Titanium svamp (eller svamp titanium) er det primære tekniske produkt af industriel produktion af titanium ved metoden af magnesium- eller natrium-termi ved hjælp af Kroll-processen . Adskillelsen af elementært titan fra malm ( ilmenit eller rutil ) foregår i en inert argonatmosfære ved reduktionsreaktionen af titaniumchlorid TiCl 4 - magnesium eller natrium ved høje temperaturer i specielle reaktoranordningertype. Den porøse (svampede) form af titanium opstår som det første resultat af behandlingen. Efter at være blevet fjernet fra reaktoren, udsættes svampen for vakuumdestillation for at fjerne urenheder ( MgCl 2 , samt overskydende Mg) og omdannes til et titanium-halvfabrikat.
Langtidsopbevaring af en titansvamp er dyr og farlig: Metallet er kemisk aktivt, det porøse materiale oxiderer og kan antændes som følge af selvopvarmning. Om nødvendigt opbevares titansvamp i tre år i et inert ( argon eller helium ) miljø.
I de første halvandet hundrede år var titaniums unikke tekniske egenskaber næsten ukendte, hvilket resulterede i, at det ikke fandt bred praktisk anvendelse i industrien eller i hverdagen. Opdagelsen af titaniumdioxid (TiO 2 ) fandt sted i 1790'erne. Englænderen William Gregor og den tyske kemiker Martin Klaproth , der handlede næsten samtidigt og uafhængigt af hinanden, kom til den konklusion, at et nyt grundstof var blevet opdaget. William Gregor, der analyserede sammensætningen af magnetisk jernholdigt sand (Creed, Cornwall, England, 1791 ), isolerede en ny "jord" ( oxid ) af et ukendt metal, som han kaldte "menaken". I 1795 opdagede den tyske kemiker Klaproth et nyt grundstof i mineralet rutil og kaldte det titanium.
To år senere var Klaproth i stand til at afklare, at rutil og "menaken jord" var oxider af det samme grundstof, for hvilke navnet " titanium " blev bibeholdt. Efter 10 år blev opdagelsen af titanium gentaget for tredje gang: Den franske videnskabsmand Louis Vauquelin opdagede titanium i anatase og beviste, at rutil og anatase er identiske titaniumoxider.
Sådanne tilfældigheder skyldes primært, at titanium, på trods af det fuldstændigt ubegrundede ry for et "sjældent metal" , faktisk er et af de mest almindelige kemiske grundstoffer i jordskorpen . Faktisk findes kun tre metaller - aluminium , jern og magnesium - oftere i naturen end titanium. Mængden af titanium i jordskorpen er flere gange større end reserverne af kobber , zink , bly , guld , sølv , platin , krom , wolfram , kviksølv , molybdæn , bismuth , antimon , nikkel og tin tilsammen . [en]
I mellemtiden lykkedes det ingen (hverken Gregor eller Klaproth) at få elementært titanium fra den "jord", de opdagede. Det hvide krystallinske pulver, de isolerede, var titaniumdioxid Ti02 . Først i 1823 offentliggjorde den engelske videnskabsmand William Wollaston en opsigtsvækkende rapport, ifølge hvilken de krystaller , han opdagede i Merthyr Tydvilles metallurgiske slagger , ikke er andet end rent titanium. Efter yderligere 33 år lykkedes det den berømte tyske kemiker Friedrich Wöhler at bevise, at disse krystaller igen var en titaniumforbindelse, denne gang carbonitrid , som havde en metallignende glans. [en]
I mange år troede man, at prioriteringen af at isolere metallisk titanium (i 1825) tilhører den ærværdige svenske videnskabsmand Jens Jakob Berzelius , som først opnåede titanium ved reduktionsreaktionen af kaliumfluorotitanat med metallisk natrium . Men i dag, ved at sammenligne titaniums kendte egenskaber og det historiske produkt opnået af Berzelius, kan vi med tillid sige, at præsidenten for det svenske videnskabsakademi tog fejl. Ifølge hans dokumentariske beskrivelse blev det "rene titanium", han isolerede , ikke opløst i flussyre, i mellemtiden ved man i dag, at dette ikke er tilfældet. [1] I modsætning til mange andre syrer reagerer titaniummetal aktivt med flussyre.
Faktisk blev elementært titanium først opnået i 1875 af den russiske videnskabsmand Dmitry Kirilov . Resultaterne af det udførte arbejde blev offentliggjort i hans mest berømte brochure "Research on Titanium". Imidlertid førte videnskabsmandens tidlige død og beskedenhed i hans karakter til, at hans arbejde gik ubemærket hen. Efter yderligere 12 år opnåede Berzelius' landsmænd, de berømte kemikere L. Nilson og O. Peterson , et ret rent produkt - omkring 95% titanium , som reducerede titantetrachlorid med metallisk natrium i en hermetisk stålbombe. [en]
I 1895 opnåede den franske kemiker A. Moissan , der reducerede titaniumdioxid med kulstof i en lysbueovn og udsatte det resulterende materiale for dobbelt raffinering, titanium indeholdende kun 2% urenheder, hovedsageligt kulstof. Endelig, i 1910, lykkedes det den amerikanske kemiker M. Hunter, efter at have forbedret Nilsson og Petersons metode, at opnå adskillige gram titanium med en renhed på omkring 99%. Det er derfor i de fleste bøger prioriteret at opnå metallisk titanium tillægges Hunter, og ikke Kirillov, Nilson eller Moissan. [1] Og først i 1925 udviklede hollænderne Anton van Arkel og Jan de Boer en teknologisk egnet termisk metode til at rense titanium gennem nedbrydning af titaniumiodid TiI 4 -damp , som stadig er relevant i dag.
