Свойства титана и его соединений (стр. 2 из 5)

Прежде чем рассматривать возможные схемы получения чистого металла, следует остановиться на технологии получения титана вообще. Высокая активность этого металла и резкое снижение его свойств при небольшом повышении содержания примесей – это те качества, наличие которых обусловливает применение особых технологических приемов в процессе его производства. Первая стадия производства титана заключается в рудно-восстановительной плавке, которая проводится с целью обогащения исходного материала окисными соединениями титана. Во всех последующих стадиях производства взаимодействие титана и его соединений с кислородом нежелательно.

Титан растворяет такие элементы, как азот, водород и углерод. С последним он образует стойкие карбиды, а в присутствии кислорода – оксикарбиды. Все эти примеси снижают пластичность металла и делают его непригодным к употреблению в качестве конструкционного материала. При высоких температурах титан может реагировать с CO, CO₂,H₂O и даже с такими прочными соединениями, как SiO₂, Al₂O₃, и MgO. Поэтому получение титана и его плавка должны осуществляться или в среде инертного газа, или в вакууме. Реактор для получения титана не может быть футерован обычными футеровочными материалами. В случае осуществления процесса получения титана в металлическом реакторе появляются трудности, связанные со способностью титана сплавляться с большинством металлов. Температура плавления титана составляет около 1660˚С, но при сплавлении с железом, никелем, медью и некоторыми другими металлами он образует эвтектический сплав с температурой плавления около 1000˚С и даже несколько ниже. Следовательно, необходим такой процесс, при котором образующийся титан быстро охлаждается и, следовательно, предотвращается процесс его взаимодействия с материалом реактора.

При любом способе получения титана должны быть учтены его указанные выше свойства. В результате этого производство титана всегда будет носить специфический характер и будет более сложно, чем, например, производство таких металлов, как алюминий или магний.

Восстановление двуокиси титана углем. При взаимодействии двуокиси титана с углеродом можно предположить протекание следующих реакций:

Термодинамические расчеты показывают, что прежде всего будут протекать реакции карбидообразования. Процесс карбидообразования протекает через образование ряда промежуточных окислов, которые в свою очередь образуют непрерывный ряд твердых растворов с карбидом титана. Повышение температуры или понижение давления сдвигает равновесие системы в сторону замещения кислорода углеродом. При давлении ниже 10 мм рт. ст. и при температуре выше 1300˚С достигается полное обескислороживание твердого раствора и наблюдается выделение металлического титана вследствие реакции:

Восстановление двуокиси титана водородом. Процесс взаимодействия двуокиси титана с молекулярным водородом протекает до образования низших окислов.

При температуре 1050˚С двуокись титана восстанавливается водородом до Ti₃O₅ по реакции:

Выше этой температуры образуется смесь окислов Ti₃O₅ и Ti₂O₃.

Восстановление двуокиси титана кремнием, натрием, магнием и кальцием. Наиболее сильным восстановителем является кальций. Окись кальция легко растворяется в разбавленных минеральных и органических кислотах и поэтому может быть сравнительно легко удалена после процесса восстановления. Также восстановление двуокиси титана может проводиться гидридом кальция, алюминием и с помощью электролиза.

Получение титана из его фтористых солей, карбидов и нитридов. Двуокись титан, а также титановые руды могут быть переработаны в любые другие соединения титана, например в хлориды, фториды, сульфиды, нитриды, карбиды и др. Чистый металл из этих соединений может быть получен восстановлением, электролизом или комбинированным способом.

Для электролиза из фтористых соединений наиболее приемлемым является гексафтортитанат калия (K₂TiF₄). Он сравнительно легко получается, имеет хорошую электропроводность и низкое давление пара, стоек на воздухе. Электролиз может быть осуществлен в среде расплавленных солей под защитой инертного газа. При этом можно получить сравнительно чистый металл, содержащий 99,9% титана. Сложность аппаратурного оформления и высокая стоимость сырья являются существенными недостатками этого способа, препятствующими его развитию.

