§ 4 Производство титана

Титан – элемент 4 группы ПС Менделеева Д.И. По внешнему виду похож на сталь. Температура плавления 1668 ⁰С. Плотность 4,51 г/см³. Свойства - высокая прочность, коррозионная стойкость. Титан устойчив в слабых растворах соляной и серной кислоты, растворяется в концентрированных кислотах. Механические свойства зависят от чистоты титана.

Применение: самолето- и ракетостроение; судостроение; добавка в сплав; изготовление титановых белил; легирующий компонент в сплавах.

Более 80 минералов титана. Наибольшее промышленное значение имеют рутил TiO₂, ильменит, перовскит. Титановые руды обогащают, получая концентраты. В ходе пераработки из титановых концентратов получают 3 вида продуктов:

1) жидкий бесцветный тетрахлорид титана TiCl₄;

2 ) оксид титана;

3) ферротитан – сплав титана, алюминия, кремния, железа.

При переработке ильменитовых концентратов основными операциями являются:

1) восстановительная плавка концентратов в дуговых печах для отделения железа и получения титанового шлака;

2) хлорирование титановых шлаков и получение тетрахлорида в шахтных печах и хлораторах;

3) очистка тетрахлорида от примесей с помощью фильтрации;

4) получение металлического титана в виде губки магниетермическим способом. В этом случае титан восстанавливают с помощью магния. Проводится в металлической реторте в атмосфере аргона при температуре 800-900 ⁰С. Получаемый магний в виде губки собирается на дне реторты. За 35-55 часов получают 1 – 4 т титана. Полученную губку дробят и упаковывают в барабаны;

5) получение слитков титана в электродуговых печах;

6) иодидное рафинирование титана реакторах.

Перспективной является электрошлаковая плавка титана при температуре 1900 – 2000 ⁰С.

1-реторта; 2 – крышка; 3 – электронагреватель;4 – воздухопровод; 5 – термощуп; 6 – устройство для слива хлорида магния; 7 - решетка

Аппарат для магниетермического восстановления титана

Тема 1.5 Производство тяжелых цветных металлов

§ 1 Краткая характеристика тяжелых цветных металлов

Тяжелые металлы - это металлы с плотностью ρ > 5 г / см³: медь Cu, никель Ni, свинец Pb, цинк Zn, олово Sn, висмут Bi, мышьяк As, сурьма Sb, кадмий Cd, ртуть Hg, кобальт Co. Производство и потребление этих металлов постоянно растет.

В первой половине прошлого века медь занимала среди цветных металлов первое место по масштабам мирового производства. Теперь она уступает в этом алюминию, но все еще остается дефицитным металлом, требующим заменителей. Медь имеет высокую электропроводность и теплопровод­ность. В этом она уступает только серебру. Пластичность позволяет легко обрабатывать ее прокаткой, штамповкой и во­лочением. С развитием электротехники этот металл стал основным материалом для проводов, шин, контактов и токопроводящих деталей. Высокая теплопроводность позволяет применять медь в раз­личных устройствах, проводящих тепло. В химической промыш­ленности из нее делают змеевики для нагревания и охлаждения растворов, варочные котлы, трубопроводы, радиаторы автомо­билей и другие теплопроводящие устройства. Из медных сплавов большое значение имеют бронза и латунь. Для нужд машиностроения медь поступает главным образом в виде полуфабрикатов: полос, листов, прутков, проволоки и др.

Никель в сравнении с другими тяжелыми цветными металлами наиболее прочен, тверд, тугоплавок и стоек против коррозии, ферромагнитен. Чис­тый металл пластичен и легко обрабатывается. В виде листов, труб, проволоки и порошки его расходуют на детали аппаратуры и приборов. Первый металлический никель был получен в Швеции Клапротом в 1751 г., а производство его для продажи началось только в 1825 г. Никель сравнительно дорог, и потребление его в чистом ви­де невелико. Для защиты от коррозии и декоративных целей тонким слоем никеля покрывают изделия железа, алюминия, магния, цинка — никелируют. Никель требуется также в производстве щелочных аккуму­ляторов и катализаторов. Более половины всего никеля идет в сплавы с железом — хромоникелевые, нержавеющие и кислотоупорные стали, необходимые в химической промышленности, станко­строении, машиностроении.

Кобальт в основном получают попутно с никелем из никелевых руд. Он почти в 3 раза дороже никеля, имеет особое применение в технике. Добавка кобальта повышает жаростойкость и жаропрочность сталей, улучшает качества быстрорежущих сталей. Из сплавов кобальта делают постоянные магниты. Кобальт применяется также в виде солей и окислов в составе ка­тализаторов для ряда органических синтезов, для ускорения сушки лаков и масляных красок (сиккативы).

Свинец известен с древних времен — не менее 2000 лет до н.э. Из него делали монеты, украшения, сосуды, водопровод­ные грубы, метательные снаряды для пращей и катапульт, с изобретением пороха — картечь, пули и дробь. Из него изготавливают покрытие химической аппаратуры для защиты ее от коррозии, оболочки кабелей, предназначенных для долговременной работы под землей, в воде или во влажной атмосфере, свинцовые для за­жигания двигателей внутреннего сгорания, в атомной технике для защиты от γ-лучей. Сплавы свинца – баббиты - легкоплавки, их заливают в жидком виде во вкладыши под­шипников или наносят слоем на стальную ленту. В сплавах для пайки свинцом частично заме­няется более дорогое и дефицитное олово.

Висмут получают преимущественно из отходов производ­ства свинца и меди. Благодаря легкоплавкости, высокой температуре кипения, до­статочной теплопроводности, малой спо­собности захватывать тепловые нейтроны, металл применяют в качестве теплоносителя в атомных реакторах. Он дает весьма легкоплавкие сплавы.

Цинк извлекали в Индии и Китае еще в V в; однако промышленное производство его в Европе возникло лишь в XVIII столетии. Около половины цинка расходуют на покрытие же­леза для предохранения его от коррозии. Другая важная область потребления цинка — изготовление сплавов, в том числе латуней и нейзильбера. Сплавами на основе цинка частично заменяют бронзы и баббиты в подшипниках. В сравнении с другими цветными металлами цинк дешев, а ресурсы его в известных месторождениях достаточно велики.

Кадмий почти весь получают попутно с цинком, свинцом, медью. Из-за хорошей способности захватывать тепловые ней­троны из него делают стержни атомных реакторов, щелочные аккумуляторы, декоративные противокоррозионные покрытия, антифрикционные сплавы. Кадмий служит основой подшипниковых сплавов, работаю­щих при больших нагрузках в авиационных, автомобильных и судовых двигателях; входит также в состав баббитов.

Олово — один из древнейших металлов, ценно противокоррозионной стойкостью, легко­плавкостью и способностью образовывать сплавы со многими металлами. Олово входит в состав баббитов, используется для лужения и пайки.