Реферат: Титан

 В тех случаях, когда сварка не возможна или попросту не целесообразна, прибегают к пайке. Пайка титана осложняется тем, что он при высоких температурах химически активен и очень прочно связан с покрывающей его поверхность – окисной плёнкой. Подавляющее большинство металлов непригодно для использования в качестве припоев при пайке титана, так как получаются хрупкие соединения. Только чистые серебро и алюминий подходят для этой цели.

 Соединять титан с титаном, а также с другими металлами можно и механически – клепкой или при помощи болтов. При использовании титановых заклёпок время клёпки увеличивается почти вдвое по сравнению с применением высокопрочных алюминиевых деталей, а гайки и болты из нового промышленного металла непременно покрывают слоем серебра или синтетического материала тефлона, иначе при завинчивании гайки титан будет, как это ему неизменно присуще, налипать и задираться и резьбовое соединение не сможет выдержать больших напряжений.

 Склонность к налипанию и задиранию, обусловленная высоким коэфициентом трения, - очень серьёзный недостаток титана. Это приводит к тому, что титановые сплавы быстро изнашиваются и их нельзя использовать для изготовления деталей, работающих в условиях трения скольжения. При скольжении по любому металлу титан налипает на его поверхность, и деталь вязнет, схваченная липким слоем титана.

 Впрочем, говорить, что титановые сплавы нельзя применять при изготовлении трущихся деталей, неверно. Существует немало способов, упрочняющих поверхность титана и устраняющих склонность к налипанию. Один из них – азотирование.

 Процесс заключается в том, что детали, нагретые до 850-950 градусов, выдерживают в чистом газообразном азоте более суток. На поверхности металла образуется золотисто-жёлтая плёнка нитрида титана большой микротвёрдости. Износостойкость титановых деталей повышается во много раз и не уступает изделиям из специальных поверхностно упрочнённых сталей.

 Другой распространённый метод устранения склонности титана к задиранию – оксидирование. При этом в результате нагрева на поверхности деталей образуется окисная плёнка. При низкотемпературном оксидировании свободный доступ воздуха к металлу затруднён и окисная плёнка получается плотной, хорошо связанной с основной толщей титана.

 Высокотемпературное оксидирование заключается в том, что в течении 5-6 часов детали выдерживают на воздухе нагретыми до 850 градусов, а затем резко охлаждают в воде, чтобы удалить с поверхности рыхлую окалину. В результате оксидирования сопротивление износу возрастает в 15-100 раз.

СОЮЗНИК МЕТАЛЛУРГОВ

 Когда слышишь или читаешь слова «металлургия», «металлург», представляешь себе пышущие жаром печи, раскалённый поток металла, видишь ревущее пламя. Но металлург бывает совершенно другой.

 Нередко руды обрабатывают растворами кислот, в результате чего металл в виде солей переходят из сырья в раствор. Нерастворимый осадок состоит из пустой породы и при фильтрации легко отделяется от растворимых солей, из которых затем осаждают металл. Водные растворы соединений металлов можно подвергать электролизу и тогда на катоде наращивается слой требуемого металла. При этих и некоторых других процессах широко пользуются также методами отстаивания, выпаривания, экстракции, ионного обмена, при которых разбавленные кислоты становятся более концентрированными и интенсивно действуют на материалы технического оборудования.

 Металлургические процессы, основанные на основе жидкостей, называют гидрометаллургическими – от греческого слова, обозначающего воду. Гораздо более привычные для нас методы, при которых требуются высокие температуры, нагрев, пламя, называют пирометаллургическими – от другого греческого слова, обозначающего огонь. Так вот, при проведении целого ряда гидрометаллургических процессов крайне необходим такой коррозионностойкий, надёжный и долговечный металл, как титан.

 Поэтому его и используют на многих переделах производство цветных металлов. На одних – больше, на других – меньше, но уровень его применения постоянно возрастает, и ныне цветная металлургия – крупнейший потребитель титана среди всех отраслей народного хозяйства страны.

 Первыми стали широко применять титановое оборудование предприятия никель-кобальтовой промышленности, что позволило экономить многие миллионы рублей, давать высококачественную продукцию. Благодаря разработке и освоению целого комплекса надёжных технологических аппаратов из титана на комбинате «Североникель» впервые в практике производства цветных металлов удалось осуществить комплексную автоматизацию технологических процессов.

