ПРОИЗВОДСТВО ТИТАНА

Титан получают магниетермическим способом. Производство титана включает обогащение титановых руд, выплавку из них титанового шлака с последующим получением из него четыреххлористого титана и восстановление из последнего металлического титана магнием.

Основные этапы производства титана из ильменитовой руды приведены на упрощенной технологической схеме рис. 2.19.

Рис. 2.19. Схема магниетермического способа получения титана

Сырьем для получения титана являются титаномагнетитовые руды, из которых выделяют ильменитовый концентрат, содержащий 40 ... 45 % ТЮ 2 , ∼30 % FeO, 20 % Fe 2 O 3 и 5 ... 7 % пустой породы. Название этот концентрат получил по наличию в нем минерала ильменита FeO · TiO 2 .

Ильменитовый концентрат плавят в смеси с древесным углем, антрацитом, где оксиды железа и титана восстанавливаются. Образующееся железо науглероживается, и получается чугун, а низшие оксиды титана переходят в шлак. Чугун и шлак разливают отдельно в изложницы. Основной продукт этого процесса - титановый шлак - содержит 80 ... 90 % ТiO 2 , 2 ... 5 % FeO и примеси SiO 2 , A1 2 O 3 , СаО и др. Побочный продукт этого процесса - чугун - используют в металлургическом производстве.

Полученный титановый шлак подвергают хлорированию в специальных печах. В нижней части печи располагают угольную насадку, нагревающуюся при пропускании через нее электрического тока. В печь подают брикеты титанового шлака, а через фурмы внутрь печи - хлор. При температуре 800 ... 1250 °С в присутствии углерода образуется четыреххлористый титан, а также хлориды СаС1 2 , MgCl 2 и др.:

ТiO2 + 2С + 2С1 2 = TiCl 4 + 2CO.

Четыреххлористый титан отделяется и очищается от остальных хлоридов благодаря различию температуры кипения этих хлоридов методом ректификации в специальных установках.

Титан из четыреххлористого титана восстанавливают в реакторах при температуре 950 ... 1000 °С. В реактор загружают чушковый магний; после откачки воздуха и заполнения полости реактора аргоном внутрь его подают парообразный четыреххлористый титан. Между жидким магнием и четыреххлористым титаном происходит реакция

2Mg + TiCl 2 = Ti + 2MgCl 2 .

Твердые частицы титана спекаются в пористую массу - губку, а жидкий MgCl 2 выпускают через летку реактора. Титановая губка содержит 35 ... 40 % магния и хлористого магния. Для удаления из титановой губки этих примесей ее нагревают до температуры 900 ... 950 °С в вакууме.

Титановую губку плавят методом вакуумно-дугового переплава (см. с. 50). Вакуум в печи предохраняет титан от окисления и способствует очистке его от примесей. Полученные слитки титана имеют дефекты, поэтому их вторично переплавляют, используя как расходуемые электроды. После этого чистота титана составляет 99,6 ... 99,7 %. После вторичного переплава слитки используют для обработки давлением.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Назовите исходные материалы для производства чугуна, стали, цветных металлов.

2. Назовите основные операции подготовки руд к плавке.

3. Назовите основные металлургические процессы доменного производства.

4. Возможно ли удаление серы и фосфора при выплавке чугуна в домнах?

5. Сформулируйте принципиальную сущность процессов при получении стали из чугуна.

6. Назовите этапы плавки стали и основные процессы в каждом из них.

7. На каком из этапов выплавки стали производят легирование?

8. Назовите этапы процессов плавки в основных мартеновских печах, в конвертерах, в электропечах.

9. Вспомните основные различия в качестве сталей, выплавленных в конвертерах, мартеновских печах, в электропечах - дуговых и индукционных.

10. Назовите способы разливки стали; определите их преимущества и недостатки.

11. Назовите основные отличия в кристаллизации и в строении слитков спокойной, кипящей и полуспокойной стали.

12. Назовите принципиальную сущность и назначение основных способов повышения качества выплавляемой стали.

13. Перечислите основные способы и исходные материалы, используемые при производстве меди, алюминия, магния, титана.

По материалам , 2004-2007г.

Источники получения диоксида титана

Минеральными источниками для производства диоксида титана обычно служат титансодержащие руды: рутилы, ильмениты и люкоксены (в русской транскрипции — лейкоксены). Наиболее богатыми являются рутилы (rutile): в них содержится от 93 до 96% двуокиси титана (TiO 2), в ильменитах (ilmenite) — от 44 до 70%, а концентраты люкоксенов (leucoxene) могут содержать до 90% TiO2.

Из всей добываемой титановой руды лишь 5% идет непосредственно на производство титана. Остальные 95% используются в производстве красок, пластмасс, каучука, бумаги и т. д. (Белый оксид титана обладает высокими преломляющими свойствами и рассеивающей способностью.)

