Titanová houba (nebo houba titanová) je primárním technickým produktem průmyslové výroby titanu metodou hořčíkové nebo sodíkové termiky pomocí Krollova procesu . Separace elementárního titanu od rudy ( ilmenit nebo rutil ) probíhá v inertní argonové atmosféře redukční reakcí chloridu titaničitého TiCl 4 - hořčíku nebo sodíku za vysokých teplot ve speciálních reaktorových zařízeníchtyp. Porézní (houbovitá) forma titanu vzniká jako první výsledek zpracování. Po vyjmutí z reaktoru se houba podrobí vakuové destilaci, aby se odstranily nečistoty ( MgCl2 , stejně jako přebytek Mg ) a přeměnila se na titanový polotovar.
Dlouhodobé skladování titanové houby je drahé a nebezpečné: kov je chemicky aktivní, porézní materiál oxiduje a v důsledku samoohřevu se může vznítit. V případě potřeby je titanová houba skladována po dobu tří let v inertním ( argon nebo helium ) prostředí.
Prvních sto a půl století byly unikátní technické vlastnosti titanu téměř neznámé, v důsledku čehož nenašel široké praktické uplatnění v průmyslu ani v každodenním životě. K objevu oxidu titaničitého (TiO 2 ) došlo v 90. letech 18. století. Angličan William Gregor a německý chemik Martin Klaproth , jednající téměř současně a nezávisle na sobě, dospěli k závěru, že byl objeven nový prvek. William Gregor, který analyzoval složení magnetického železitého písku (Creed, Cornwall, Anglie, 1791 ), izoloval novou „zemi“ ( oxid ) neznámého kovu, který nazval „menaken“. V roce 1795 objevil německý chemik Klaproth nový prvek v minerálu rutil a pojmenoval jej titan.
O dva roky později se Klaprothovi podařilo objasnit, že rutil a „menaken earth“ jsou oxidy stejného prvku, pro který byl zachován název „ titan “. Po 10 letech se objev titanu zopakoval potřetí: francouzský vědec Louis Vauquelin objevil titan v anatasu a dokázal, že rutil a anatas jsou totožné oxidy titanu.
Takové náhody jsou způsobeny především tím, že titan, navzdory zcela nepodložené pověsti „vzácného kovu“ , je ve skutečnosti jedním z nejběžnějších chemických prvků v zemské kůře . Ve skutečnosti se pouze tři kovy – hliník , železo a hořčík – vyskytují v přírodě častěji než titan. Množství titanu v zemské kůře je několikanásobně větší než zásoby mědi , zinku , olova , zlata , stříbra , platiny , chrómu , wolframu , rtuti , molybdenu , vizmutu , antimonu , niklu a cínu dohromady . [jeden]
Mezitím se nikomu (ani Gregorovi ani Klaprothovi) nepodařilo získat elementární titan ze „země“, kterou objevili. Bílý krystalický prášek, který izolovali, byl oxid titaničitý Ti02 . Teprve v roce 1823 anglický vědec William Wollaston zveřejnil senzační zprávu, podle níž krystaly , které objevil v metalurgických struskách závodu Merthyr Tydville, nejsou nic jiného než čistý titan . Po dalších 33 letech se slavnému německému chemikovi Friedrichu Wöhlerovi podařilo prokázat, že tyto krystaly byly opět sloučeninou titanu, tentokrát karbonitridem , který měl kovový lesk. [jeden]
Po mnoho let se věřilo, že prioritou izolace kovového titanu (v roce 1825) je ctihodný švédský vědec Jens Jakob Berzelius , který jako první získal titan redukční reakcí fluorotitanátu draselného s kovovým sodíkem . Dnes však při porovnání známých vlastností titanu a historického produktu získaného Berzeliusem můžeme s jistotou říci, že se prezident Švédské akademie věd mýlil. Podle jeho dokumentárního popisu se „čistý titan“, který izoloval , nerozpustil v kyselině fluorovodíkové , mezitím se dnes ví, že tomu tak není. [1] Na rozdíl od mnoha jiných kyselin kovový titan aktivně reaguje s kyselinou fluorovodíkovou.
Ve skutečnosti byl elementární titan poprvé získán v roce 1875 ruským vědcem Dmitrijem Kirilovem . Výsledky provedené práce zveřejnil ve své nejznámější brožuře „Výzkum titanu“. Brzká smrt vědce a skromnost jeho charakteru však vedly k tomu, že jeho práce zůstala bez povšimnutí. Po dalších 12 letech získali celkem čistý produkt - asi 95 % titanu - Berzeliusovi krajané, slavní chemici L. Nilson a O. Peterson, kteří redukovali chlorid titaničitý kovovým sodíkem v hermetické ocelové bombě. [jeden]
V roce 1895 francouzský chemik A. Moissan redukcí oxidu titaničitého uhlíkem v obloukové peci a podrobením výsledného materiálu dvojité rafinaci získal titan obsahující pouze 2 % nečistot, převážně uhlíku. Konečně v roce 1910 se americkému chemikovi M. Hunterovi po zdokonalení metody Nilssona a Petersona podařilo získat několik gramů titanu s čistotou asi 99 %. Proto je ve většině knih priorita získání kovového titanu připisována Hunterovi, nikoli Kirillovovi, Nilsonovi nebo Moissanovi. [1] A teprve v roce 1925 Nizozemci Anton van Arkel a Jan de Boer vyvinuli technologicky vhodnou tepelnou metodu čištění titanu rozkladem par jodidu titanu TiI 4 , která je dodnes aktuální.
