A titánszivacs (vagy szivacstitán) a titán Kroll eljárással végzett magnézium- vagy nátriumtermikus eljárással történő ipari előállításának elsődleges műszaki terméke . Az elemi titán elválasztása érctől ( ilenit vagy rutil ) inert argonatmoszférában történik titán-klorid TiCl 4 - magnézium vagy nátrium redukciós reakciójával magas hőmérsékleten speciális reaktor típusú eszközökben. A titán porózus (szivacsos) formája a feldolgozás első eredményeként jelentkezik. A reaktorból való kivétel után a szivacsot vákuumdesztillációnak vetik alá, hogy eltávolítsák a szennyeződéseket ( MgCl 2 , valamint a felesleges Mg-t), és titán félkész termékké alakuljanak.
A titánszivacs hosszú távú tárolása költséges és veszélyes: a fém kémiailag aktív, a porózus anyag oxidálódik és az önmelegedés következtében meggyulladhat. Ha szükséges, a titán szivacsot három évig inert ( argon vagy hélium ) környezetben tárolják.
Az első másfélszáz évben a titán egyedi műszaki tulajdonságai szinte ismeretlenek voltak, emiatt nem talált széles körű gyakorlati alkalmazást sem az iparban, sem a mindennapi életben. A titán-dioxid (TiO 2 ) felfedezése az 1790-es években történt. Az angol William Gregor és a német kémikus , Martin Klaproth szinte egyidejűleg és egymástól függetlenül arra a következtetésre jutott, hogy új elemet fedeztek fel. William Gregor a mágneses vastartalmú homok összetételét elemezve (Creed, Cornwall, Anglia, 1791 ) izolált egy új "földet" ( oxid ) egy ismeretlen fémből, amelyet "menakennek" nevezett. 1795-ben Klaproth német kémikus új elemet fedezett fel a rutil ásványában , és titánnak nevezte el.
Két évvel később Klaproth tisztázta, hogy a rutil és a "menaken föld" ugyanannak az elemnek az oxidjai , amelyekre a " titán " nevet megtartották. 10 év után a titán felfedezését harmadszor is megismételték: Louis Vauquelin francia tudós felfedezte a titánt az anatázban , és bebizonyította, hogy a rutil és az anatáz azonos titán-oxidok.
Az ilyen egybeesések elsősorban annak a ténynek tulajdoníthatók, hogy a titán, annak ellenére, hogy teljesen megalapozatlan "ritkafém" hírneve , valójában az egyik leggyakoribb kémiai elem a földkéregben . Valójában csak három fém – alumínium , vas és magnézium – található a természetben gyakrabban, mint a titán. A titán mennyisége a földkéregben többszöröse a réz , cink , ólom , arany , ezüst , platina , króm , volfrám , higany , molibdén , bizmut , antimon , nikkel és ón készleteinek együttesen . [egy]
Eközben senkinek (sem Gregornak, sem Klaprothnak) nem sikerült elemi titánt szereznie az általuk felfedezett "földről". Az általuk izolált fehér kristályos por titán-dioxid TiO 2 volt . William Wollaston angol tudós csak 1823-ban tett közzé egy szenzációs jelentést, amely szerint a Merthyr Tydville-i üzem kohászati salakjaiban felfedezett kristályok nem mások, mint tiszta titán. Újabb 33 év elteltével a híres német kémikusnak, Friedrich Wöhlernek sikerült bebizonyítania, hogy ezek a kristályok ismét titánvegyületek, ezúttal karbonitrid , amelynek fémszerű fénye volt. [egy]
Sok éven át úgy gondolták, hogy a fém titán izolálásának prioritása (1825-ben) a tiszteletreméltó svéd tudós , Jens Jakob Berzeliusé , aki először kálium - fluorotitanát és fém -nátrium redukciós reakciójával nyert titánt . Ma azonban a titán ismert tulajdonságait és a Berzelius által megszerzett történelmi terméket összehasonlítva bátran kijelenthetjük, hogy a Svéd Tudományos Akadémia elnöke tévedett. Dokumentumleírása szerint az általa izolált „tiszta titán” nem oldódott fel hidrogén-fluoridban , eközben ma már tudjuk, hogy ez nem így van. [1] Sok más savtól eltérően a fémtitán aktívan reagál a hidrogén-fluoriddal.
Valójában az elemi titánt először 1875-ben Dmitrij Kirilov orosz tudós szerezte meg . Az elvégzett munka eredményeit leghíresebb "Research on Titanium" című brosúrájában tették közzé. A tudós korai halála és jellemének szerénysége azonban oda vezetett, hogy munkája észrevétlen maradt. További 12 év elteltével egy meglehetősen tiszta terméket - körülbelül 95% titánt - kaptak Berzelius honfitársai, a híres vegyészek, L. Nilson és O. Peterson, akik egy hermetikus acélbombában fémes nátriummal redukálták a titán-tetrakloridot . [egy]
1895-ben A. Moissan francia kémikus ívkemencében szénnel redukálta a titán-dioxidot , és az így kapott anyagot kétszeres finomításnak vetette alá, és csak 2% szennyeződést, főleg szenet tartalmazó titánt kapott. Végül 1910-ben M. Hunter amerikai kémikus Nilsson és Peterson módszerét továbbfejlesztve több gramm titánt tudott előállítani, körülbelül 99%-os tisztasággal. Ezért a legtöbb könyvben a fémes titán megszerzésének elsőbbségét Hunternek tulajdonítják, nem pedig Kirillovnak, Nilsonnak vagy Moissannak. [1] És csak 1925-ben a holland Anton van Arkel és Jan de Boer kifejlesztett egy technológiailag megfelelő termikus módszert a titán tisztítására a titán-jodid TiI 4 gőzének lebontásával , amely ma is aktuális.
