Полезные ископаемые

Все перечисленные сырьевые источники содержат титан в форме TiO2. Прямое восстановление диоксида титана сопряжено со значительными трудностями. Причиной является высокая реакционная активность титана при повышенных температурах, особенно по отношению к кислороду, азоту и углероду. Реакции взаимодействия титана с этими элементами, а также с оксидами углерода и парами воды протекают с большой убылью энергии Гиббса. Поэтому даже ничтожно малые количества этих веществ ведут к образованию оксидов, карбидов и нитридов титана. Кроме того, кислород и азот способны растворяться в титане.

Следовательно, на всех стадиях производства титана необходимо исключать его контакт с активными по отношению к титану веществами. На практике это достигается полной герметизацией металлургической аппаратуры и созданием в ней нейтральной атмосферы (аргон, гелий) или вакуума. Кроме того, обязательным условием является высокая чистота как исходных соединений титана, так и применяемых при его производстве реагентов.

В настоящее время подавляющую часть металлического титана производят путем восстановления его тетрахлоридамагнием или натрием.

В небольших количествах его получают восстановлением оксида титана кальцием или гидридом кальция.

Принципиальная схема наиболее распространенной технологии получения титана из ильменитовых концентратов приведена на рис. 169. В голове технологической схемы проводят пирометаллургическую подготовку исходного сырья восстановительной плавкой на титановый шлак. Целью плавки является избирательное восстановление оксидов железа до чугуна и максимальный перевод титана в шлак.

Восстановительную плавку ильменитовых концентратов проводят в электрических печах. Основной процесс плавки описывается в общем виде уравнением

FеTiO3 + С = Fе+ TiO2+СО.

 

         Плавку стараются вести с минимальной добавкой флюсов или совсем без них, чтобы не снизить содержание TiO2 в шлаках ниже 82— 
87%. Высокая температура плавления (выше 1500°С) и значительная 
вязкость титановых шлаков обусловливают применение высокотемпературных электропечей.

В качестве восстановителя при плавке используют кокс или антрацит. Шлак и чугун периодически сливают через летку в общую изложницу. После расслаивания и затвердевания чугун и шлак механически разделяют и направляют на самостоятельную переработку. Извлечение титана в шлак составляет 96—96,5 %.

В небольших количествах для нужд черной металлургии из ильменитовых концентратов алюмотермическимспособом получают ферроти-тан состава, %: Тi 25—30; Аl 5—8; Si 3—4, остальное Fе.

Технология получения металлического титана слагается из двух основных стадий. Вначале хлорированием исходных материалов газообразным хлором получают тетрахлорид титана по реакции

ТiO2 +2С12 + 2С =TiCl4 + 2СО.

Затем после очистки технического тетрахлорида от примесей его подвергают магниетермическому восстановлению до металлического титана:

TiCl4газ + 2Мgж = Тiтв + 2МgС!2ж + 519 кДж.

Поскольку титан восстанавливают магнием при 750—850°С, т.е. значительно ниже температуры его плавления, металл получается в виде спеченных кристаллов — губки. Титановая губка является готовой продукцией титано-магниевых комбинатов. Слитки компактного титана получают на металлообрабатывающих предприятиях.

Весьма перспективен для переработки титановых отходов — брака губки и вторичного сырья — электролитический способ. В этом процессе анодом служат мелкие материалы из металлического титана, помещенные в стальную корзину. Катодный осадок в виде удлиненных (до 20 мм) кристаллов осаждается на стальных основах, после чего его срезают, дробят в щековых дробилках и измельчают в мельницах с титановыми стержнями. Катодный осадок имеет чистоту стандартной губки. Процесс электролиза ведут в электролите (расплав хлоридов калия и натрия, в котором растворены низшие хлориды титана) в герметичных электролизерах в среде аргона. Идея метода уже используется в промышленной практике при электролитическом рафинировании титана.

