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.

Грядущая корпоратизация (и возможная приватизация) Крымского Титана у многих ставит вопрос – кому из ТНК она нужна. Изменения последних лет на мировом рынке позволяют сделать ряд предположений.

Сегодня и вчера мирового титанового рынка
По данным «ХимТрейдинг Групп», сейчас почти половина мирового производства сконцентрирована в США и Китае (рис. 1). Заметными игроками выступают крупнейшие экономики мира – Германия, Япония, Великобритания, а также такие крупные сырьевые поставщики, как Австралия и Мексика. Доля СНГ и Восточной Европы мала, и следует учесть, что львиная доля их производства находится именно в Украине.

Следует отметить кардинальные перемены на мировом рынке за последнюю пятилетку. Накануне кризиса основную массу производства титандвуокиси обеспечивали США и страны ЕС, а также Япония (рис. 1Б). Рынок контролировался десятком крупнейших корпораций западных стран. Доля ЕС и Японии, судя по статистике последних лет, упала в несколько раз, и теперь доля ведущих продуцентов (Германия и Британия) с Японией (в сумме порядка 17%) в 1,5 раза меньше, чем доля одних стран ЕС в 2007 г. (36%). Примерно на треть снизилась за пятилетку и доля США. Зато Китай, который вообще не присутствовал в мировых рейтингах до кризиса, сейчас почти догнал США. На диаграмме производителей появились новые регионы – Мексика, Сингапур, Тайвань.

Тем не менее, контроль над мировым рынком все еще находится в цепких руках крупнейших западных транскорпораций. Они давно потеряли национальность, но по традиции иногда все еще условно делятся на «американские», «британские» и т.д.

США являются крупнейшим экспортером в мире, обеспечивая высокое качество пигментной двуокиси. Но и Германия имеет прочные позиции на рынке. Учитывая, что Китай занят разработкой своих месторождений, можно предположить, что украинским «Крымским Титаном» заинтересовались корпорации США или Германии, а также Великобритании.

Украина: грядет передел?
По данным Института геологии НАНУ, Украина располагает колоссальными запасами, а именно 20% мировых запасов титановых руд в пересчете на чистый титан. Во времена СССР Украина обеспечивала поставки 90 % титаносодержащих руд для нужд титановой промышленности Союза. При СССР тут были построены «Запорожский Титаномагниевый Комбинат ЗТМК», «Крымский Титан», «Сумыхимпром». После распада СССР «ЗТМК» простоял пять лет, другие титановые предприятия сократили объемы производства в несколько раз. В итоге Россия, импортируя титановую руду из Украины, стала крупнейшим поставщиком титана на мировой рынок. Объединение двух российских титановых предприятий – «ВСМПО» и «Ависмы» – и масштабные инвестиции в технологии позволили наладить выпуск титановой губки и более дорогих продуктов (титанового проката, авиадеталей).

Нетрудно понять, почему транскорпорации интересуются мощностями украинских титановых предприятий. Контроль над украинским титаном – это контроль одновременно и над соответствующим российским рынком. Действительно, доля Украины в структуре импорта титандвуокиси в РФ (которая импортозависима по этому продукту) составляет на 40 и более процентов (табл. 1). Можно заметить, что в российском импорте-2011 резко (втрое) выросла доля Китая (единственная страна с избытком мощностей, табл. 2) и вдвое – доля Финляндии. Это произошло за счет снижения поставок не только из Украины, но и из США, Германии и Бельгии. То есть в 2011 г. доля традиционных поставщиков в РФ несколько упала, но не так сильно, чтоб сомневаться в сохранении колоссального влияния украинского экспорта в РФ.

Украинские предприятия титановой отрасли сегодня
Сейчас в Украине мощности по производству двуокиси титана имеют два мега-предприятия – «Крымский Титан» и «Сумыхимпром». Это – очень влиятельные в мире предприятия. Только «Крымский Титан» – крупнейший производитель диоксида титана в Восточной Европе, которому принадлежат 2% мирового рынка двуокиси титана пигментного. По данным табл. 1, это – немногим менее половины всей двуокиси, производимой в СНГ и Восточной Европе (5,5%, табл. 1). Его продукция пользуется неизменным спросом на рынках в 53 странах мира, среди которых лидируют: Россия, Китай, Южная Корея, Тайвань, Сингапур – азиатский регион; Турция, Италия, Германия, Иран, Бразилия, Канада и Мексика. Как подчеркивают в самой компании, для потенциальных кредиторов стабильное качество и конкурентоспособные являются существенным фактором для потребителей из Ближнего и Дальнего зарубежья. По данным RBN, доля «Крымского Титана» на российском рынке двуокиси титана – около 30%.