Mindeközben az összes tárgyalt probléma tisztán tudományos területre vonatkozott, nem lépte túl az alapvető kémia tisztán szakmai problémáinak határait. 1940-ig a titán nem talált ipari alkalmazásra, míg a luxemburgi G. Krollnem szabadalmaztatott egy egyszerű magnézium-termikus módszert a fémtitán tetrakloridból történő redukálására . Ezt a módszert, amely az aluminotermia hagyományait fejleszti, Kroll eljárásnak nevezik, a mai napig továbbra is az egyik fő a titán ipari gyártásában.
A titán nagy reaktivitása miatt a tiszta fémek elkülönítésének szokásos módszere - szénnel való redukcióval - alkalmatlannak bizonyult a stabil titán-karbid képződése miatt . [2] Ezenkívül megemelt hőmérsékleten a fém aktívan reagált oxigénnel és nitrogénnel , nitrideket és oxidokat képezve . Csak az akadályok leküzdése érdekében Guillaume Kroll kifejlesztett egy viszonylag olcsó és technológiailag fejlett módszert a titán helyreállítására. [3] :III. kötet:208
A titán ipari előállításának első lépése a titán-tetraklorid szintézise. Ehhez az ércet vagy koncentrátumot először titán-dioxid TiO 2 -dá , egy fehér porrá alakítják, majd klórozásnak vetik alá. A klórozás azonban még 800-1000°C -on is lassú és instabil. Gyakorlati célokra elegendő sebességgel fordul elő szén jelenlétében (szén formájában), amely megköti az oxigént és azt főként CO -dá alakítja . [4] :628
Normál körülmények között a titán-tetraklorid körülbelül 136 °C forráspontú folyadék . Könnyebb megszakítani a titán kémiai kötését klórral , mint oxigénnel . Ezt megtehetjük magnéziummal vagy ritkábban nátriummal . A redukciós reakciót acélreaktorokban , inert atmoszférában, 900 °C hőmérsékleten hajtják végre. Leggyakrabban a technikai argon közegként működik . A reakció eredményeként az úgynevezett titánszivacs (vagy titánszivacs) keletkezik, amelyet magnézium-kloriddal és fölösleges magnéziummal impregnálnak. A feleslegben lévő Mg és MgCl 2 szublimációval eltávolítva zárt vákuumkészülékben 950-1000 °C-on. Ezután elektromos ív segítségével argon vagy hélium atmoszférában a szivacsos titánt tömbökké olvasztják le, és így kompakt formálható fém keletkezik. [3] :III. kötet:209
A fémszivacs-titán előállítására szolgáló nátrium-termikus módszer technológiája elvileg kevéssé különbözik a magnézium-termikus módszertől. Ezt a két módszert a helyi viszonyoktól és a reagensek elérhetőségétől függően a múlt század második felében alkalmazták a legszélesebb körben az iparban. Az utóbbi időben a magnézium-termikus módszer vált uralkodóvá, amely általában gazdaságosabb és kényelmesebb hírében áll. A 21. század elején a magnézium volt az, ami „nélkülözhetetlen” redukálószernek számított a titánszivacs gyártásában. [5]
A van Arkel és de Boer által 1925-ben javasolt jodidos módszert még mindig használják ultratiszta titán előállítására . A metalloterm módszerrel nyert szivacstitánt jodiddá (TiJ 4 ) alakítják át , amelyet ezután vákuumban szublimálnak, és gőze útján 1400 °C-ra melegített titánhuzalt helyeznek el. Ebben az esetben a jodid lebomlik, és tiszta titánréteg nő a huzalon. A nagy tisztaságú titán előállításának ez a módszere nem hatékony és drága, ezért az iparban nagyon korlátozott mértékben használják. [egy]
A titánszivacs, valamint további termékek, tömbök és titánötvözetekből készült termékek gyártásával kapcsolatos kísérleti munkák a Szovjetunióban 5 évvel később, 1952-1953 között kezdődtek, mint az USA-ban. Elhatározták, hogy a szverdlovszki Zaporozhye és Verkhnyaya Salda településeken szervezik meg az ipari termelést . A kapcsolatok láncolata megoszlott a köztársaságok között. Ukrajnában szivacsos titánt szintetizáltak, amelyet a Verkhnyaya Salda Kohászati Termelő Egyesülethez ( VSMPO ) szállítottak, ahol 1957-re megkezdődött a titán tuskó, majd a titánötvözet termékek ipari fejlesztése és gyártása. A technológia felállítása és a gyártási ciklus kidolgozása rendkívül nehéznek bizonyult, baleseteken, robbanásokon, tüzeken ment keresztül, amihez az erők maximális mozgósítása és a dolgozók kreatív energiájának vonzása kellett. [6]
Az 1980-as évek végére a Szovjetunióban egy jól működő titánlánc működött, amely 4 üzemből állt. Három titán-magnézium üzem ( Zaporozhye , Ust-Kamenogorsk és Bereznikovsky ) szállított titánszivacsot, munkával terhelve meg a titánhengerelt termékeket, termékeket és ötvözeteket gyártó VSMPO intenzíven fejlődő gyártókapacitását.