Титан

ТИТА́Н (лат. Titanium, Ti) — хімічний елемент IV групи періодичної системи елементів, міцний і пластичний метал сріблясто-білого кольору. (Див. також Метали). Його атомний номер 22, атомна маса 47,867; температура плавлення 1668 °С, точка кипіння 3287 °С. Модифікації: α-Ti та β-Ti, густина яких відповідно 4,505 і 4,32 г/см³. Природний Т. представлений 5-ма стабільними ізотопами: ⁴⁶Ті (7,99 %), ⁴⁷Ti (7,32 %), ⁴⁸Ti (73,98 %), ⁴⁹Ti (5,46 %), ⁵⁰Ti (5,25 %). Т., а також титану сплави, мають низку фізико-хімічних властивостей, важливих для виробництва техніки, що працює в екстремальних умовах, — високу питому міцність (відношення міцності до густини), високу корозійну стійкість у багатьох агресивних середовищах, низьку густину, високу біологічну сумісність, здатність до оброблення тиском та ін. Як легкий, міцний і корозійностійкий конструкційний матеріал Т. і його сплави застосовують в аерокосмічній промисловості, суднобудуванні, хімічному й енергетичному машинобудуванні, чорній, кольоровій металургії, харчовій, медичній промисловості, військовій техніці та ін. У металевому вигляді Т. в природі не трапляється, знаходиться у вигляді піску або руди: в рутилі, ільменіті, аризоніті, лейкоксені, перовськіті та ін. мінералах (понад 100) і в морських глинистих відкладах. Т. за поширеністю в природі серед металів займає 4-е місце (після алюмінію, заліза та магнію). Найбільші в Європі поклади титанових руд є в Коростенському р-ні Житомирської обл. (Іршанський титанорудний район), поблизу м. Вільногірськ Кам’янського р-ну Дніпропетровської обл., у верхів’ях р. Самоткань (притока Дніпра). Для перероблення титанової сировини були введені в експлуатацію підприємства «Кримський титан», «Сумихімпром», Запорізький титаномагнієвий комбінат та ін. Українські титанові руди представлені переважно ільменітом (FeTiO₃) і рутилом (ТіО₂).

Т. у мінералі рутил відкрили наприкінці 18 ст. незалежно один від одного дослідники В. Ґреґор (Велика Британія) та М.-Г. Клапрот (Німеччина). Однак деякі науковці вважають, що описаний ними осад, — це тільки окис металу, а перший зразок металевого Т. вдалося виділити з оксиду 1825 хіміку Й.-Я. Берцеліусу (Швеція). Але його спосіб був складним, а сам Т. виявився настільки хімічно активним, що визначити його металеві властивості йому не вдалося. 1925 нідерландські дослідники А. ван Аркел та І. де Бур отримали вільний від домішок Т., застосовуючи здатність Т. утворювати сполуки з йодом (див. Титанові сполуки). Неочищений Т. вміщують у реторту та нагрівають до 100–250 °С; в середину реторти вводять і розбивають ампулу з йодом, унаслідок чого відбувається реакція Ti + 2I2→TiI₄. Розкладання парів йодиду титану і виділення Т. відбувається на титанових дротах, натягнутих в реторті, нагрітих до 1300–1400 °С пропусканням струму. Цей дорогий спосіб нині застосовують для виробництва відносно невеликої кількості Т. високої чистоти (до 99,99). Промисловий спосіб виробництва Т. розроблений 1938 люксембурзьким металургом і хіміком В.-Дж. Кроллем. Він полягає в утворенні тетрахлориду Т. TiCl₄ при нагріванні діоксиду титану з хлором і вуглецем та подальшому відновленні TiCl₄ магнієм. Цей спосіб і досі залишається основним способом виробництва титанової губки. Промислове виробництво Т. складається з декількох етапів. Концентрат титанової руди плавлять в суміші з вугіллям в електродуговій печі при температурі 1650–1800 °C з отриманням заліза і діоксиду титану: FeTiO₃+C→Fe+TiO₂+CO. Потім за температури 750–1000 °C оксид титану під дією вуглецевого відновлювача та хлору переводять у тетрахлорид: TiO₂+2C+2Cl₂→TiCl₄+2CO. На наступному етапі тетрахлорид Т. відновлюють розплавленим магнієм до металевого Т. при 800–900 °C під захисною атмосферою аргону: TiCl₄+2Mg→Ti+2MgCl₂. Отриману пористу титанову губку переплавляють переважно у вакуумно-дугових печах. Технології перероблення губчатого Т., способи виробництва зливків Т. розробляли десятки інститутів і лабораторій у США, Великій Британії, Франції, СРСР та ін.