Титановые сплавы, в зависимости от технологических свойств подразделяются на деформируемые и литейные.

Титановые деформируемые сплавы, в соответствии с ГОСТ 19807 - 91, обозначаются условно буквами - ВТ ицифрами, указывающими номер сплава.

По прочности сплавы подразделяются на три группы: низкой - σв (300 -700) МПа, средней - σв (700 - 1000) МПа, ивысокой - σв больше 1000 МПа прочности.

К первой группе относятся сплавы марки ВТ1, ко второй - ВТЗ, ВТ4, ВТ5, к третьей - ВТ6, ВТ14, ВТ15 (после закалки и старения).

Титановые литейные сплавы, в соответствии с ГОСТ 19814 - 91 обозначаются буквами ВТ и цифрами,указывающими номер сплава. Буква Л в конце марки означает, что сплав литейный.

Для литья применяют сплавы, аналогичные по составу деформируемым сплавам ( ВТ5Л, ВТ14Л ), а также специальные литейные сплавы, но они имеют более низкие механические свойства, чем соответствующие деформируемые.

Технический титан и сплавы на его основе широко применяются в авиационной и ракетной технике, в химической промышленности, судостроении. Особенно выгодно использовать титановые сплавы для изделий, работающих при температурах (300 - 600) °С, когда алюминиевые и магниевые сплавы, не могут применяться в связи с их низкой прочностью, а стали не целесообразно использовать вследствие большого удельного веса.

Область   применения   некоторых   титановых   сплавов   приведена в таблице 27.

 

 

Таблица 27 - Назначение титановых сплавов

 

 

Марка	Примерное назначение
ВТ1 ВТ 2	Листы, штамповки, поковки и трубы, работающие при температурах не выше 350° С
ВТЗ	Поковки, штамповки, прутки и плиты, работающие при температурах не выше 350° С
ВТ 4	Листы, ленты, полосы повышенной коррозионной устойчивости. Рабочая температура -  до 400° С
ВТ 5	Листы, поковки, трубы, проволока. Рабочая температура- до 400° С
ВТ 6	Поковки, штамповки, прутки и плиты, работающие при температурах до_(400 - 450)° С
ВТ 8	То же. Рабочая температура - до 500° С
ВТ 10	Листы, прутки, трубы, поковки. Рабочая температура - до 500° С

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.7. Способы обработки  металлов (прокат, прессование, волочение)

 

 

Прокатке подвергается около 75 % выплавленной стали. Прокатка (рис. 4.9) бывает продольной а, поперечной б,поперечно винтовой в. Слитки сначала поступают на мощные обжимные станы продольной прокатки: квадратные — наблюминги (дли получения блюмов балок квадратного сечения со скругленными углами со стороной от 450 мм до 150 мм), прямоугольные - ни слябинги для получения слябов — прямоугольных заготовок для листового проката. Далее слябы поступают на листовые станы продольной прокатки, имеющие гладкие валки (рис. 4.10, а).

 

  Листовая сталь производится как в виде отдельных листов, так, и в виде свернутого в рулон листового материала(широкого рулона) и ленты (узкого рулонного материала), оба служат заготовкой при листовой штамповке и др.

I Толщина тонколистовой стали 4-0,2 мм, > 0,2 мм — фолъга. Холоднокатаная сталь толщиной 5-0,2 мм имеет чистуюповерхность. Блюмы поступают на заготовочные станы, производящие заготовку — квадрат со скругленными углами, который, попадая на сортовые станы, превращается сортовой горячекатаный прокат (рис. 4.11). Станы, участвующие в прокатке сорта имеют вырезные валки (см. рис. 4.10), образующие калибры открытого или закрытого типа и выполняют продольную прокатку.