В последние годы оба титановых предприятия стали объектом повышенного внимания крупных финансовых структур. Например, в 2006 г. «оранжевое» правительство формировало ГАК «Титан Украины», в состав которого должны войти «Сумыхимпром», «Запорожский титано-магниевый комбинат» (ЗТМК), а также «Вольногорский» и «Иршанский ГОКи». Даже не скрывалось, что такая национализация делается для последующей передачи ГАК в пользу российской группы «Ренова». Позже ГК «Ренова» лоббировала приватизацию «Сумыхимпрома» вместе с «ЗТМК». Однако после выборов эта идея сошла на «нет», а сейчас титановыми мощностями вновь заинтересовалась компания OSTCHEM, входящая в Group DF /5/.

«Сумыхимпром», госпредприятие с 5000 работников, в кризис объявил дефолт, отказавшись оплачивать долги в сумме до 1,2 мрлд грн, из которых 0,5 млрд – кредиты сразу от 15-ти банков. Согласно данным «Экономической правды», до 2009-2010 гг вокруг завода работали частные трейдеры, вымывая его прибыль. В 2010 объемы реализации «Сумыхимпрома» росли, однако прибыли не было. Банки же выдавали кредиты именно государственному предприятию, а не трейдерам, в явном расчете на гарантии от госпредприятия (контролируемой Министерством промполитики).

Действительно, правительство разработало план деятельности ОАО «Сумыхимпром» с инвестпрограммой до 2015 г, но никакого погашения долгов перед коммерческими учреждениями не предусмотрено. Как, впрочем, и процедуры банкротства. Учитывая, что банки ситуацию комментировать отказались, похоже, что на этот раз банковские структуры остаются ни с чем. А «Сумыхимпром» продолжит эффективно работать и модернизироваться, что давно пора: износ превышает 80%.

Касательно «Крымского Титана», сейчас разрешена его корпоратизация, но прямой приватизации пока ход не дан. Верховная рада Украины разрешила корпоратизацию государственной акционерной компании «Титан», сохранив при этом запрет на приватизацию предприятия.

2010 год Крымский Титан закончил с убытком порядка 17 млн грн, но привлекает кредиты для модернизации. Объявлен тендер на привлечение трех кредитных линий общей суммой 480 млн грн.

Впрочем, сейчас раздаются голоса, предостерегающие от чисто сырьевой политики в сфере производства титанокиси. Так, завотделом полезных ископаемых Института геологических наук НАНУ (Л.Галецкий) в интервью компании RBN сказал, что Украина рискует потерять титановую промышленность в ближайшие десятилетия, если не будет вкладывать инвестиции в развитие новых месторождений титановых руд и производство продукции с более высокой добавленной стоимостью. В интервью агентству УНИАН он сказал, что Украина может экспортировать титановый прокат, который в 20 раз дороже руды и в 5 раз дороже титановой губки.

Представители инвесткомпаний считают корпоратизацию и дальнейшую приватизацию титановых госпредприятий крайне желательной. Так, директор аналитического департамента инвестиционной компании Dragon Capital (А.Беспятов) отметил, что государство не является эффективным собственником объектов, а в последние годы титановой отрасли не уделялось должного внимания. В случае корпоратизации, а потом успешной приватизации можно повысить эффективность, нарастить производство титановой руды и улучшить финансовые показатели.

Руководство «Крымского Титана» также вроде бы довольно грядущей корпортизацией. Председатель правления холдинга «Титан» Украины (управляет «Сумыхимпромом», ГАК «Титан» и «ЗТМК») Александр Нечаев заявил, что исключение четырех предприятий титановой отрасли из списка запрещенных к приватизации упростит процесс привлечения частного капитала. Планируются частные инвестиции в сумме $1,5 млрд в течение трех лет. Это позволит нарастить производство титановой губки на «ЗТМК» с нынешних 8 тыс. т до 30 тыс. т, а в перспективе до 40 тыс. т. «Сумыхимпром» сможет увеличить производство минудобрений более чем в два раза, до 1 млн т, а двуокиси титана – в три раза, до 160 тыс. т. Все предприятия «Титана Украины» должны быть обеспечены сырьем украинских ГОКов.

