше.

ЧТОБ СТАЛО БОЛЬШЕ БУМАГИ

Наша страна – самая читающая страна в мире. Миллионными тиражами печатаются газеты и журналы, больше, чем в любом другом государстве, и тем не менее далеко не всегда удаётся приобрести нужную литературу, выписать то или иное издание… одна из основных причин такого положения – недостаток бумаги.

Чтобы обеспечить нашу страну бумагой, делается многое: строятся новые целлюлозно-бумажные комбинаты и лесопромышленные комплексы, переоборудуются существующие. Предприятия оснащаются новым высокопроизводительным оборудованием. Однако при производстве бумаги очень остро стоит проблема коррозионной защиты, и от её решения в немалой степени зависит успешное развитие отрасли.

Для получения целлюлозы используют чрезвычайно агрессивные вещества – в технологических процессах варки целлюлозы, получения варочной кислоты, при отбеливании целлюлозной массы.

Особенно агрессивна двуокись хлора, которой отбеливают целлюлозу. Отказываться от двуокиси хлора нецелесообразно: благодаря ей удаётся намного улучшить качество продукции, интенсифицировать производственные процессы. Метод отбеливания целлюлозы двуокисью хлора получает поэтому всё большее распространение, но стремительное разрушение оборудования при его применении приносит значительные убытки.

Фирма «Крусибл стил корпорейшен оф Америка» приводит данные о том, что одной простой отбельной линии в течении только одних суток причиняет ущерб в 10 тысяч долларов.

Вот почему химики и бумажники обратили самое серьёзное внимание на стойкость титана в соединениях хлора. Именно как материал, устойчивый в двуокиси хлора, титан был применён в первые в невоенных отраслях промышленности. Так, в 1954 году американцы использовали его как для облицовки миксера, содержащего это соединение. Опыт оказался удачным и с тех пор титан официально признан наилучшим материалом для работы в среде двуокиси хлора. Это и многое другое сделало новый промышленный металл ценным материалом для целлюлозно-бумажной промышленности.

Титановое оборудование широко внедряется в целлюлозно-бумажную промышленность. Оно с успехом используется на Братском и Сыктывкарском лесопромышленных комплексах, Советском и Котласском целлюлозно-бумажных комбинатах, Байкальском целлюлозном заводе и некоторых других предприятиях.

Институтом ЦНИИбумаш спроектированы отбельные установки для массового применения на предприятиях отрасли. Они состоят из отбельных башен, баков, смесителей, мерников, трубопроводов и запорной арматуры. Всё оборудование делается из титана. Заводы уже приступили к выпуску таких установок.

Титан оказывается незаменимым для бумажников, выручая их давая значительный технико-экономический эффект.

В цехе белильных растворов Сыктывкарского лесопромышленного комплекса стальные трубопроводы требовали полной замены через каждую неделю. Срок службы титановых трубопроводов настолько превосходит срок службы стальных, что при этом не только окупается стоимость более дорогого материала, но и ежегодно предприятие получает 120 тысяч рулей прибыли! Каждая титановая воздуходувка, работающая в том же цехе взамен агрегатов из нержавеющей стали, выходивших из строя каждые 2 недели, экономит предприятию около двух с половиной тысяч рублей.

Титан применяют в контрольно-измерительной и регулирующей аппаратура трёх линий производства сульфатной целлюлозы, где технологические процессы полностью автоматизированы. Металл используют для изготовления чехлов, защищающих датчики приборов, которые работают в агрессивных средах. Винипласт защищал их на протяжении всего лишь 15 дней, титан служит около 7 лет и благодаря столь продолжительному сроку работы даёт существенную экономию. Семь титановых чехлов, которыми прикрывают датчики приборов на Братском ЛПК, дают предприятию 20 тысяч рублей годовой экономии. Всего же от применения титана лесопромышленный комплекс ежегодно получает более 150 тысяч рублей прибыли.

Коррозионностойкий металл оказывается весьма кстати также в гидролизной и лесохимической промышленности, где он хорошо зарекомендовал себя в качестве материала для изготовления аппаратуры в производстве уксусной кислоты, этилацетата и других очень едких веществ.