В настоящее время в мире выявлено более 300 месторождений титановых минералов, в т. ч. магматических — 70, латеритных — 10, россыпных — более 230. Из них разведано по промышленным категориям 90 месторождений, преимущественно россыпных.

В коренных (магматических) месторождениях содержится около 69%, в корах выветривания карбонатитов — 11,5%, в россыпных месторождениях — 19,5% мировых (без России) запасов титана. Из них запасов в ильмените более 82%, в анатазе— менее 12%, в рутиле — 6%.

Ильменит-магнетитовые и ильменит-гематитовые руды коренных месторождений составляют основу минерально-сырьевой базы титановой промышленности Канады, Китая и Норвегии. Месторождения в корах выветривания карбонатитов известны и разрабатываются только в Бразилии. В остальных странах основные запасы титановых минералов заключены в россыпных, преимущественно комплексных месторождениях.

Наибольшее промышленное значение имеют современные и древние прибрежно-морские и сопровождающие их дюнные россыпи. Протяженность каждой россыпи невелика — от сотен метров до нескольких километров. Однако они часто образуют прослеживаемые на десятки и сотни километров серии россыпей, разделенных небольшими участками безрудных отложений. Такие серии россыпей заключают в себе большую часть запасов титанового сырья Австралии (на западном и восточном побережьях континента), Индии (западное и восточное побережья), США (Атлантическое побережье полуострова Флорида), ЮАР и Кении, значительную часть запасов Бразилии (побережье Атлантического океана).

Наиболее высококачественным сырьем для производства пигментного диоксида титана являются рутил и анатаз, содержащие соответственно 92-98% и 90-95% диоксида титана. В отличие от ильменита (43-53% TiO 2) они не требуют предварительного обогащения путем передела в промежуточные продукты.

Мировые (без России) подтвержденные запасы диоксида титана составляют около 800 млн т. Основными источниками получения диоксида титана являются ильменитовый концентрат и природный рутил. Структура источников получения диоксида титана приведена на рисунке.

Методы производства и структура потребления

Как уже отмечалось выше, львиная доля — 90% — ежегодно добываемых титановых минералов используется для производства пигментного диоксида титана. Первоначально для этого использовали сульфатный процесс. Затем был разработан более экономичный и менее экологически опасный хлоридный способ.

Хлоридный метод позволяет решить проблему утилизации сульфата железа, однако выдвигает дополнительные требования к качеству титановых концентратов. В этом случае используются природный рутиловый концентрат, либо синтетический рутил, либо титановый шлак с содержанием TiO 2 от 55 до 60% (для сульфатного способа — не менее 42% TiO 2).

В 2001 г., по оценке американской компании IBMA, мировое потребление диоксида титана составило 4062 тыс. т. При этом на долю лакокрасочной промышленности приходилось 59%, производства пластмасс — 20%, ламинированной бумаги — 13%.

В ближайшие годы наиболее высокими темпами будет расти потребление диоксида титана в производстве ламинированной бумаги — на 4-6% в год, а также в производстве пластмасс — на 4% в год. Рост потребления диоксида титана в лакокрасочной промышленности будет менее быстрым — не более 1,8-2% в год.

Структура потребления диоксида титана, по оценкам европейских экспертов, такова. 58-62% произведенного в мире диоксида титана используется в лакокрасочной промышленности, где постепенно вытесняются из производства краски на основе цинка, бария и свинца. Среднее содержание TiO 2 в красках составляет 25%.

Около 12-13% диоксида титана используется как пигмент при производстве бумажных изделий в виде рутила (высокосортная бумага) или анатаза (низкосортная бумага, картон). В среднем при изготовлении 1 т бумаги используется 1,4 кг TiO 2 .

На производство пластмасс расходуется около 18-22% диоксида титана. Незначительные количества химиката потребляются в производстве каучука, косметики и искусственных волокон.

Удельный вес США и стран Западной Европы в мировом потреблении диоксида титана составляет по 33%, Азии — около 25%.

Области применения диоксида титана

Следует отметить, что в разных странах в одной и той же отрасли промышленности диоксид титана используется по-разному. В качестве примера возьмем Северную Америку и Западную Европу. Эти регионы — основные потребители диоксида титана в целлюлозно-бумажной промышленности.

В Северной Америке этот сектор рынка диоксида титана уже достаточно хорошо развит: до 96% всего объема титанового пигмента, потребляемого в целлюлозно-бумажной промышленности, расходуется в производстве печатной и писчей бумаги. И только около 4-6% идет на изготовление ламинированной бумаги.