Дмитрий Старокадомский

Является одним из важнейших конструкционных материалов, поскольку сочетает прочность, твердость и легкость. Однако другие свойства металла весьма специфичны, что делает процесс получения вещества тяжелым и дорогостоящим. И сегодня нами будет рассмотрена мировая технология производства титана, кратко упомянем и .

Существует металл в двух модификациях.

α-Ti – существует до температуры в 883 С, обладает плотной гексагональной решеткой.
β-Ti – имеет объемно-центрированную кубическую решетку.

Переход осуществляется с очень небольшим изменением плотности, поскольку последняя при нагревании постепенно уменьшается.

Во время эксплуатации титановых изделий в большинстве случаев имеют дело с α-фазой. А вот при плавке и изготовлении сплавов металлурги работают с β-модификацией.
Вторая особенность материала – анизотропия. Коэффициент упругости и магнитная восприимчивость вещества зависит от направления, причем разница довольно заметная.
Третья черта – зависимость свойств металл от чистоты. Обычный технический титан не годится, например, для использования в ракетостроении, поскольку из-за примесей теряет свою жаростойкость. В этой области промышленности применяют только исключительно чистое вещество.

О составе титана поведает это видео:

Производство титана

Использовать металл начали только в 50-е годы прошлого века. Его добыча и производство являются сложным процессом, благодаря чему этот относительно распространенный элемент относили к условно редким. И далее мы рассмотрим технологию, оборудование цехов по производству титана.

Сырье

Титан занимает 7 место по распространенности в природе. Чаще всего это оксиды, титанаты и титаносиликаты. Максимальное количество вещества содержится в двуокисях – 94–99%.

Рутил – самая устойчивая модификация, представляет собой минерал синеватого, буровато-желтого, красного цвета.
Анатаз – довольно редкий минерал, при температуре в 800–900 С переходит в рутил.
Брукит – кристалл ромбической системы, при 650 С необратимо переходит в рутил с уменьшением объема.

Более распространены соединения металла с железом – ильменит (до 52,8% титана). Это гейкилит, пирофанит, кричтон – химический состав ильменита весьма сложен и колеблется в широких переделах.
Используется в промышленных целях результат выветривания ильменита – лейкоксен . Здесь происходит довольно сложная химическая реакция, при которой из ильменитовой решетки удаляется часть железа. В результате объем титана в руде повышается – до 60%.
Также используют руду, где металл связан не с закисным железом, как в ильмените, а выступает в виде титаната окисного железа – это аризонит, псевдобрукит .

Наибольшее значение имеют месторождения ильменита, рутила и титаномагнетита. Разделяют их на 3 группы:

магматические – связаны с участками распространения ультраосновных и основных пород, проще говоря, с распространением магмы. Чаще всего это ильменитовые, титаномагнетитовые ильменит-гематитовые руды;
экзогенные месторождения – россыпные и остаточные, аллювиальные, аллювиально-озерные месторождения ильменита и рутила. А также прибрежно-морские россыпи, титановые, анатазовые руды в корах выветривания. Наибольшее значение имеет прибрежно-морские россыпи;
метаморфизированные месторождения – песчаники с лейкоксеном, ильменит-магнетитовые руды, сплошные и вкрапленные.

Экзогенные месторождения – остаточные или россыпные, разрабатываются открытым методом. Для этого используют драги и экскаваторы.

Разработка коренных месторождений связана с проходкой шахт. Полученную руду на месте дробят и обогащают. Применяют гравитационное обогащение, флотацию, магнитную сепарацию.

В качестве исходного сырья может использоваться титановый шлак. Он содержит до 85% диоксида металла.

Технология получения

Процесс производства металла из ильменитовых руд состоит из нескольких стадий:

восстановительная плавка с целью получения титанового шлака;
хлорирование шлака;
производства металла восстановлением;
рафинирование титана – как правило, проводится с целью улучшения свойств продукта.

Процесс это сложный, многоэтапный и дорогостоящий. В результате достаточно доступный металл оказывается весьма дорогим в производстве.

