Buretele de titan (sau burete de titan) este principalul produs tehnic al producției industriale de titan prin metoda magneziului sau sodiu-termic folosind procesul Kroll . Separarea titanului elementar de minereu ( ilmenit sau rutil ) are loc într-o atmosferă inertă de argon prin reacția de reducere a clorurii de titan TiCl 4 - magneziu sau sodiu la temperaturi ridicate în dispozitive speciale de tip reactor . Forma poroasă (spongioasă) a titanului apare ca prim rezultat al prelucrării. După ce a fost scos din reactor, buretele este supus distilarii în vid pentru a îndepărta impuritățile ( MgCl2 , precum și excesul de Mg) și a se transforma într-un semifabricat de titan.
Depozitarea pe termen lung a unui burete de titan este costisitoare și periculoasă: metalul este activ chimic, materialul poros se oxidează și se poate aprinde ca urmare a auto-încălzirii. Dacă este necesar, buretele de titan este depozitat timp de trei ani într-un mediu inert ( argon sau heliu ).
În prima sută și jumătate de ani, proprietățile tehnice unice ale titanului au fost aproape necunoscute, drept urmare nu a găsit o aplicație practică largă în industrie sau în viața de zi cu zi. Descoperirea dioxidului de titan (TiO 2 ) a avut loc în anii 1790. Acționând aproape simultan și independent unul de celălalt, englezul William Gregor și chimistul german Martin Klaproth au ajuns la concluzia că a fost descoperit un nou element. William Gregor, analizând compoziția nisipului feruginos magnetic (Creed, Cornwall, England, 1791 ), a izolat un nou „pământ” ( oxid ) dintr-un metal necunoscut, pe care l-a numit „menaken”. În 1795, chimistul german Klaproth a descoperit un nou element în mineralul rutil și l-a numit titan.
Doi ani mai târziu, Klaproth a reușit să clarifice că rutilul și „pământul menaken” erau oxizi ai aceluiași element, pentru care a fost păstrat numele de „ titan ”. După 10 ani, descoperirea titanului s-a repetat pentru a treia oară: omul de știință francez Louis Vauquelin a descoperit titanul în anatază și a demonstrat că rutilul și anataza sunt oxizi de titan identici.
Astfel de coincidențe se datorează în primul rând faptului că titanul, în ciuda reputației complet nefondate de „metal rar” , este de fapt unul dintre cele mai comune elemente chimice din scoarța terestră . De fapt, doar trei metale - aluminiu , fier și magneziu - se găsesc în natură mai des decât titanul. Cantitatea de titan din scoarța terestră este de câteva ori mai mare decât rezervele de cupru , zinc , plumb , aur , argint , platină , crom , wolfram , mercur , molibden , bismut , antimoniu , nichel și staniu combinate . [unu]
Între timp, nimeni (nici Gregor, nici Klaproth) nu a reușit să obțină titan elementar din „pământul” pe care l-au descoperit. Pulberea cristalină albă pe care au izolat-o a fost dioxid de titan TiO2 . Abia în 1823, omul de știință englez William Wollaston a publicat un raport senzațional, conform căruia cristalele pe care le-a descoperit în zgura metalurgică a uzinei Merthyr Tydville nu sunt altceva decât titan pur. După alți 33 de ani, celebrul chimist german Friedrich Wöhler a reușit să demonstreze că aceste cristale erau din nou un compus de titan, de data aceasta carbonitrură , care avea un luciu asemănător metalului. [unu]
Timp de mulți ani s-a crezut că prioritatea izolării titanului metalic (în 1825) îi aparține venerabilului om de știință suedez Jens Jakob Berzelius , care a obținut mai întâi titanul prin reacția de reducere a fluorotitanat de potasiu cu sodiu metalic . Cu toate acestea, astăzi, comparând proprietățile cunoscute ale titanului și produsul istoric obținut de Berzelius, putem spune cu încredere că președintele Academiei Suedeze de Științe a greșit. Conform descrierii sale documentare, „titanul pur” pe care l-a izolat nu s-a dizolvat în acid fluorhidric , între timp, astăzi se știe că nu este cazul. [1] Spre deosebire de mulți alți acizi, titanul metal reacționează activ cu acidul fluorhidric.
De fapt, titanul elementar a fost obținut pentru prima dată în 1875 de către omul de știință rus Dmitri Kirilov . Rezultatele muncii desfășurate au fost publicate în cea mai cunoscută broșură a sa „Cercetare asupra titanului”. Cu toate acestea, moartea timpurie a omului de știință și modestia caracterului său au dus la faptul că opera sa a trecut neobservată. După alți 12 ani, un produs destul de pur - aproximativ 95% titan - a fost obținut de compatrioții lui Berzelius, celebrii chimiști L. Nilson și O. Peterson, care au redus tetraclorura de titan cu sodiu metalic într-o bombă ermetică din oțel. [unu]
În 1895, chimistul francez A. Moissan , reducând dioxidul de titan cu carbon într- un cuptor cu arc și supunând materialul rezultat la dublă rafinare, a obținut titan care conține doar 2% impurități, în principal carbon. În cele din urmă, în 1910, chimistul american M. Hunter, după ce a îmbunătățit metoda lui Nilsson și Peterson, a reușit să obțină câteva grame de titan cu o puritate de aproximativ 99%. De aceea, în majoritatea cărților prioritatea obținerii de titan metalic este atribuită lui Hunter, și nu lui Kirillov, Nilson sau Moissan. [1] Și abia în 1925, olandezii Anton van Arkel și Jan de Boer au dezvoltat o metodă termică adecvată din punct de vedere tehnologic pentru purificarea titanului prin descompunerea vaporilor de iodură de titan TiI 4 , care este și astăzi relevantă.