Дослідження і розроблення інноваційних технологій металургії і зварювання Т. були розпочаті 1950 в Інституті електрозварювання АН УРСР (ІЕЗ, Київ) під керівництвом Б. Патона. У 1950-х рр. вперше в світі розроблено технологію зварювання Т. під галогенідними флюсами (С. Гуревич та ін.). 1960 розроблено технологію та обладнання для електронно-променевих технологій зварювання, плавлення і випаровування Т. (Б. Мовчан, О. Назаренко та ін.). Ці технології забезпечують видалення сторонніх домішок і розчинених газів, дозволяють отримувати зливки Т. та його сплавів з однорідною бездефектною структурою. 1961 в ІЕЗ була виготовлена перша експериментальна електронно-променева установка, призначена для переплаву металів. 1965 на Донецькому хіміко-металургійному заводі (м. Волноваха) впроваджено першу промислову установку для отримання рафінованих злитків Т., ніобію і танталу. 1969 фахівці ІЕЗ впровадили установку для отримання зливків сплавів Т. на металургійному заводі «Електросталь» (м. Електросталь, РФ). На Запорізькому титаномагнієвому комбінаті було створено плазмово-дугову піч, в якій виплавляли з відходів губчастого Т зливки циліндричної або плоскої форми. Було розроблено піч і технологію виплавлення титанових зливків безпосередньо з кускової шихти (губчастого Т.), минаючи операцію пресування заготовок (див. Плазмова металургія). Науковою основою створення в Києві вперше в світі найефективніших технологій отримання злитків Т. і його сплавів, зокрема з первинної шихти і з вторинних відходів, були знання, накопичені в процесі розроблення нових зварювальних технологій і процесів спеціальної електрометалургії. 1975 в ІЕЗ організовано відділ плазмово-шлакової металургії (керівник — Ю. Латаш), в якому розроблено технологічні процеси виплавлення зливків Т. у плазмово-дугових електропечах із застосуванням однієї або декількох дуг, стислих потоками аргону в плазмотронах. 1989 вперше в світі в ІЕЗ було розроблено технологію електронно-променевого плавлення Т. і сплавів на його основі з проміжною ємністю. Плавлення здійснюють у вакуумі 0,1–0,01 Па, процес дозволяє використовувати як вихідну шихту до 100 % брухту і губчастий Т. зниженої якості без його попереднього пресування у витратний електрод, забезпечує зниження собівартості і трудомісткості виготовлення зливків Т. з первинної сировини, очищення від шкідливих домішок і неметалевих включень, виключає додаткове забруднення Т., знижує втрати металу на 30–40 % і забезпечує підвищення техніко-економічних показників процесу на 20 %. 1996 у складі Міжгалузеві науково-технічного комплексу «ІЕЗ» створено науково-виробничий центр «Титан», здатний виробляти до 3000 т титанових сплавів на рік методом електронно-променевого плавлення. 2006 там вперше у світовій практиці з неподрібнених блоків губчастого Т. було отримано злиток діаметром 1100 мм, довжиною до 4000 мм, масою 16 т (М. Тригуб, С. Ахонін та ін.). В ІЕЗ розроблено технологію виготовлення великогабаритних титанових труб і кілець безпосередньо з литих трубних заготовок, яку впровадили на Нікопольському південно-трубному заводі. Були створені наукові засади нового напряму у зварюванні і виплавленні титанових сплавів із застосуванням магнітокерованих електрошлакових процесів. Поєднання магнітокерованої гідродинаміки шлакової й металевої ванн з рафінуванням наплавленого металу від шкідливих домішок і включень забезпечило виробництво складнолегованих сплавів Т. із високою хімічною і структурною однорідністю (Я. Компан, І. Протоковілов).

Від 1956 веде свою історію Титану Інститут (Запоріжжя), що 1965 став головним з виробництва Т. в СРСР. У ньому зосередили всі основні наукові дослідження, проєктно-конструкторські роботи, техніко-економічні та проєктні роботи з виробництва Т. та магнію, йому надано статусу генпроєктувальника усіх титано-магнієвих підприємств країни. За минулий період Інститутом титану спільно з іншими галузевими науковими та академічними організаціями, підприємствами створено і модернізовано всі основні технологічні процеси й агрегати для виробництва Т., серед них — потужні руднотермічні печі закритого типу для виплавляння титанових шлаків, високоефективні хлоратори для їхнього хлорування. Розроблено нові способи глибокого очищення тетрахлориду Т., технологію відновлення та вакуумної сепарації в нових напівсуміщених апаратах для одержання губчастого Т. Виконано великий комплекс робіт з підвищення якості титанової губки. У 1960–70-х рр. в Інституті титану розроблено теоретичні основи виробництва Т. методом електролітичного рафінування, вперше були створені та освоєні дослідно-промислові електролізери для виробництва титанових порошків, розроблено технологію одержання виробів з них, що відповідали високим вимогам спецгалузей — їхніх споживачів. Серед визначних фахівців Інституту титану — Л. Антипін, М. Галицький, В. Дев’яткін, М. Загорський, А. Петрунько, В. Родякін, С. Денисов, В. Старшенко, А. Андреєв, В. Мальшин. Нині там розробляють технології отримання титанових шлаків, тетрахлориду Т., губчастого Т., глибокого очищення тетрахлориду Т., титанових порошків і виробів з них, гідриду Т., використання спечених титанових виробів у різних галузях народного господарства, вакуумної сепарації реакційної маси, легування та рафінування титанових порошків, перероблення лому Т. та титанових сплавів, створюють установки для магнієтермічного відновлення губчастого Т. Значний внесок у розвиток титанових технологій зробили науковці Інституту проблем матеріалознавства НАНУ (Г. Баглюк, В. Єременко), Інституту металофізики НАНУ (Г. Базелюк, О. Івасишин, П. Марковський, С. Ошкадьоров; обидва — Київ), Національного університету «Запорізька політехніка» (О. Овчинников), дніпровські фахівці (Н. Калініна, Ю. Олесов, В. Остренко) та ін.

Розмір шрифту

Титан

Рекомендована література

Інформація про статтю