О производстве титана расскажет данный видеосюжет:

Получение шлака

Ильменит является ассоциацией оксида титана с закисным железом. Поэтому целью первого этапа производства является отделение диоксида от оксидов железа. Для этого оксиды железа восстанавливают.

Процесс осуществляют в электродуговых печах. Ильменитовый концентрат загружают в печь, затем вводят восстановитель – древесный уголь, антрацит, кокс, и прогревают до 1650 С. При этом железо восстанавливается из оксида. Из восстановленного и науглероживающегося железа получают чугун, а оксид титана переходит в шлак. Последний в итоге содержит 82–90% титана.

Чугун и шлак разливают по отдельным изложницам. Чугун используют в металлургическом производстве.

Хлорирование шлака

Целью процесса является получение тетрахлорида металла, для дальнейшего применения. Непосредственно хлорировать ильменитовый концентрат оказывается невозможным, из-за образования большого количества хлорного железа – соединение очень быстро разрушает оборудование. Поэтому без стадии предварительного удаления оксида железа обойтись нельзя. Хлорирование проводится в шахтных или солевых хлораторах. Процесс несколько отличается.

Шахтный хлоратор – футерованное цилиндрическое сооружение высотой до 10 м и диаметром до 2 м. Сверху в хлоратор укладывают брикеты из измельченного шлака, а через фурмы подают газ магниевых электролизеров, содержащий 65–70% хлора. Реакция между титановых шлаком и хлором происходит с выделением тепла, что обеспечивает требуемый для процесса температурный режим. Газообразный тетрахлорид титана отводят через верх, а остатки шлака непрерывно удаляют снизу.
Солевой хлоратор , камера, футерованная шамотом и наполовину заполненная электролитом магниевых электролизеров – отработанным. В расплаве содержаться хлориды металлов – натрия, калия, магния и кальция. В расплав сверху подают измельченный титановый шлак и кокс, снизу вдувают хлор. Поскольку реакция хлорирования экзотермична, температурный режим поддерживается самим процессом.

Тетрахлорид титана очищают, причем несколько раз. Газ может содержать углекислый газ, угарный газ, другие примеси, так что очистка производится в несколько этапов.

Отработанный электролит периодически заменяют.

Получение металла

Металл восстанавливают из тетрахлорида магнием или натрием. Восстановление происходит с выделением тепла, что позволяет проводить реакцию без дополнительного обогрева.

Для восстановления используют электрические печи сопротивления. Сначала в камеру помещают герметичную колбу из хромо- сплавов высотой в 2–3 м. После того как емкость прогреют до +750 С, в нее вводят магний. А затем подают тетрахлорид титана. Подача регулируется.

1 цикл восстановления длится 30–50 ч, чтобы температура не повышалась выше 800–900 С, реторту обдувают воздухом. В итоге получают от 1 до 4 тонн губчатой массы – металл осаждается в виде крошек, которые спекаются в пористую массу. Жидкий хлорид магния периодически сливают.

Пористая масса впитывает довольно много хлорида магния. Поэтому после восстановления осуществляют вакуумную отгонку. Для этого реторту прогревают до 1000 С, создают в ней вакуум и выдерживают 30–50 часов. За это время примеси испаряются.

Восстановление натрием протекает почти таким же образом. Разница наличествует только в последнем этапе. Чтобы удалить примеси хлорида натрия, титановую губку измельчают и выщелачивают из нее соль обычной водой.

Рафинирование

Полученный описанным выше образом технический титан вполне годится для производства оборудования и емкостей для химической промышленности. Однако для областей, где требуется высокая жаростойкость и однородность свойств, металл не годится. В этом случае прибегают к рафинированию.

Рафинирование производится в термостате, где поддерживается температура в 100–200 С. В камеру помещают реторту с титановой губкой, а затем с помощью специального устройства в закрытой камере разбивают капсулу с йодом. Йод реагирует с металлом, образуя йодид титана.

В реторте натянуты титановые проволоки, по которым пропускают электрический ток. Проволока раскаляется до 1300–1400 С, полученный йодид разлагается на проволоке, формируя кристаллы чистейшего титана. Йод освобождается, вступает в реакцию. С новой порцией титановой губки и процесс продолжается, пока не исчерпается металл. Получение останавливают, когда благодаря наращиванию титана диаметр проволоки становится равным 25–30 мм. В одном таком аппарате можно получить 10 кг металла с долей в 99,9–99,99%.