Периодический про- ] кат имеет переменную по длине площадь попереч- 1 ного сечения и служит заготовкой в массовом и крупносерийном производствах. Специальный прокат, также предназначен для изготовления деталей сложного профиля,например, колеса железнодорожного транспорта. Для получения бесшовных труб прокаткой цилиндрические слиткипоступают на прошивные станы поперечно-винтовой (косой) прокатки (рис. 4.12, а), где в заготовке 3 при обжатии ее в валках 1 вскрывается полость, колибруемая пробкой (оправкой) 4; 2 — поддерживающие валки. В результате получаетсябесшовная гильза, которая затем на трубопрокатном стане многократной последователь ной продольной прокаткой в валках с колибрами постоянного сечения б или методом возвратно-поступательного движения в обжимных валках переменного сечения в (б, в: 1 — валки; 2 — оправка).

При производстве сварных труб сначала из полосы гибкой в нескольких парах валков получают заготовку (рис. 4.13, а), соединенные кромки которой сваривают различными видами электрической или печной (кузнечной) сваркой, в последнем случае нагретая заготовка протягивается через фильеру, благодаря чему кромки сдавливаются и свариваются в пластическом состоянии. Заготовка для труб большого диаметра сворачивается в спираль и сваривается спиральным швом (рис. 4.13, б).У сварных труб материал в зонах термического влияния, примыкающих к сварному шву, имеет пониженные свойства.

Разнообразные профили из цветных металлов и сплавов получают прессованием (рис. 4.14, а), при котором нагретый слиток 5, помещенный в контейнер 1, продавливается пуансоном 3 через матрицу 2 на мощном горизонтальном гидравлическом прессе; поскольку пример относится к прессованию трубы 6, то пуансон несет иглу 4 для оформления отверстия. Точность и шероховатость поверхности прессованных профилей могут быть улучшены волочением.

При вблочении (рис. 4.15) заготовка 1 протаскивается через фильеру 2 в холодном состоянии, приобретая гладкую поверхность (На = 1,6 мкм) и высокую точность поперечного размера (точность круглого калиброванного волочением проката находится в преде-,пмх 8-13 квалитета). Калиброванные (холоднотянутые) прутки и трубы служат заготовкой при точной штамповке и при изготовлении деталей резанием на токарных автоматах.

Волочение является исключительным методом для производства очень тонкой проволоки. Проволоку получают на барабанных иолочильных станах непрерывного действия, профили— на станах периодического действия. При волочении твердость и предел текучести материала увеличиваются за счет наклепа (упрочнения).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.1. Металлургия  меди

 

 

Медь совместно с никелем, свинцом, цинком и оловом образует группу основных тяжелых цветных металлов.

В периодической системе элементов Д.И.Менделеева медь Сu расположена в I группе 4-го периода, порядковый номер ее 29, атомная масса 63,546. Как элемент первой группы медь одновалентна. В этом состоянии она наиболее широко представлена в рудных минералах, штейнах, шлаках и других продуктах пирометаллургии. В продуктах их окисления и в технологических процессах более устойчивым является двухвалентное состояние меди.

При температуре плавления (1083°С) давление паров меди очень мало и составляет примерно 1,6 Па. Практически нелетучими являются оксиды и сульфиды меди.

Медь – мягкий металл красного цвета, достаточно вязкий и ковкий. Она легко прокатывается в тонкие листы и вытягивается в проволоку. По электропроводности медь уступает только серебру. Плотность меди при 20°С равна 8940 а при температуре плавления 8360 кг/м3 .

В химическом отношении медь малоактивный металл, хотя она в определенных условиях может непосредственно соединяться с кислородом, серой, галогенами и некоторыми другими элементами.

В ряду напряжений медь более электроположительна (Е°=+0,34В), чем водород. Поэтому в растворах таких кислот, как серная и соляная, в отсутствие окислителя медь не растворяется. В кислотах, одновременно являющихся окислителями (азотная или горячая концентрированная серная), медь растворяется легко. В присутствии кислорода и при нагревании медь хорошо растворяется в аммиаке.