 Никель-кобальтовые предприятия используют фильтровальное оборудование, экстракторы, выпарные аппараты, вентиляторы, автоклавы, теплообменники, хлорные эжекторы – всего более 200 наименований изделий, изготовляемых из титана. Это даёт ощутимый технико-экономический эффект.

 Титановые матрицы для осаждения никеля в 3 раза легче и в 15 раз долговечнее стальных. Благодаря их использованию в 10 раз снизился процент брака. В результате замены насосов из кислотоупорного литья титановыми ежегодная экономия на комбинате «Североникель» составляет более 700 тысяч рублей.

 Используемые при производстве титана и магния титановые насосы дают условно годовой эффект по каждому агрегату от 900 до 1800 рублей. Срок их службы при перекачке растворов хлористых солей, натрия, калия, магния, слабой соляной кислоты в 15-20 раз выше, чем чугунных или изготовленных из кислотоупорных сталей. Потери жидкости снижаются в 2,5 раза.

 Наиболее эффективными оказалось оборудование из нового промышленного металла на переделах хлорирования титановых шлаков и при улавливании пыли и газов. Под воздействием ионов хлора как углеродистые, так и нержавеющие стали интенсивно разрушаются, подвергаются язвенной и точечной коррозии. Титановые сплавы несравненно более стойки и оборудовании, изготовленное из них, служит гораздо дольше. Титановые ёмкости в цехах хлорирования работают по 3-4 года, тогда как стальные выходят из строя уже через 2 месяца.

При отсасывании отходящих газов титано-магниевого производства титановые вентиляторы эксплуатируются 5 лет, стальные – не более 1-2 месяцев, срок службы газоходов из титана в 20, в 30 раз превышает срок службы стальных!

 В 1969 году на Березниковском титано-магниевом комбинате была пущена 120-метровая вытяжная труба. Труба кактруба – для выброса производственных газов, внешне ничего особенно собой не представляет. И мало ли заводских труб! Но березниковского бала особенной: впервые в мировой практике она была изготовлена из титана. Ныне она уже не единственная в мире: точно такая же труба возведена и на Запорожском титано-магниевом комбинате. Планируются построить ещё несколько титановых титановых труб на различных заводах страны.

 Успешно используют титан в титановой промышленности и за рубежом. Американская фирма ТМКА сообщает, что титановый агрегат для выщелачивания магния и хлористого магния из титановой губки (в США губку очищают не нагревании в вакууме, а промыванием «царской водкой») заменил более десятка прежних малопроизводительных аппаратов и приносит ежегодный доход в 370 тысяч долларов.

 При получении магниевых сплавов используют стойкие  в расплавленном магнии титановые мешалки и тигли. Из титана изготовляют также лопасти перемешивающих устройств на известковых газоотчистках.

 Титан оказался наиболее подходящим материалом для изготовления матриц, применяемых при электролитическом осаждении меди. Внедрение титановых матриц на ряде предприятий страны намного облегчило труд рабочих-сдирщиков, на 30 процентов повысило производительность труда. Срок службы матриц увеличился в 3 раза.    

С титанового барабан-катода снимают гораздо более высококачественную медную фольгу, тогда как при использовании катода из нержавеющей стали процент брака велик, фольга получается шероховатой.

 Весьма эффективными оказываются титановые приспособления для отчистки и подачи отходящих газов агломашин, плавильных и обжиговых печей в производстве свинца и цинка, а также детали реакторов, сгустителей, змеевиков и многого другого оборудования из нового промышленного материала. Титан находит применение при производстве вольфрама и молибдена, сурьмы ртути, циркония, редкоземельных и драгоценных металлов.

 При обработки цветных меиаллов используют титановые травильные ванны, детали очистных сооружений, установок переработки раствора, ёмкости, что намного повышает срок службы оборудования. На одном из из уральских заводов из титана изготовляют клещи, которыми захватывают горячие прокатываемые и прессуемые металлические заготовки. Масса ручного инструмента уменьшилась вдвое.

 Вспомогательное оборудование из титана используют на некоторых предприятиях чёрной металлургии нашей страны. Благодаря высокой коррозийной стойкости в сернистых газах новый конструкционный материал обеспечивает надёжную работу электрофильтров, применяемых в коксохимическом и ферросплавном производствах, повышает долговечность газоочистных сооружений доменных, мартёновских, конверторных и агломерационных цехов.

 Более 10 лет работают на Запорожском коксохимическом заводе титановые нутч-фильтры, растворители, кристаллизаторы, трубопроводы и другое оборудование участка роданистого натрия. Кроме того, благодаря их применению удалось избежать в конечном продукте примесей железа, тяжёлых металлов, которые по техническим условиям недопустимы и от которых прежде невозможно было избавиться.