Зарубежные фирмы применяют титановые теплообменники, вентиляторы, насосы, запорную арматуру. В Швеции пластинчатые титановые теплообменники работают в растворах хлоридов, хлоратов, а также в жидкостях, содержащих активный хлор. В США аппаратуру из титана внедряют в цехах варки целлюлозы, где техника, изготовленная из нержавеющей стали, полностью выходит из строя через два года работы и её необходимо заменять. Замена же

Только одного промывного аппарата обходится в 80 тысяч долларов. Титановое оборудование используют в целлюлозно-бумажной промышленности Японии, Англии, ЧССР, Финляндии.

Разработчики аппаратуры целлюлозно-бумажной производства утверждают, что опыт эксплуатации титанового оборудования показал неоспоримое преимущество этого металла перед другими конструкционными и коррозионностойкими материалами. Остаётся только добавить, что с каждым годом, даже месяцем, всё больше титана применяется для производства бумаги и в том, что её дифицит будет всё же преодолён, что страна получит в избытке не только материал для печатания книг и газет, но картон, бумагу для технических целей и для расфасовки пищевых продуктов, большое количество бумажно-беловых товаров, немалая заслуга будет принадлежать и металлу, носящему имя титан.

ДЕШЕВЛЕ? МОЖНО

Что бы ни говорилось о реальной и бесспорной экономической эффективности использования титана при существующем уровне цен, нет никакого сомнения в том, что будь титан подешевле – масштаба его производства и применения выросли бы неизмеримо. Соответственно возросла бы и польза, которую приносит народному хозяйству этот металл.

Но ведь цена не должна быть ниже себестоимости, а себестоимость титана ещё высокая. Собственно говоря, высокая себестоимость титановой губки, а именно стоимость губки определяет сравнительно высокие цены титановых полуфабрикатов и оборудования, изготовленного из этого металла.

С целью снижения себестоимости во всём мире непрерывно ведут многочисленные исследовательские работы, направленные на совершенствование существующей технологии производства титана, а также на разработку способов прямого извлечения металла из руд. Ежегодно выдаются десятки патентов на новые методы получения металлического титана, на модификацию уже известных технологических операций. Однако эти новые методы не в состоянии конкурировать с известными промышленными способами, а предлагаемое совершенствование последних не настолько существенно, чтобы ощутимо снизить стоимость титана. Справедливости ради надо сказать, что стоимость титановой губки претерпела значительные изменения с момента выпуска первых промышленных партий. Так, например, в нашей стране цены на титановую губку в связи с непрерывным снижением себестоимости уменьшались в 5 раз, в результате чего даже более высококачественная губка стоит сейчас вдвое дешевле, чем прежде.

Уменьшение стоимости титановой губки позволяет снижать цены на титановые полуфабрикаты: на листы, трубы, прудки, гнутые профили и т.п. Последнее снижение цен на полуфабрикаты было в 1975 году, в результате чего эти изделия стали стоить в среднем на 25 процентов дешевле.

И всё же стоимость титана снижается не так быстро, как хотелось бы, и у этого есть объективные, пока ещё непреодолимые причины. Но, может быть, и при существующем уровне цен есть какая-нибудь возможность удешевить оборудование. Изготовленное с применением этого металла? Да, такая возможность действительно есть.

Не во всех случаях так уж необходимо, чтобы аппаратура была изготовлена целиком из титана. Нередко достаточно и того, что стойкий против коррозии металл будет защищать только внутреннюю её поверхность, только те места, которые соприкасаются с агрессивной средой. Основная же масса конструкции может быть изготовлена из обычной стали, прочность которой достаточна, чтобы выдерживать большие давления. Таким образом достигается оптимальный вариант использования титана, который незначительно удорожает стоимость оборудования.

Но сварка титана с другими металлами, повторяем, практически невозможна. Как же соединяют титан со сталью? Существует несколько методов. Когда оборудование не предназначено для работы при высоких температурах и не подвергается воздействию вакуума, поверхность его футеруют ( т.е. выкладывают) тонким слоем титана.

