Получение и применение титана

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки РФ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Тульский государственный университет »

Кафедра СЛиТКМ

Контрольно-курсовая работа по ТКМ

Вариант № 7

Выполнил ст. гр. 620811 Манжос А.В.

Проверил Захаров С.К.

Тула 2012

Оглавление

Задание 1

Физико-химические и механические свойства губчатого и пластичного титана

Свойства пластичного титана

Процесс производства титана из ильменитовых руд магниетермическим способом

Применение титана

Задание 1

Титан (CAS-номер: 7440-32-6) -- лёгкий металл серебристо-белого цвета.

Физико-химические и механические свойства губчатого и пластичного титана

Губчатый титан представляет собой пористый кристаллический конгломерант с чрезвычайно развитой поверхностью пор. Активная удельная поверхность губки в зависимости от крупности кусков изменяется от 100 до 400 м/кг. Имея большую удельную поверхность пор, губчатый титан способен адсорбировать из воздуха газы и, прежде всего, пары воды. Влагонасыщение губки зависит от её температуры и условий хранения: продолжительности, относительной влажности воздуха, температуры. Насыпная масса губки зависит от способа комплектации товарной партии.У кричной (т.е. основной части блока губки, не соприкасающейся со стенками реактора) фракции -70+12 мм насыпная масса изменяется от 930 до 1050 кг/м и составляет в среднем 960 кг/м. Боковая губка характеризуется большей пористостью и меньшей насыпной массой (600-650 кг/м). Более мелкая губка фракции -12+2 мм (кричная часть) и 12+5 мм (боковая часть) имеет насыпную массу 900-1050 кг/м, а в среднем 990 кг/м.

Плотность губчатого титана составляет 800-3500 кг/м и также зависит от способа комплектации партии.

Теплопроводность губки очень низка (в 13 раз меньше, чем у пластичного титана) и составляет 1,26 Вт/(м*С). Плохая теплопроводность губки значительно затрудняет ее обработку резанием.

Свойства пластичного титана

По внешнему виду титан похож на сталь; он обрабатывается резанием, пластичен, трудно полируется и долго сохраняет блеск. На воздухе металл благодаря оксидно-нитридной пленке устойчив до 430С. Высока коррозионная стойкость титана в воде, в том числе и в морской. Титан существует в двух кристаллических модификациях - низкотемпературной (до 882,5С) и имеет гексагональную плотноупакованную решетку, а также высокотемпературной (выше 882,5С) и имеет объемно-центрированную кубическую решетку. Атомная масса титана 47,9, плотность 4510 кг/м, температура плавления ~ 1670С, температура кипения 3260С, теплота плавления 437 Дж/кг, удельная теплоемкость (в интервале 0-100С) 678Дж/(кг*С), теплопроводность (в интервале 0-200С) 213,6 Вт/(м*С), температурный коэффициент линейного расширения (в интервале 290-570С) 8,2 10°С, удельное электросопротивление (при 20С) 42 10 Ом м, магнитная проницаемость 1,00005 Г/м (титан парамагнитен, т.е. он способствует усилению окружающего его внешнего магнитного поля). Твердость по Бринеллю НВ 90-130. Титан является хорошим геттером, т.е. обладает способностью активно поглощать газы, в особенности кислород, азот и водород. Примеси кислорода и азота снижают пластические свойства титана, а водород делает титан хрупким.

Хлор и другие галогены взаимодействуют с титаном при низких температурах (100-200С) с образованием лёгколетучих галогенидов титана. Титан обладает высокой коррозионной стойкостью во многих средах. В холодной и кипящей воде металл не корродирует. Он практически стоек против действия азотной кислоты любой концентрации на холоде и при нагревании вследствие образования защитной окисной пленки. В разбавленной серной кислоте (до 5% H2SO4) при комнатной температуре титан стоек, в других условиях H2SO4 разрушает титан. Подобное действие на титан оказывает соляная кислота, которая начинает реагировать с ним при концентрации HCl более 10% и температура выше 25С. В растворах щелочей (концентрации до 20%) на холоде и при нагревании титан стоек. Титан не корродирует в среде расплавов некоторых соединений. Высокая коррозионная стойкость титана обусловливает широкое применение его в химико-металлургических производствах.

