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 Камʼянського р-ну Дні­пропетровської обл., у верхівʼях 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. Девʼяткін, 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.

Завантажити статтю