Если необходимо получить ковкий металл в слитках, поступают иначе. Для этого титановую губку переплавляют в вакуумной дуговой печи, поскольку металл при высокой температуре активно впитывает газы. Расходуемый электрод получают из титановых отходов и губки. Жидкий металл затвердевает в аппарате в кристаллизаторе, охлаждаемом водой.

Плавку, как правило, повторяют дважды, чтобы улучшить качество слитков.

Из-за особенностей вещества – реакции с кислородом, азотом и впитывание газов, получение всех титановых сплавов также возможно лишь в электрических дуговых вакуумных печах.

Про Россию и другие страны-производители титана читайте ниже.

Популярные изготовители

Рынок производства титана достаточно закрытый. Как правило, страны, производящие большое количество металла, сами же и являются его потребителями.

В России самой большой и едва ли не единственной компанией, занимающейся получением титана, является «ВСМПО-Ависма». Она считается крупнейшим изготовителем металла, но это не совсем верно. Компания производит пятую часть титана, однако мировое потребление его выглядит иначе: около 5% расходуется на изделия и приготовление сплавов, а 95% – на получение диоксида.

Итак, производство титана в мире по странам:

Ведущей страной-производителем является Китай. Страна обладает максимальными запасами титановых руд. Из 18 известных заводов по получению титановой губки 9 расположены в Китае.
Второе место занимает Япония. Интересно, что в стране на авиакосмический сектор уходит только 2–3% металла, а остальной используется в химической промышленности.
Третье место в мире по производству титана занимает Россия и ее многочисленные заводы. Затем следует Казахстан.
США – следующая в списке страна-производитель, расходует титан традиционным образом: 60–75% титана использует авиакосмическая промышленность.

Производство титана – процесс технологически сложный, дорогостоящий и длительный. Однако потребности в этом материале настолько велики, что прогнозируется изрядное увеличение выплавки металла.

О том, как происходит резка титана на одном из производств в России, расскажет это видео:

Источники титанового сырья и его использование

В природе известно 70 минералов в различных количествах содержащих титан. На сегодняшний день, промышленными источниками титанового сырья являются месторождения, содержащие ильменит, рутил, лейкоксен и, в последнее время, анатаз. Львиная (около 90%) часть ильменитовых, лейкоксеновых и рутиловых концентратов используются для производства диоксида титана. Из ильменитовых концентратов получают синтетический рутил и титановые шлаки, которые можно использовать как для производства губчатого титана, так и диоксида титана. На производство металлического титана используется 7-10% сырья. Природный рутил, кроме того, используется частично и для обмазки сварочных электродов. Значительные количества титана содержатся в титаномагнетите и его рудах, однако титаномагнетитовый концентрат преимущественно используется как источник железорудного сырья и выплавки природнолегированных сталей, а шлаки, образующиеся при его переработке и содержащие ванадий - для получения пентоксида ванадия.

Наиболее богатыми по содержанию диоксида титана являются рутиловые концентраты (93–96%), ильменитовые содержат 44–70% диоксида титана, а концентраты из лейкоксеновых руд содержат до 90% TiO 2 . Всего в мире выявлено более 300 месторождений титановых минералов, в т. ч. 70 магматических (69% мировых запасов), 10 в корах выветривания (около 10% запасов) и более 230 россыпных (20%). Мировые запасы титана содержатся в ильмените (более 82%), анатазе (менее 12%) и рутиле (6%). Россыпи получили наибольшее промышленное значение и являются наиболее вовлеченными в коммерческую эксплуатацию источниками рутилового сырья и примерно половины ильменитового. В настоящее время, в мире эксплуатируются два коренных месторождения ильменита в Канаде и Норвегии с содержанием диоксида титана соответственно 26 и 18%.

Запасы и ресурсы титана

Мировые запасы и база запасов титановых минералов на конец 2006г., по оценке Геологической службы США (вероятно, базируется на коммерческих запасах), характеризовались следующими данными (млн. тонн, по содержанию TiO2):

Тип сырья и страна	Ильменит
Тип сырья и страна		База запасов	База запасов


Австралия*


Норвегия


Мозамбик

Бразилия

Сьерра-Леоне

*Наиболее крупными эксплуатируемыми месторождениями являются прибрежные россыпи, содержащие титан, цирконий и редкоземельные элементы, расположенные вдоль берегов Индии, Бангладеш, Шри-Ланки, Вьетнама, Австралии, Новой Зеландии.