Но футерованное оборудование нельзя применять при температурах выше 100 градусов, так как при нагревании сталь расширяется значительно в большей степени, чем титан, что и приводит к повреждению футерованной конструкции. Кроме того, наличие зазора между футеровкой и кожухом не позволяет применять такое оборудование в процессах. Связанных с воздействием вакуума.

В этом случае для изготовления оборудования используют двухслойный металл титан – сталь, где слой титана составляет от одной двадцатой до одной пятой части от всей толщины металла. И здесь слой титана обеспечивает коррозийную стойкость, а более дешевый материал – заданные механические характеристики. Титан и сталь соединяют друг с другом при помощи взрывной волны или методом прокатки в вакууме. В результате материалы связаны между собой не просто механически, а физически, что приводит к улучшению теплопередачи и позволяет оборудованию из двухслойного металла выдерживать повторяющие нагревы до 500 и более градусов и закалку в воде.

Из биметалла титан – сталь изготовляют такое оборудование, как варочные котлы и отбельные башни целлюлозно-бумажного производства, ёмкости и колонны, применяемые в нефтехимии и металлургии. Использование биметаллического листа взамен цельнотитанового даёт существенную экономию.

Другой путь снижения стоимости титановых изделий – изготовление их методом фасонного литья. Замена поковок фасонными отливками снижает расход металла в три с лишним раза, уменьшает трудоёмкость механической обработки. Каждая тонна фасонных отливок, используемых в замен поковок, экономит более 20 тысяч рублей. Методом литья изготавливают запорную арматуру, части насосов, приборов, детали, применяемые в машиностроении.

В промышленности при производстве и обработки титана образуется большое количество отходов, состоящих из титановой губки, стружки, обрезков, кусков, лома. Основная масса этих отходов не используется, а накапливается на предприятиях, где отходы различных сплавов перемешиваются друг с другом и загрязняются. Специалисты уже давно задумываются над тем, как использовать этот металл.

Наиболее целесообразно перерабатывать отходы титана во вторичные сплавы. Эти сплавы несколько уступают основным по однородности, прочности и другим механическим характеристикам. Загрязнённость примесями приводит к тому, что их стойкость против коррозии ниже, чем у серийных сплавов, и тем не менее вторичные титановые сплавы в достаточной степени прочны и коррозионностойкие. Их можно с успехом и большой пользой применять в химической, нефтеперерабатывающей, лёгкой, пищевой промышленности.

Сейчас ведутся опытно-промышленные разработки вторичных сплавов и изделий из них, получаемых методом литья. Вторичные титановые сплавы во многих агрессивных средах по своей коррозийной стойкости незначительно уступают первичным сплавам, а в некоторых средах даже превосходят их. Что же касается их стоимости, то при широком производстве они будут дешевле первичных на 25-30 процентов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Значение металлов в человеческом обществе всё более возрастает. Переворот в технике происходит с интенсивным развитием алюминиевой и магниевой промышленности. В последние десятилетия человечество получило в своё распоряжение группы редких металлов. И вот уже в наши дни, в самые последние годы на авансцену истории «поднимается» новый промышленный металл – титан.

Титан с большим правом, чем алюминий, можно назвать металлом нашего века, точнее – второй его половины, так как этот новый конструкционный материал впервые стали производить и использовать только в пятидесятые годы. Впрочем, титан так и называют: «металл 20 века». И как много значений у слова «титан», так много эпитетов и наименований у самого металла. «Вечный», «парадоксальный», «металл сверхзвуковых скоростей, «металл будущего», «дитя войны» – вот только некоторые из них.

Титан называют металлом будущего. Это, конечно, правильно. В будущем появятся новые области применения замечательного материала, люди создадут сплавы с ещё более удивительными свойствами. Но ведь будущее начинается сегодня, будущее и настоящее не отдельны непроходимой границей.

Титан уже давно стал материалом современности – ценным, важным и необходимым. Больше того, широкое, повсеместное его применение как раз позволит скорее приблизить то светлое и прекрасное будущее, о котором мы все мечтаем.

3