Титан на небесах и в морских глубинах
Открытие
В 1791 году английский священник (и попутно любитель-минералог) Уильям Грегор, гуляя по своему расположенному в сельской местности, в долине Меначан, приходу, наткнулся на небольшое обнажение черного песка. Любознательный служитель Господа попробовал растворить песок в соляной кислоте, при этом из песка выделилось 46% железа. Оставшуюся часть пробы Грегор растворил в серной кислоте, и после выпаривания раствора получил в сухом остатке белый порошок. Исследовав его, он сделал заключение, что перед ним неизвестное соединение железа с каким-то иным металлом.
Тем временем немецкий аптекарь Мартин Клапрот, столь же любознательный, как Грегор (в будущем известный химик), взялся за изучение минерала рутила, из которого в ходе экспериментов ему удалось выделить окисел неизвестного металла. Узнав о работах Грегора, Клапрот выполнил сравнительный анализ рутила и неизвестного, открытого Грегором, элемента. Анализ показал полную идентичность этих веществ. Со временем доселе «беспризорный» элемент занял свое законное место под номером 22 в созданной в 1869 году Дмитрием Менделеевым Периодической таблице химических элементов. Помимо номера новичок обрел и звучное имя – титан. Почему именно титан? На этот счет нет единого мнения. В древнегреческой мифологии титанами называли богов второго поколения – сыновей Урана (неба) и Геи (земли). Это было обширное семейство: шесть братьев и шесть сестер – титанид, потомками которых стало следующее поколение богов – Зевс, Посейдон и другие. Англичанка Джейн Эллен Харрисон, известная как знаток антики и лингвист, утверждает, что слово «титан» происходит от греческого τίτανος, означающего «белая земля, глина или гипс», и что титаны были «людьми из белой глины».
В конце XIX века в России смогли выделить титан из минерала ильменит. В 1895 году был впервые получен электролитический титан, а в 1925 году голландцам удалось получить титан действительно высочайшей чистоты – 99,9%. После этого интерес к малоизвестному элементу заметно вырос. Однако никто пока не мог предположить, какое поистине великое будущее ожидает титан.
Откуда он берется
Сегодня науке известно не менее 70 минералов, содержащих титан в тех или иных пропорциях, но промышленная добыча осуществляется главным образом в месторождениях ильменита, рутила и лейкоксена.
Наибольшая доля (до 90%) ильменитовых, лейкоксеновых и рутиловых концентратов идет на производство диоксида (двуокиси) титана. Из ильменитовых концентратов также синтезируют рутил, попутно получая титановые шлаки, которые тоже могут использоваться для производства губчатого титана и диоксида титана. Помимо этого, природный рутил частично применяется и для обмазки сварочных электродов.
Рутиловые концентраты содержат 93– 96% диоксида титана, ильменитовые – 44– 70%. Концентраты лейкоксеновых руд на 90% состоят из диоксида. Сегодня во всем мире разведано не менее 300 месторождений титановых минералов, в числе которых 70 магматических и более 230 россыпных. По-прежнему остаются в эксплуатации два коренных месторождения ильменита в Канаде и Норвегии. Россыпи обрели наибольшее промышленное значение, активно эксплуатируясь как источники рутилового и в меньшей мере ильменитового сырья.
Мировые запасы титанового сырья сегодня, если верить статистике американской геологической службы, поделены между основными добывающими странами ориентировочно следующим образом: из общего объема 600–670 млн тн ильменита и примерно 50 млн тн рутила львиная доля приходится на Китай, ЮАР, Индию и Норвегию. Большинство китайских месторождений представляют собой магматические руды и служат источником одновременно и титана, и железа. Самыми крупными эксплуатируемыми месторождениями остаются прибрежные россыпи, содержащие не только титан, но и некоторые редкоземельные металлы. Расположены они вдоль берегов Индии, Шри-Ланки, Вьетнама, Австралии.
Среди независимых государств бывшего СССР ведущее место по разведанным запасам титановых руд занимают Россия (58%) и Украина (40%). Несмотря на такой расклад, главным производителем титанового сырья в СССР, а затем и в СНГ, была Украина. Но вообще, в странах СНГ известно множество разного типа месторождений титана – в основном это магматические или прибрежно-морские россыпи. Основные российские месторождения разместились на Урале (Копанское, Медведевское) и в Амурской области (Большой Сейим).
Добыча сырья – лишь первый шаг
Основными продуктами, получаемыми при переработке ильменитовых и рутиловых концентратов, становятся титановые шлаки и диоксид титана. Производство последнего осуществляется двумя способами: сульфатным, основанным на разложении концентратов серной кислотой, либо более экономичным – хлоридным. Оба способа достаточно сложны и отнюдь не экологичны.
Металлический титан производится из рутиловых концентратов и титановых шлаков, реже – из полученного сульфатным способом диоксида титана. Титан получается в виде крупных блоков пористой губки, которые затем дробят, превращая в шихту. С ней уже работают мастера плавки. Плавят титан в вакуумно-дуговых печах, и это значит, что для начала сыпучая шихта должна превратиться в так называемый расходуемый электрод. Шихта, состоящая из мелких фрагментов разной формы, вместе с отходами титанового производства и необходимыми присадками формуется с помощью вертикального гидравлического пресса в длинный цилиндр – он-то и станет расходным электродом. Снаружи он выглядит довольно рыхлым, по нему даже то здесь, то там могут пробегать трещины, но электрод обладает достаточной прочностью, чтобы не разрушиться, когда его подвесят в печи. Технология создания расходуемого электрода исключительно с помощью пресса практикуется только в России. В других странах применяется более дорогая технология плазменной сварки электрода из отдельных прессованных элементов, но российский метод вполне обеспечивает требуемое качество электрода.