 Испытания, проведённые на заводе «Запорожсталь» Институтом титана, показали, что, если использовать для слива отработанных травильных растворов трубопроводы из нового металла, их срок службы будет измеряться десятками лет. ныне существуют звенья, изготовленные из углеродистой стали и защищённые резиной, служат полтора, максимум три месяца. Вот почему предприятие решило приобрести полкилометра титановых труб для замены ими стальных.

 Очень перспективно облицовывать титаном ванны, используемые на многих металлургических, сталепроволочных-канатных, метизных заводов для травления заготовок в кислотах с целью удаления окалины с поверхности. Поскольку травильные растворы загрязнены частицами железа и его соединений, а также содержат специальные солевые добавки (что способствует замедлению коррозии), стойкость титана в них намного выше, чем в обычных растворов кислот – без добавок и примесей, благодаря чему титановые травильные ванны служат десятки лет, тогда как обычные выходят из строя гораздо раньше.

ЧТОБ СТАЛО БОЛЬШЕ БУМАГИ

 Наша страна – самая читающая страна в мире. Миллионными тиражами печатаются газеты и журналы, больше, чем в любом другом государстве, и тем не менее далеко не всегда удаётся приобрести нужную литературу, выписать то или иное издание… одна из основных причин такого положения – недостаток бумаги.

 Чтобы обеспечить нашу страну бумагой, делается многое: строятся новые целлюлозно-бумажные комбинаты и лесопромышленные комплексы, переоборудуются существующие. Предприятия оснащаются новым высокопроизводительным оборудованием. Однако при производстве бумаги очень остро стоит проблема коррозионной защиты, и от её решения в немалой степени зависит успешное развитие отрасли.

 Для получения целлюлозы используют чрезвычайно агрессивные вещества – в технологических процессах варки целлюлозы, получения варочной кислоты, при отбеливании целлюлозной массы.   

 Особенно агрессивна двуокись хлора, которой отбеливают целлюлозу. Отказываться от двуокиси хлора нецелесообразно: благодаря ей удаётся намного улучшить качество продукции, интенсифицировать производственные процессы. Метод отбеливания целлюлозы двуокисью хлора получает поэтому всё большее распространение, но стремительное разрушение оборудования при его применении приносит значительные убытки.

 Фирма «Крусибл стил корпорейшен оф Америка» приводит данные о том, что одной простой отбельной линии в течении только одних суток причиняет ущерб в 10 тысяч долларов.

 Вот почему химики и бумажники обратили самое серьёзное внимание на стойкость титана в соединениях хлора. Именно как материал, устойчивый в двуокиси хлора, титан был применён в первые в невоенных отраслях промышленности. Так, в 1954 году американцы использовали его как для облицовки миксера, содержащего это соединение. Опыт оказался удачным и с тех пор титан официально признан наилучшим материалом для работы в среде двуокиси хлора. Это и многое другое сделало новый промышленный металл ценным материалом для целлюлозно-бумажной промышленности.

 Титановое оборудование широко внедряется в целлюлозно-бумажную промышленность. Оно с успехом используется на Братском и Сыктывкарском лесопромышленных комплексах, Советском и Котласском целлюлозно-бумажных комбинатах, Байкальском целлюлозном заводе и некоторых других предприятиях.

 Институтом ЦНИИбумаш спроектированы отбельные установки для массового применения на предприятиях отрасли. Они состоят из отбельных башен, баков, смесителей, мерников, трубопроводов и запорной арматуры. Всё оборудование делается из титана. Заводы уже приступили к выпуску таких установок.

 Титан оказывается незаменимым для бумажников, выручая их давая значительный технико-экономический эффект.

 В цехе белильных растворов Сыктывкарского лесопромышленного комплекса стальные трубопроводы требовали полной замены через каждую неделю. Срок службы титановых трубопроводов настолько превосходит срок службы стальных, что при этом не только окупается стоимость более дорогого материала, но и ежегодно предприятие получает 120 тысяч рулей прибыли! Каждая титановая воздуходувка, работающая в том же цехе взамен агрегатов из нержавеющей стали, выходивших из строя каждые 2 недели, экономит предприятию около двух с половиной тысяч рублей.