**Большинство месторождений в Китае относятся к магматическим рудам и являются источником титана и железа.

Производство концентратов ильменита и рутила из титана

96% объемов производства ильменитового концентрата в 2005-2006гг. было сосредоточено в 10 странах, три из которых обеспечили около 70% мирового производства: это Австралия (45%), Норвегия (13%) и Украина (12%). В 2005г в мире было выпущено 4,8 млн. тонн, в пересчете на двуокись титана, ильменитового концентрата (включая рутил США). Австралия является также единственным крупным продуцентом лейкоксенового концентрата, выпуск которого составил 57 тыс. тонн.

Производство рутилового концентрата в 2005-2006гг. велось в шести странах, около 90% его произведено в трёх из них: Австралии (44%), ЮАР (30%) и Украине (15%). Всего в мире в 2005г. было выпущено 360 тыс. тонн рутилового концентрата, в пересчете на двуокись титана (без рутила США).

Продукты переработки титановых концентратов

Кроме ильменитового, рутилового, лейкоксенового и анатазового концентратов, коммерческими видами титановой продукции являются титановые шлаки, синтетический рутил, диоксид титана, губчатый титан, компактный (металлический) титан, полуфабрикаты из сплавов титана. Основными продуктами переработки ильменитовых и рутиловых концентратов являются титановые шлаки и диоксид титана (постепенно вытесняет прочие пигменты), который затем используется в лакокрасочной промышленности, производстве бумаги, пластмасс, резинотехнических изделий и пр. Производство диоксида титана осуществляется двумя способами: сульфатным, основанным на разложении ильменитовых концентратов, содержащих 45-56% TiO2, или титановых шлаков с содержанием 75-80% TiO2 серной кислотой с последующим переводом сульфатов титана в диоксид. Хлоридный, более экономичный, способ заключается в хлорировании природных рутиловых концентратов, синтетического рутила или титановых шлаков с содержанием TiO2 равным и большим 85%, а также специальных шлаков, прошедших дополнительную обработку и содержащих более 92% TiO2, и получении тетрахлорида титана с последующим его окислением в диоксид титана.

Металлический титан производится из рутиловых концентратов, синтетического рутила и титановых шлаков, иногда из технического диоксида титана, полученного сульфатным способом. Из этого сырья хлорированием получают тетрахлорид титана, который подвергают магние - или натриетермическому восстановлению до металлического титана в виде губки (процесс происходит при температуре 750-850 (C), значительно ниже температуры плавления титана (1668 (C)). Компактный (металлический) титан получают дуговой вакуумной плавкой титановой губки. Металлический титан находит все большее применение как конструкционный материал в авиа -, ракето -, кораблестроении и других отраслях машиностроения, благодаря своим свойствам: легкости, тугоплавкости, ковкости, вязкости, коррозионностойкости. В последние годы сфера применения расширяется: из титановых сплавов производятся профессиональное спортивное снаряжение, медицинское оборудование и пр.

Титановые рынки

Региональные рынки конечного применения титана весьма различаются - наиболее ярким примером своеобразия является Япония, где на гражданский авиакосмический сектор приходится всего 2-3% при использовании 30% от общего потребления титана в оборудовании и конструкционных элементах химических заводов. Примерно 20% от общего спроса в Японии приходится на атомнуюэнергетику и на электростанции на твёрдом топливе, остальная доля приходится на архитектуру, медицину и спорт. Противоположная картина наблюдается в США и Европе, где исключительно большое значение имеет потребление в аэрокосмическом секторе - 60-75% и 50-60% для каждого региона соответственно. В США традиционно сильными конечными рынками являются химическая промышленность, медицинское оборудование, промышленное оборудование, в то время как в Европе наибольшая доля приходится на нефтегазовую промышленность и строительную промышленность.Сильная зависимость от аэрокосмической отрасли была давним предметом беспокойства титановой промышленности, которая пытается расширить области применения титана, что особенно актуально в условиях текущего спада в гражданской авиации в мировом масштабе.По данным Геологической службы США в первом квартале 2003 года произошёл значительный спад импорта титановой губки - всего лишь 1319 тонн, что на 62% меньше 3431 тонн за аналогичный период 2002 года.