В Западной Европе за последние 10 лет потребление диоксида титана в целлюлозно-бумажной промышленности выросло на 50%, причем темпы роста более чем в 2 раза превышали мировые. По оценке компании DuPont, до 90% диоксида титана, потребляемого бумажным производством, расходуется на изготовление ламинированной бумаги. Секторы рынка печатной и писчей бумаги, а также производство специальных сортов, например, обойной бумаги, развиты недостаточно.

По прогнозам экспертов, в Западной Европе потребление диоксида титана в целлюлозно-бумажной промышленности будет и дальше развиваться ускоренными темпами, в т. ч. в секторе неламинированных сортов бумаги, но не исключены временные спады.

В производстве неламинированных сортов бумаги диоксид титана будет постепенно вытеснять традиционный белый пигмент — каолин. Эта замена ведет к существенному улучшению таких качеств бумаги, как белизна, однородность поверхности, внешний вид. Снижение содержания пигмента — с 6% для каолина до 2% для диоксида титана —ведет к повышению прочностных свойств бумаги (на разрыв, растяжение и т. д.). Это позволит снизить расход упрочняющих волокон, что отразится на себестоимости конечной продукции. Кроме того, уменьшится толщина, но при этом сохранится непрозрачность бумаги.

Крупнейшие компании — производители диоксида титана

По данным компании Millennium Inorganic Chemicals Inc., в 2000 г. спрос на диоксид титана на мировом рынке превысил все ожидания: мировое потребление этого продукта выросло примерно на 5,5-5,6%, в т. ч. в Северной Америке — на 3-3,5, странах Западной Европы — на 7-8, Азии — на 10-11%. В связи с высоким спросом на диоксид титана и закрытием некоторых производств в середине года на западноевропейском рынке ощущалась нехватка диоксида титана.

Согласно данным фирмы Articol, мировой спрос на диоксид титана в 2005 г. составил 4,5 млн т.

В настоящее время диоксид титана производится на 53 заводах в 26 странах мира. Загрузка мощностей на предприятиях-производителях в среднем составляет 92%, в т. ч. в США и Европе — 96%, в странах Азиатско-Тихоокеанского региона — 85-91%.

Крупнейшим продуцентом пигментного диоксида титана является компания E.I. du Pont de Nemours & Co. Inc. (DuPont). Компания владеет заводами в США (3 завода), Мексике и Тайване суммарной мощностью 1000 тыс. т/год, которые работают по хлоридной технологии.

Рассматривалась возможность строительства в Европе завода по выпуску диоксида титана мощностью 120-150 тыс. т/год, однако руководство компании пришло к выводу о неэкономичности такого строительства. По мнению DuPont, новые заводы целесообразнее строить в Китае.

Заводы компании Millennium Inorganic Chemicals Inc. расположены в США (2 завода), Великобритании, Франции (2 завода) и Австралии. В производстве используется как сульфатная (суммарная мощность 182 тыс. т/год), так и хлоридная технология (350 тыс. т/год).

В январе 1998 г. компания ввела в строй два новых завода с сульфатным процессом во Франции, затем закончила модернизацию завода с хлоридным процессом в г. Сталлингбараф (Великобритания), мощность которого увеличена с 109 до 150 тыс. т/год.

В настоящее время компания Millennium Chemicals рассматривает проект увеличения на 10-20% мощностей по производству сверхтонкого диоксида титана на своем заводе в г. Тан (Франция). Сравнительно недавно на этом предприятии завершилась реализация инвестиционной программы на сумму 11,6 млн евро. В результате удалось увеличить выпуск диоксида титана на этом заводе с первоначальных 3,4 до 10 тыс. т/год.

Капиталовложения осуществлялись в рамках стратегии наращивания выпуска дорогого и высокоприбыльного TiO 2 в форме наночастиц за счет сокращения производства обычных марок этого продукта (под сверхтонкими частицами следует понимать частицы размером от 1 до 150 нанометров). Появление нового проекта по наращиванию мощностей на заводе в Тане* объясняется исключительно большим спросом на сверхтонкий диоксид титана на мировом рынке.

Вице-президент компании Джек Вон Охлен заявил, что планируемые изменения на заводе в Тане сделают Millennium Chemicals компанией № 1 в производстве сверхтонкого диоксида титана. Ей будет принадлежать от 35 до 40% мирового рынка этого продукта. Общий объем продаж компании по данным 2005 года составляет 116 млн евро в год.

Компания Tioxide (дочерняя компания Huntsman Corp.) владеет 6 заводами с сульфатной технологией (суммарная мощность — 456 тыс. т/год), расположенными в Великобритании, Испании, Италии, Малайзии и ЮАР, и одним заводом с хлоридной технологией (100 тыс. т/год) в Великобритании — в г. Грейтхем.