Использование карбидов и нитридов титана для получения чистого металла так же, как и смесей, содержащих металлический титан, связано с применением электрорафинирования. Это двухстадийный способ, отличающийся тем, что в качестве исходного сырья для первичной стадии процесса восстановления могут быть использованы титаносодержащие шлаки или даже концентраты руд. В качестве восстановителя используют уголь, алюминий, магний, кальций и другие элементы и соединения. В зависимости от вида восстановителя и условий протекания процесса получают металлический титан, низшие оксиды, карбид, нитрид, оксикарбид или оксикарбонитрид титана в смеси с другими соединениями и элементами.[7,c.11]

Магнийтермический способ получения титана. Для получения титана также применяется магний, при этом в качестве побочного продукта получается хлористый магний, являющийся сырьем для производства магния. Вместе с тем при производстве магния побочным продуктом является хлор, который необходим для получения четыреххлористого титана, поэтому производство магния и титана обычно совмещают на одном заводе.

Титан выпускают в виде губки или слитков, которые затем на других заводах перерабатывают на лист, профили, трубы, поковки и другие полуфабрикаты. Технологическая схема получения титана состоит из шести основных переделов.[7,c.29]

При промышленном получении титана руду или концентрат переводят в диоксид титана TiO₂, который затем подвергают хлорированию. Однако даже при 800-1000˚С хлорирование протекает медленно. С достаточной для практических целей скоростью оно протекает в присутствии углерода, связывающего кислород в основном в СО:

TiO₂ + 2Cl₂ + 2C = TiCl₄ + 2CO

Получающийся хлорид титана(IV) восстанавливают магнием:

TiCl₄ + 2Mg = Ti + 2MgCl₂

а образующуюся смесь подвергают нагреванию в вакууме. При этом магний и его хлорид испаряются и осаждаются в конденсаторе. Остаток – губчатый титан – переплавляют, получая компактный ковкий металл.

Примеси кислорода, азота, углерода резко ухудшают механические свойства титана, а при большом содержании превращают его в хрупкий материал, непригодный для практического использования. Поскольку при высоких температурах титан реагирует с названными неметаллами, его восстановление проводят в герметичной аппаратуре в атмосфере аргона, а очистку и переплавку – в высоком вакууме.[1,c.648]

Для получения небольших количеств титана высокой чистоты применяют иодидный метод.

Иодидный метод относится к термическому разложению. Исходный металл в виде порошка нагревается до 100-200˚С с небольшим количеством иода в герметическом аппарате. В аппарате натянуты титановые нити, нагреваемые электрическим током до 1300-1500˚С. Титан (но не примеси) образует с иодом летучий иодид TiI₄, который разлагается на раскаленных нитях. Выделяющийся чистый титан осаждается на них, а иод образует с исходным металлом новые порции иодида; процесс идет непрерывно до переноса всего металла на титановые нити:

4. Физические и химические свойства

Титан – металл, элемент IV группы периодической системы Д.И. Менделеева. Порядковый номер 22. Атомная масса 47,88. Изотопы: 48 (основной), 46, 47, 49, 50. Плотность 4,5 г/см³. Существует в двух полиморфных модификациях: ά-Ti – при температурах ниже 882˚С, β-Ti - выше 882˚C. При переходе ά→β изменение объема составляет +5,5%, тепловой коэффициент перехода 0,38 ккал/г-атом. Температура плавления титана 1665+5˚С. Температура кипения 3572˚С. Давление паров при 1200-2000 К:

Прочность на разрыв чистого (иодидного) титана составляет примерно 20 кГ/мм², товарного титана 30-40 кГ/мм², прочность конструкционных сплавов на основе титана равна обычно 100-120 кГ/мм², в отдельных же случаях достигает 140 кГ/мм² и выше.

Все элементы периодической системы по отношению к титану по их химическому воздействию можно разделить на четыре группы:

1. Элементы, не взаимодействующие с титаном: Li, Na, K, Rb, Cs, Fr, Mg. Ca, Sr, Ba, Ra и инертные газы.

2. Элементы, образующие с титаном химические соединения с ковалентной связью, не имеющие или имеющие малую растворимость в титане: H, F, Cl, Br, I, At, O, S, Se, Te, Po.

3. Элементы образующие с титаном соединения с металлическим характером связи (металлические соединения) и ограниченные твердые растворы: Cu, Ag, Zn, Cd, Hg, Be, Ga, In, Tl, B, Al, Th, C, Si, Ge, Sn, Pb, N, P, As, Sb, Bi, Mn, Te, Re, Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir.

4. Элементы, образующие с титаном β-модификации непрерывных твердых растворов: Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, Sc, W.

Таким образом, титан так или иначе взаимодействует с с большинством элементов. Это, с одной стороны, создает значительные трудности при получении чистого титана и его сплавов, а , с другой стороны, дает возможность получать большое количество разнообразных по составу и свойствам сплавов.[7,c.5]