I mellemtiden var alle de diskuterede problemer inden for et rent videnskabeligt område, der ikke gik ud over grænserne for rent faglige problemer inden for grundlæggende kemi. Indtil 1940 fandt titanium ikke industriel anvendelse, mens luxembourgeren G. Krollpatenterede ikke en simpel magnesium-termisk metode til at reducere titaniummetal fra tetrachlorid . Denne metode, som udvikler traditionerne for aluminothermi og kaldes Kroll-processen, til dato forbliver en af de vigtigste i den industrielle produktion af titanium.
På grund af titans høje reaktivitet viste den sædvanlige metode til isolering af rene metaller - gennem reduktion med kulstof - sig at være uegnet på grund af dannelsen af stabilt titaniumcarbid . [2] Derudover reagerede metallet aktivt med oxygen og nitrogen ved forhøjede temperaturer og dannede nitrid og oxid. Bare for at overvinde disse forhindringer udviklede Guillaume Kroll en relativt billig og teknologisk avanceret måde at genoprette titanium på. [3] :vol III:208
Det første trin i den industrielle produktion af titanium er syntesen af titantetrachlorid. For at gøre dette omdannes malmen eller koncentratet først til titandioxid TiO 2 , et hvidt pulver, som derefter udsættes for klorering. Selv ved 800-1000°C er kloreringen dog langsom og ustabil. Det forekommer med en hastighed, der er tilstrækkelig til praktiske formål i nærvær af kulstof (i form af kul), som binder ilt og omdanner det hovedsageligt til CO . [4] :628
Under normale forhold er titantetrachlorid en væske med et kogepunkt på omkring 136 ° C. Det er lettere at bryde den kemiske binding af titan med klor end med oxygen . Dette kan gøres med magnesium eller, mere sjældent, natrium . Reduktionsreaktionen udføres i stålreaktorer i en inert atmosfære ved en temperatur på 900°C. Oftest fungerer teknisk argon som et medium . Som et resultat af reaktionen dannes den såkaldte titansvamp (eller titansvamp), imprægneret med magnesiumchlorid og overskydende magnesium. Overskydende Mg og MgCl2 fjernes ved sublimering i et forseglet vakuumapparat ved 950°-1000°C. Derefter, ved hjælp af en elektrisk lysbue i en argon- eller heliumatmosfære , smeltes det svampede titanium ned til ingots, hvilket producerer et kompakt formbart metal. [3] :vol III:209
Teknologien i den natrium-termiske metode til opnåelse af metallisk svampet titanium adskiller sig i princippet lidt fra den magnesium-termiske metode. Disse to metoder var mest udbredt i industrien i anden halvdel af forrige århundrede, afhængigt af lokale forhold og tilgængeligheden af reagenser. For nylig er den magnesium-termiske metode blevet dominerende, som generelt har ry for at være mere økonomisk og bekvem. I begyndelsen af det 21. århundrede er det magnesium, der betragtes som et "uundværligt" reduktionsmiddel i fremstillingen af titansvamp. [5]
Jodidmetoden , foreslået i 1925 af van Arkel og de Boer , bruges stadig til at fremstille ultrarent titanium . Svamp titanium opnået ved den metallotermiske metode omdannes til iodid (TiJ 4 ) , som derefter sublimeres i et vakuum, hvorved en titantråd opvarmet til 1400 ° C placeres i dampvejen. I dette tilfælde nedbrydes iodidet, og et lag af rent titanium vokser på ledningen. Denne metode til fremstilling af højrent titanium er ineffektiv og dyr, så den bruges i industrien i meget begrænset omfang. [en]
Eksperimentelt arbejde med produktion af titansvamp samt yderligere produkter, barrer og produkter fra titanlegeringer begyndte i USSR 5 år senere end i USA, i 1952-1953. Det blev besluttet at organisere industriel produktion i Zaporozhye og Verkhnyaya Salda i Sverdlovsk - regionen . Kæden af forbindelser var delt mellem republikkerne. Svampet titanium blev syntetiseret i Ukraine, som blev transporteret til Verkhnyaya Salda Metallurgical Production Association ( VSMPO ), hvor man i 1957 begyndte industriel udvikling og produktion af titanium barrer, og derefter titanlegeringsprodukter. Processen med at etablere teknologi og udarbejde produktionscyklussen viste sig at være ekstremt vanskelig, den gik gennem ulykker, eksplosioner og brande, som krævede maksimal mobilisering af kræfter og tiltrækning af medarbejdernes kreative energi. [6]
I slutningen af 1980'erne fungerede en velfungerende titaniumkæde i USSR, som bestod af 4 planter. Tre titanium-magnesium-fabrikker ( Zaporozhye , Ust-Kamenogorsk og Bereznikovsky ) leverede titansvamp og belastede den intensivt udviklende produktionskapacitet hos VSMPO, som producerede titaniumvalsede produkter, produkter og legeringer, med arbejde.