 Титан применяют в контрольно-измерительной и регулирующей аппаратура трёх линий производства сульфатной целлюлозы, где технологические процессы полностью автоматизированы. Металл используют для изготовления чехлов, защищающих датчики приборов, которые работают в агрессивных средах. Винипласт защищал их на протяжении всего лишь 15 дней, титан служит около 7 лет и благодаря столь продолжительному сроку работы даёт существенную экономию. Семь титановых чехлов, которыми прикрывают датчики приборов на Братском ЛПК, дают предприятию 20 тысяч рублей годовой экономии. Всего же от применения титана лесопромышленный комплекс ежегодно получает более 150 тысяч рублей прибыли.

 Коррозионностойкий металл оказывается весьма кстати также в гидролизной и лесохимической промышленности, где он хорошо зарекомендовал себя в качестве материала для изготовления аппаратуры в производстве уксусной кислоты, этилацетата и других очень едких веществ.

Зарубежные фирмы применяют титановые теплообменники, вентиляторы, насосы, запорную арматуру. В Швеции пластинчатые титановые теплообменники работают в растворах хлоридов, хлоратов, а также в жидкостях, содержащих активный хлор. В США аппаратуру из титана внедряют в цехах варки целлюлозы, где техника, изготовленная из нержавеющей стали, полностью выходит из строя через два года работы и её необходимо заменять. Замена же

Только одного промывного аппарата обходится в 80 тысяч долларов. Титановое оборудование используют в целлюлозно-бумажной промышленности Японии, Англии, ЧССР, Финляндии.

 Разработчики аппаратуры целлюлозно-бумажной производства утверждают, что опыт эксплуатации титанового оборудования показал неоспоримое преимущество этого металла перед другими конструкционными и коррозионностойкими материалами. Остаётся только добавить, что с каждым годом, даже месяцем, всё больше титана применяется для производства бумаги и в том, что её дифицит будет всё же преодолён, что страна получит в избытке не только материал для печатания книг и газет, но картон, бумагу для технических целей и для расфасовки пищевых продуктов, большое количество бумажно-беловых товаров, немалая заслуга будет принадлежать и металлу, носящему имя титан.

ДЕШЕВЛЕ? МОЖНО

 Что бы ни говорилось о реальной и бесспорной экономической эффективности использования титана при существующем уровне цен, нет никакого сомнения в том, что будь титан подешевле – масштаба его производства и применения выросли бы неизмеримо. Соответственно возросла бы и польза, которую приносит народному хозяйству этот металл.

 Но ведь цена не должна быть ниже себестоимости, а себестоимость титана ещё высокая. Собственно говоря, высокая себестоимость титановой губки, а именно стоимость губки определяет сравнительно высокие цены титановых полуфабрикатов и оборудования, изготовленного из этого металла.

 С целью снижения себестоимости во всём мире непрерывно ведут многочисленные исследовательские работы, направленные на совершенствование существующей технологии производства титана, а также на разработку способов прямого извлечения металла из руд. Ежегодно выдаются десятки патентов на новые методы получения металлического титана, на модификацию уже известных технологических операций. Однако эти новые методы не в состоянии конкурировать с известными промышленными способами, а предлагаемое совершенствование последних не настолько существенно, чтобы ощутимо снизить стоимость титана. Справедливости ради надо сказать, что стоимость титановой губки претерпела значительные изменения с момента выпуска первых промышленных партий. Так, например, в нашей стране цены на титановую губку в связи с непрерывным снижением себестоимости уменьшались в 5 раз, в результате чего даже более высококачественная губка стоит сейчас вдвое дешевле, чем прежде.

 Уменьшение стоимости титановой губки позволяет снижать цены на титановые полуфабрикаты: на листы, трубы, прудки, гнутые профили и т.п. Последнее снижение цен на полуфабрикаты было в 1975 году, в результате чего эти изделия стали стоить в среднем на 25 процентов дешевле.

 И всё же стоимость титана снижается не так быстро, как хотелось бы, и у этого есть объективные, пока ещё непреодолимые причины. Но, может быть, и при существующем уровне цен есть какая-нибудь возможность удешевить оборудование. Изготовленное с применением этого металла? Да, такая возможность действительно есть.

 Не во всех случаях так уж необходимо, чтобы аппаратура была изготовлена целиком из титана. Нередко достаточно и того, что стойкий против коррозии металл будет защищать только внутреннюю её поверхность, только те места, которые соприкасаются с агрессивной средой. Основная же масса  конструкции может быть изготовлена из обычной стали, прочность которой достаточна, чтобы выдерживать большие давления. Таким образом достигается оптимальный вариант использования титана, который незначительно удорожает стоимость оборудования.