Российский производитель титана ВСМПО-АВИСМА

1 июля1933 года в Подмосковье был пущен завод № 45. С этого дня начинается отсчет истории Верхнесалдинского металлургического производственного объединения (ВСМПО). Предприятие должно было стать основным поставщиком полуфабрикатов из алюминия и его сплавов для зарождавшегося советского самолетостроения. Это была главная задача. Но кроме этого заводу отводилась роль научной базы, где разрабатывались новые сплавы. Например, для изготовления силовых элементов скоростного бомбардировщика АНТ-40 был создан сплав повышенной прочности М-95. А в 1935 году освоены ковкие алюминиевые сплавы АК 5 и АК 6.

Великая Отечественная война резко нарушила привычный ритм работы. В октябре 1941 года Государственный комитет обороны СССР постановил полностью эвакуировать завод в Свердловскую область, в город Верхняя Салда. В тех же цехах бывшей верхнесалдинской «Стальконструкции» разместился завод № 519 Наркомата цветной металлургии, оборудование которого прибыло из Кольчугино и с двух ленинградских предприятий. Новаторские традиции подмосковных алюминщиков были перенесены на уральскую землю. Уже в декабре 1941-го, буквально полтора месяца спустя после постановления об эвакуации, завод выдал первую продукцию на новом месте.

Весной 1942 года производство алюминиевых деталей уже вышло на довоенный уровень, а в 1943 году проектная мощность предприятия была перекрыта в 6 раз! Потребности советского авиастроения были удовлетворены полностью. Помимо этого производимые в Верхней Салде полуфабрикаты широко использовались в судо- и танкостроении, производстве боеприпасов и вооружения.

Стремительное развитие передовых технологий в послевоенный период потребовало применения новых материалов. Решением Совета министров СССР от 21 июня 1956 года заводу была поставлена историческая задача: начать крупносерийное производство слитков и полуфабрикатов из титановых сплавов. В феврале 1957 года из заводских печей вышел первый титановый слиток диаметром 100 мм и весом 4 кг. Этот небольшой металлический цилиндр стал первой ступенькой к восхождению будущего ВСМПО-АВИСМА на мировой титановый Олимп. Мы стали вторыми в мире, сумевшими начать производство «космического металла». США опередили нас на 9 лет. Но с этого исторического момента начала отсчет новая эра производства ВСМПО – титановая.

Генеральный директор корпорации ВСМПО-АВИСМА Владислав Тетюхин, участник первой титановой плавки на заводе, отмечает: «Говоря о начале промышленного освоения производства титана, мы отдаем дань уважения и признательности первопроходцам и основателям высокотехнологичной отрасли нашей страны, которая сегодня позволяет вести на равных диалог с руководителями самых представительных фирм и компаний в области мирового самолетостроения. Более того, они протягивают нам руку сотрудничества и готовы к совместному продвижению вперед самых грандиозных проектов».

В маленьком уральском городке Верхняя Салда должно было производиться порядка 80% всего титанового проката Советского Союза. Такое решение приняло Министерство авиапромышленности СССР.

Предприятие стало одним из крупнейших в мире производителей слитков и большинства видов проката из титановых сплавов. Все авиакосмические проекты в нашей стране проходили с его участием. До 75% титановой продукции и до 95% изделий из алюминиевых сплавов направлялись для авиационно-космического комплекса и оборонных отраслей промышленности.

Объединение в содружестве со специалистами ВИЛСа, ВИАМа, с КБ самолетостроительных и двигателестроительных заводов создавало изделия для критических узлов всех отечественных авиадвигателей, а также для планеров и шасси самолетов и вертолетов: ИЛ-76, ИЛ-86, ИЛ-114, Ту-204, Ту-160, АН-124 («Руслан»), АН-225 («Мрия»), АН-22 («Антей»), Су-27, МиГ-29, Ми-26, ИЛ-96-300, АН-70, МиГ-31 и других. ВСМПО участвовало в научно-технических разработках стыковочного узла космического комплекса «Союз-Аполлон», в корабле многоразового использования «Буран», в ракетоносителе «Энергия».

В 1982 году предприятие стало называться ВСМПО – Верхнесалдинское металлургическое производственное объединение. Продолжает развиваться титановое производство, поставившее в конце восьмидесятых абсолютный мировой рекорд ежегодного производства слитков – свыше 100 тыс. тонн.