Între timp, toate problemele discutate erau într-un domeniu pur științific, nedepășind granițele problemelor pur profesionale ale chimiei fundamentale. Până în 1940, titanul nu a găsit aplicație industrială, în timp ce luxemburghezul G. Krollnu a brevetat o metodă simplă de magneziu-termic pentru reducerea metalului de titan din tetraclorură . Această metodă, care dezvoltă tradițiile aluminotermiei și se numește procesul Kroll, până în prezent rămâne unul dintre principalele în producția industrială de titan.
Datorită reactivității ridicate a titanului, metoda obișnuită de izolare a metalelor pure - prin reducerea cu carbon - s-a dovedit a fi nepotrivită din cauza formării de carbură de titan stabilă . [2] În plus, la temperaturi ridicate, metalul a reacționat activ cu oxigenul și azotul , formând nitrură și oxid. Doar de dragul de a depăși aceste obstacole , Guillaume Kroll a dezvoltat o modalitate relativ ieftină și avansată din punct de vedere tehnologic de a restaura titanul. [3] :vol III:208
Primul pas în producția industrială a titanului este sinteza tetraclorurii de titan. Pentru a face acest lucru, minereul sau concentratul este mai întâi transformat în dioxid de titan TiO2 , o pulbere albă, care este apoi supusă clorării. Cu toate acestea, chiar și la 800–1000°C , clorarea este lentă și instabilă. Apare într-un ritm suficient pentru scopuri practice în prezența carbonului (sub formă de cărbune), care leagă oxigenul și îl transformă, în principal, în CO . [4] :628
În condiții normale, tetraclorura de titan este un lichid cu un punct de fierbere de aproximativ 136 ° C. Este mai ușor să rupeți legătura chimică a titanului cu clorul decât cu oxigenul . Acest lucru se poate face cu magneziu sau, mai rar, cu sodiu . Reacția de reducere se realizează în reactoare din oțel , într-o atmosferă inertă la o temperatură de 900°C. Cel mai adesea, argonul tehnic acționează ca un mediu . În urma reacției, se formează așa-numitul burete de titan (sau burete de titan), impregnat cu clorură de magneziu și magneziu în exces. Excesul de Mg și MgCl2 s- a îndepărtat prin sublimare într-un aparat de vid sigilat la 950°-1000°C. Apoi, folosind un arc electric într-o atmosferă de argon sau heliu , titanul spongios este topit în lingouri, producând un metal maleabil compact. [3] :vol III:209
Tehnologia metodei sodio-termice de obținere a buretelui metalic de titan, în principiu, diferă puțin de metoda magnezio-termică. Aceste două metode au fost cele mai utilizate în industrie în a doua jumătate a secolului trecut, în funcție de condițiile locale și de disponibilitatea reactivilor. Recent, a devenit dominantă metoda magneziu-termică, care în general are reputația de a fi mai economică și mai convenabilă. La începutul secolului al XXI-lea, magneziul este considerat un agent reducător „indispensabil” în producția de burete de titan. [5]
Metoda iodurii , propusă în 1925 de van Arkel și de Boer , este încă folosită pentru a produce titan ultra-pur . Buretele de titan obținut prin metoda metalotermă este transformat în iodură (TiJ 4 ) , care este apoi sublimată în vid, plasând un fir de titan încălzit la 1400 ° C în calea vaporilor săi. În acest caz, iodura se descompune și un strat de titan pur crește pe fir. Această metodă de producere a titanului de înaltă puritate este ineficientă și costisitoare, așa că este folosită în industrie într-o măsură foarte limitată. [unu]
Lucrările experimentale privind producția de burete de titan, precum și alte produse, lingouri și produse din aliaje de titan, au început în URSS cu 5 ani mai târziu decât în SUA, în 1952-1953. S-a decis organizarea producției industriale în Zaporozhye și Verkhnyaya Salda din regiunea Sverdlovsk . Lanțul de legături a fost împărțit între republici. În Ucraina a fost sintetizat titanul spongios, care a fost transportat la Asociația de producție metalurgică Verkhnyaya Salda ( VSMPO ), unde până în 1957 a început dezvoltarea industrială și producția de lingouri de titan și apoi produse din aliaje de titan. Procesul de instalare a tehnologiei și de elaborare a ciclului de producție s-a dovedit a fi extrem de dificil, a trecut prin accidente, explozii și incendii, care au necesitat mobilizarea maximă a forțelor și atragerea energiei creative a angajaților. [6]
Până la sfârșitul anilor 1980, în URSS funcționa un lanț de titan care funcționa bine, care consta din 4 fabrici. Trei fabrici de titan-magneziu ( Zaporozhye , Ust-Kamenogorsk și Bereznikovsky ) au furnizat burete de titan, încărcând cu muncă capacitățile de producție în curs de dezvoltare intense ale VSMPO, care produceau produse laminate, produse și aliaje de titan.