 Но сварка титана с другими металлами, повторяем, практически невозможна. Как же соединяют титан со сталью? Существует несколько методов. Когда оборудование не предназначено для работы при высоких температурах и не подвергается воздействию вакуума, поверхность его футеруют ( т.е. выкладывают) тонким слоем титана.

 Но футерованное оборудование нельзя применять при температурах выше 100 градусов, так как при нагревании сталь расширяется значительно в большей степени, чем титан, что и приводит к повреждению футерованной конструкции. Кроме того, наличие зазора между футеровкой и кожухом не позволяет применять такое оборудование в процессах. Связанных с воздействием вакуума.

 В этом случае для изготовления оборудования используют двухслойный металл титан – сталь, где слой титана составляет от одной двадцатой до одной пятой части от всей толщины металла. И здесь слой титана обеспечивает коррозийную стойкость, а более дешевый материал – заданные механические характеристики. Титан и сталь соединяют друг с другом при помощи взрывной волны или методом прокатки в вакууме. В результате материалы связаны между собой не просто механически, а физически, что приводит к улучшению теплопередачи и позволяет оборудованию из двухслойного металла выдерживать повторяющие нагревы до 500 и более градусов и закалку в воде.

 Из биметалла титан – сталь изготовляют такое оборудование, как варочные котлы и отбельные башни целлюлозно-бумажного производства, ёмкости и колонны, применяемые в нефтехимии и металлургии. Использование биметаллического листа взамен цельнотитанового даёт существенную экономию.

 Другой путь снижения стоимости титановых изделий – изготовление их методом фасонного литья. Замена поковок фасонными отливками снижает расход металла в три с лишним раза, уменьшает трудоёмкость механической обработки. Каждая тонна фасонных отливок, используемых в замен поковок, экономит более 20 тысяч рублей. Методом литья изготавливают запорную арматуру, части насосов, приборов, детали, применяемые в машиностроении.

 В промышленности при производстве и обработки титана образуется большое количество отходов, состоящих из титановой губки, стружки, обрезков, кусков, лома. Основная масса этих отходов не используется, а накапливается на предприятиях, где отходы различных сплавов перемешиваются друг с другом и загрязняются. Специалисты уже давно задумываются над тем, как использовать этот металл.

 Наиболее целесообразно перерабатывать отходы титана во вторичные сплавы. Эти сплавы несколько уступают основным по однородности, прочности и другим механическим характеристикам. Загрязнённость примесями приводит к тому, что их стойкость против коррозии ниже, чем у серийных сплавов, и тем не менее вторичные титановые сплавы в достаточной степени прочны и коррозионностойкие. Их можно с успехом и большой пользой применять в химической, нефтеперерабатывающей, лёгкой, пищевой промышленности.

Сейчас ведутся опытно-промышленные разработки вторичных сплавов и изделий из них, получаемых методом литья. Вторичные титановые сплавы во многих агрессивных средах по своей коррозийной стойкости незначительно уступают первичным сплавам, а в некоторых средах даже превосходят их. Что же касается их стоимости, то при широком производстве они будут дешевле первичных на 25-30 процентов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 Значение металлов в человеческом обществе всё более возрастает. Переворот в технике происходит с интенсивным развитием алюминиевой и магниевой промышленности. В последние десятилетия человечество получило в своё распоряжение группы редких металлов. И вот уже в наши дни, в самые последние годы на авансцену истории «поднимается» новый промышленный металл – титан.

 Титан с большим правом, чем алюминий, можно назвать металлом нашего века, точнее – второй его половины, так как этот новый конструкционный материал впервые стали производить и использовать только в пятидесятые годы. Впрочем, титан так и называют: «металл 20 века». И как много значений у слова «титан», так много эпитетов и наименований у самого металла. «Вечный», «парадоксальный», «металл сверхзвуковых скоростей, «металл будущего», «дитя войны» – вот только некоторые из них.

 Титан называют металлом будущего. Это, конечно, правильно. В будущем появятся новые области применения замечательного материала, люди создадут сплавы с ещё более удивительными свойствами. Но ведь будущее начинается сегодня, будущее и настоящее не отдельны непроходимой границей.

Титан уже давно стал материалом современности – ценным, важным и необходимым. Больше того, широкое, повсеместное его применение как раз позволит скорее приблизить то светлое и прекрасное будущее, о котором мы все мечтаем.