ВСМПО производит изделия и детали для авиаракетостроения и для оборонной промышленности, это предприятие использует титановую губку высокого качества и к продукции ОАО «АВИСМА» предъявляет соответствующие требования. Однако на мировом рынке «продвинутого» титанового передела продукция ВСМПО пока практически неконкурентоспособна, так что объединению, по сути, приходится ограничиваться поставками полуфабрикатов. Металлургические же предприятия используют в своём производстве губчатый титан низших марок. Отношения «Ависмы» и ВСМПО осложняются желанием верхнесалдинцев, как основных владельцев березниковского предприятия, покупать губку по фиксированнму курсу доллара, на много меньше установленного ЦБ РФ.

В США самыми крупными потребителями российской губки являются компании RMI Titanium, которая в недавнем прошлом оставила своё производство губчатого титана из-за экологической вредности производства, Axel Johnson, Wyman-Gordon, Titanium Heart Technologies. Американские потребители титановой губки составляют 30% от мировых потребителей губчатого титана. Если в 1996 году мировой лидер самолётостроения, американская компания Boeing, выпустила 220 самолётов, то в 1997 году - 340, а в 1998 году планирует довести производство до 43 лайнеров в месяц. Причём, если на самолёте Boeing 747 масса деталей и узлов из титановых сплавов составляет около 4,5 тонны, то на новейшей 777-й модели, по некоторым оценкам, от 40 до 45 тонн! Предполагается, что потребности в титане одной только корпорации Boeing в 1998 году достигнут 12 тыс. тонн. Растет потребление титана и в такой экзотической сфере применения, как изготовление клюшек для гольфа. В 1996 году на долю гольф-клубов приходилось 11% общего объёма потребления металлического титана в США.

ПРОИЗВОДСТВО ТИТАНА

Титан получают магниетермическим способом. Производство титана включает обогащение титановых руд, выплавку из них титанового шлака с последующим получением из него четыреххлористого титана и восстановление из последнего металлического титана магнием.

Основные этапы производства титана из ильменитовой руды приведены на упрощенной технологической схеме рис. 2.19.

Рис. 2.19. Схема магниетермического способа получения титана

Сырьем для получения титана являются титаномагнетитовые руды, из которых выделяют ильменитовый концентрат, содержащий 40 ... 45 % ТЮ 2 , ∼30 % FeO, 20 % Fe 2 O 3 и 5 ... 7 % пустой породы. Название этот концентрат получил по наличию в нем минерала ильменита FeO · TiO 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 % FeO и примеси SiO 2 , A1 2 O 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 пропускании 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 , MgCl 2 и др.:

ТiO2 + 2С + 2С1 2 = TiCl 4 + 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 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

2Mg + TiCl 2 = Ti + 2MgCl 2 .

Твердые частицы титана спекаются в пористую массу - губку, а жидкий MgCl 2 выпускают через летку реактора. Титановая губка содержит 35 ... 40 % магния и хлористого магния. Для удаления из титановой губки этих примесей ее нагревают до температуры 900 ... 950 °С в вакууме.

Титановую губку плавят методом вакуумно-дугового переплава (см. с. 50). 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.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Назовите исходные материалы для производства чугуна, стали, цветных металлов.

2. Назовите основные операции подготовки руд к плавке.

3. Назовите основные металлургические процессы доменного производства.

4. Возможно ли удаление серы и фосфора при выплавке чугуна в домнах?

5. Сформулируйте принципиальную сущность процессов при получении стали из чугуна.

6. Назовите этапы плавки стали и основные процессы в каждом из них.

7. На каком из этапов выплавки стали производят легирование?

8. Назовите этапы процессов плавки в основных мартеновских печах, в конвертерах, в электропечах.

9. Вспомните основные различия в качестве сталей, выплавленных в конвертерах, мартеновских печах, в электропечах - дуговых и индукционных.

10. Назовите способы разливки стали; определите их преимущества и недостатки.

11. Назовите основные отличия в кристаллизации и в строении слитков спокойной, кипящей и полуспокойной стали.

12. Назовите принципиальную сущность и назначение основных способов повышения качества выплавляемой стали.

13. Перечислите основные способы и исходные материалы, используемые при производстве меди, алюминия, магния, титана.

Закрытие ИП