Процесс производства титана из ильменитовых руд магниетермическим способом

Металлатермическое восстановление титана из тетрахлорида (TiCl4) проводят магнием или натрием. Для восстановления магнием служат аппараты, представляющие собой помещенную в печь герметичную реторту высотой 2 - 3 метра из хромо-никелевых сталей. После ввода в разогретую до ~ 750 °С реторту магния в нее подают тетрахлорид титана.

Восстановление титана магнием (TiCl4 + 2Mg = Ti + 2MgCl2) идет с выделением тепла, поэтому электронагрев печи отключают и реторту обдувают воздухом, поддерживая температуру в пределах 800--900°С; ее регулируют также скоростью подачи тетрахлорида титана. За один цикл восстановления длительностью 30 - 50 часов получают от 1 до 4 тонн титана в виде губки (твердые частицы титана спекаются в пористую массу - губку). Жидкий MgCl2 из реторты периодически выпускают.

Титановая губка впитывает много MgCl2 и магния, поэтому после окончания цикла восстановления проводят вакуумную отгонку примесей. Реторту после нагрева до 1000 °С и создания в ней вакуума выдерживают в течение 35-50 часов; за это время примеси испаряются. Иногда отгонку примесей из губки проводят после ее извлечения из реторты.

Применение титана

Титан применяют в виде губки и порошка. Губчатый титан, имеющий развитую поверхность, в небольших количествах используют для очистки и осушки различных газов. В последние годы ускоренными темпами развивается новая отрасль в промышленности - порошковая металлургия, в том числе порошковая металлургия титана. Изделия из высокопористых титановых порошков обладают всеми свойствами компактного титана: малой плотностью, высокой прочностью, высокой коррозионной стойкостью. Их получают прокаткой или прессованием с последующим спеканием. Эффективность от применения 1 тонны титановых фильтрующих элементов, используемых в химической, пищевой и других отраслях промышленности, составляет несколько десятков тысяч рублей. Пластичность титана и его сплавы по сравнению с другими конструкционными металлами обладают более высокой удельной прочностью и исключительной коррозийной стойкостью в атмосферных условиях и агрессивных средах. Титан стоек в воде, в том числе и морской. Это ценное свойство металла широко используется в судостроении. Существенное значение имеют такие свойства титана, как высокая температура плавления, малый коэффициент термического расширения, стойкость против эрозии и кавитации, немагнитность, биологическая инертность. Хорошая растворимость многих элементов, образования химических соединений с переменной растворимостью позволяет на основе титана получать сплавы с разнообразной структурой и свойствами. Легированием и последующей термообработкой временное сопротивление сплава титана можно повысить до 1500 МПа и более, что характерно только для специальных сталей. Удельная прочность титановых сплавов высока, и это позволяет снизить массу конструкций. Преимущества титановых сплавов перед специальными сталями, алюминиевыми и магниевыми сплавами сохраняются при температурах до 400-500 и даже 600С, когда алюминиевые и магниевые сплавы вообще не применимы. При 300-350С титановые сплавы прочнее алюминиевых в 10 раз.

Эти уникальные свойства титана и его сплавов привлекли внимание конструкторов самолетов, ракет, подводных лодок, различных химических аппаратов и на длительный период определили главное применение проката из титана в этих отраслях.

Из титана и его сплавов в СССР серийно изготавливали теплообменные и колонные аппараты, детали электролизеров, фильтры, емкости, насосы, вентиляторы и газоходы, арматуру и трубопроводы. Известно применение титана в прикладной электрохимии для изготовления гальванических ванн, анодов и других изделий. На Березниковском титано-магниевом комбинате изготовлена и работает 120-метровая титановая труба массой 200 т. Подобная труба из железобетона имела бы массу 4500 т. Медицинские инструменты, изготовленные из титановых сплавов, на 20-30% легче инструментов из нержавеющей стали, обладают высокой коррозионной стойкостью, более долговечны и удобны в работе. Титан хорошо вживается в организм человека, и этим пользуются врачи-травматологи.

Титан используют как декоративный материал в архитектуре и монументальной скульптуре. Им облицован обелиск в ознаменование запуска первого искусственного спутника Земли, сооружений в Москве около ВДНХ, монумент "Штык" в Белоруссии, памятник к 100-летию организации Международного союза электросвязи в Женеве. Из титана изготовлен вымпел, доставленный на Луну советской космической ракетой. Перечисление областей применения титана можно было бы продолжить, но в этом нет необходимости. По мере удешевления титана без сомнения будут появляться все новые и новые сферы потребления этого замечательного металла. титан руда магниетермический проивзодство

Размещено на Allbest.ru