Burete de titan

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 ).

Istoria obținerii titanului

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.

Chimie și tehnologie de proces

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]

Producția industrială

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.

Note

  1. 1 2 3 4 5 6 Ya. D. Rozentsweig, S. I. Venetsky . "Titan". - M .: „Chimie și viață”, nr. 10, 1966
  2. Titanul este un metal destul de activ (în acest sens este asemănător cu aluminiul ); potențialul standard de electrod al sistemului Ti/Ti 2+ este de -1,63 V. Cu toate acestea, datorită formării unei pelicule protectoare dense (în principal de oxid) pe suprafața metalului, titanul are o rezistență la coroziune excepțional de mare, depășind-o pe cea a oțelului inoxidabil.
  3. 1 2 Cotton F. , Wilkinson J. Modern anorganic chemistry (în trei volume), partea 3 (tradusă din engleză: Ivanova E.K., Prokhorova G.V., Churanov S.S. Ed.: Astakhov K.V.) - M .: Mir, 1969
  4. N. L. Glinka . General Chemistry: Textbook for High Schools (editat de V.A. Rabinovich , ediția a XVI-a, corectată și completată). - Leningrad: Chimie, 1973 - 720 pagini.
  5. Lazar Rokhlin . concurent din aluminiu. - M .: „Metalele Eurasiei”, nr. 6 din 1 noiembrie 2003.
  6. Vladimir Konstantinov . Flux de titan în mâini ferme. — VSMPO-Avisma Corporation: 15 martie Arhivat 21 iulie 2019 la Wayback Machine 2006

Literatură

Vezi și

Link -uri