Mezitím všechny diskutované problémy byly v čistě vědecké oblasti, nepřekračující hranice čistě odborných problémů základní chemie. Až do roku 1940 titan nenašel průmyslové uplatnění, zatímco Lucemburčan G. Krollnepatentoval jednoduchou hořčíkovou tepelnou metodu pro redukci kovového titanu z tetrachloridu . Tato metoda, která rozvíjí tradice aluminotermie a nazývá se Krollův proces, dodnes zůstává jedním z hlavních v průmyslové výrobě titanu.
Vzhledem k vysoké reaktivitě titanu se obvyklá metoda izolace čistých kovů – redukcí uhlíkem – ukázala jako nevhodná kvůli tvorbě stabilního karbidu titanu . [2] Navíc při zvýšených teplotách kov aktivně reagoval s kyslíkem a dusíkem za vzniku nitridu a oxidu. Právě kvůli překonání těchto překážek vyvinul Guillaume Kroll relativně levný a technologicky vyspělý způsob obnovy titanu. [3] : díl III:208
Prvním krokem v průmyslové výrobě titanu je syntéza chloridu titaničitého. K tomu se ruda nebo koncentrát nejprve přemění na oxid titaničitý Ti02 , bílý prášek, který se pak podrobí chloraci. Nicméně i při 800–1000 °C je chlorace pomalá a nestabilní. Vyskytuje se v míře dostatečné pro praktické účely za přítomnosti uhlíku (ve formě uhlí), který váže kyslík a přeměňuje jej především na CO . [4] :628
Za normálních podmínek je chlorid titaničitý kapalina s bodem varu asi 136 °C. Chemickou vazbu titanu s chlorem narušíte snadněji než s kyslíkem . To lze provést pomocí hořčíku nebo vzácněji sodíku . Redukční reakce se provádí v ocelových reaktorech , v inertní atmosféře při teplotě 900 °C. Nejčastěji jako médium působí technický argon . V důsledku reakce vzniká tzv. titanová houba (neboli titanová houba) napuštěná chloridem hořečnatým a přebytkem hořčíku. Přebytek Mg a MgCl2 byl odstraněn sublimací v utěsněném vakuovém zařízení při 950°-1000°C . Poté se pomocí elektrického oblouku v atmosféře argonu nebo helia roztaví houbovitý titan do ingotů, čímž vznikne kompaktní tvárný kov. [3] : díl III:209
Technologie sodno-tepelné metody pro získání kovové houby titanu se v zásadě jen málo liší od hořčíkové tepelné metody. Tyto dvě metody se v průmyslu nejvíce využívaly v druhé polovině minulého století v závislosti na místních podmínkách a dostupnosti činidel. V poslední době se stala dominantní hořčíková termální metoda, která má obecně pověst ekonomičtější a pohodlnější metody. Na počátku 21. století je právě hořčík považován za „nepostradatelné“ redukční činidlo při výrobě titanové houby. [5]
Jodidová metoda , navržená v roce 1925 van Arkelem a de Boerem , se stále používá k výrobě ultračistého titanu . Houbovitý titan získaný metalotermickou metodou je přeměněn na jodid (TiJ 4 ) , který je následně sublimován ve vakuu, přičemž se do cesty jeho par umístí titanový drát zahřátý na 1400 °C. V tomto případě se jodid rozloží a na drátu vyroste vrstva čistého titanu. Tento způsob výroby vysoce čistého titanu je neefektivní a drahý, proto se v průmyslu používá ve velmi omezené míře. [jeden]
Experimentální práce na výrobě titanové houby, ale i dalších výrobků, ingotů a výrobků z titanových slitin, začaly v SSSR o 5 let později než v USA, v letech 1952-1953. Bylo rozhodnuto zorganizovat průmyslovou výrobu v Záporoží a Verkhnyaya Salda ve Sverdlovské oblasti . Řetězec spojení byl rozdělen mezi republiky. Na Ukrajině byl syntetizován houbovitý titan, který byl transportován do Asociace metalurgické výroby Verkhnyaya Salda ( VSMPO ), kde v roce 1957 začal průmyslový vývoj a výroba titanových ingotů a poté výrobků ze slitin titanu. Proces nastavování technologie a vypracování výrobního cyklu se ukázal jako extrémně náročný, procházel nehodami, výbuchy i požáry, což vyžadovalo maximální mobilizaci sil a přitahování tvůrčí energie zaměstnanců. [6]
Do konce 80. let fungoval v SSSR dobře fungující titanový řetěz, který se skládal ze 4 závodů. Tři titan-hořčíkové závody ( Záporoží , Usť-Kamenogorsk a Bereznikovskij ) dodaly titanovou houbu a zatěžovaly tak intenzivně se rozvíjející výrobní kapacity společnosti VSMPO, která vyráběla titanové válcované výrobky, výrobky a slitiny.