В IV квартале 2002 г., после увеличения мощности установки по производству диоксида титана в г. Уэльва (Испания) на 17 тыс. т/год, на рынки поступила дополнительная продукция компании Tioxide. (Инвестиции в реализацию этого проекта составили 40 млн долл.)

Компания Kronos Inc. (дочерняя компания NL Industries Inc.) владеет 4 заводами с сульфатной технологией в Германии, Канаде и Норвегии суммарной мощностью 24 тыс. т/год и 3 заводами с хлоридной технологией в Германии, Канаде и Бельгии суммарной мощностью 230 тыс. т/год.

Компания Kemira Pigments OY производит пигментный диоксид титана на трех заводах: в США, Финляндии и Нидерландах. В 1998 г. компания инвестировала 6 млн долл. в увеличение до 120 тыс. т/год мощности завода с сульфатной технологией в г.Пори (Финляндия), 20 млн долл. — в модернизацию производства на заводе в г.Саванна (штат Джорджия, США) и планирует строить третий блок на фабрике хлоридного производства диоксида титана в г. Роттердам (Нидерланды).

Компания Kerr-McGee эксплуатирует два своих предприятия в г.Гамильтон (США), которые работают по хлоридной технологии, а также пользуется производственными мощностями компании Bayer в Германии и Бельгии.

В 1999 г. завершилась работа по расширению мощностей завода в Гамильтоне, в результате которой они увеличились со 150 до 178 тыс. т/год.

Совместно с компанией TiWest компания эксплуатирует предприятие в г.Квиана (штат Западная Австралия) мощностью 83 тыс. т/год и совместно с компанией Cristal Pigment — завод в г.Янбо (Саудовская Аравия).

Kerr-McGee в середине 2001 г. завершила расширение мощностей (на 10%) предприятия в Австралии. Кроме того, компания проводит работы по снижению издержек производства на своих заводах, в первую очередь, на предприятиях в г. Ботлек (Нидерланды) и г. Саванна (США). Эти заводы она приобрела в 2000 г. у компании Kemira.

По данным японской Japanese Titanium Dioxide Industry Association, в 1998 г. в Японии было произведено 253 тыс. т диоксида титана. Крупнейшим продуцентом является Ishihara Sangya Kaisha Ltd., эксплуатирующая заводы в Японии и Сингапуре. Диоксид выпускают и другие японские компании, в т. ч. Tayca, Sakai Chemical, Furukawa, Fuji Titanium Titan Kogyo и Tohkem.

Компания Sachtleben Chemie, дочерняя структура Metallgesellschaft AG, эксплуатирует фабрику в г. Дуйсбург (Германия) и производит в основном анатазовую форму диоксида титана для синтетического стекловолокна, а также диоксид титана для пищевой и фармацевтической промышленности.

Польская компания Zaklady Chemiczne эксплуатирует единственное предприятие по производству рутилового пигментного диоксида титана по сульфатной технологии мощностью 36 тыс. т/год, используя норвежский ильменитовый концентрат и канадский титановый шлак.

Чешская компания Precheza AS эксплуатирует предприятие мощностью 27 тыс. т/год в г. Превов (Чехия), выпуская анатазовый диоксид титана.

В Словении имеется единственное предприятие по производству рутилового диоксида титана мощностью 34 тыс. т/год, принадлежащее компании Cinkarna Metalursko Kemicna Industrija Celje.

В Украине компания «Агрохим» в г. Сумы и «Крымский титан» в г. Армянск производят пигментный диоксид титана по сульфатной технологии на двух заводах мощностью 20 и 40 тыс. т/год соответственно.

Австрийская торговая компания ITA Privest GmbH профинансировала реконструкцию Крымского титаномагниевого комбината в г. Армянске для увеличения мощности предприятия. В результате к 2002 г. мощности комбината выросли до 80 тыс. т/год.

Структура производства диоксида титана крупнейшими компаниями мира

Около 90% производимого в Украине диоксида титана поступает на экспорт. Основным импортером является Россия: она покупает примерно 60% всего украинского продукта.

В Республике Корея компания Hankook Titanium Industry Co. Ltd. эксплуатирует два предприятия по производству анатазового диоксида титана мощностью около 30 тыс. т/год в г. Каявадон и недавно открыла новую фабрику мощностью 20 тыс. т/год в г. Онсан.

В Индии компании Kerala Minerals и Metals Ltd. производят рутиловый диоксид титана по хлоридной технологии. Три другие компании — Travancore Titanium Products Ltd., Kolmak Chemicals Ltd. и Kilburn Chemicals Ltd. — производят анатазовый пигмент по сульфатной
технологии.

Суммарные мощности заводов Китая оцениваются в 130 тыс. т/год. Все предприятия работают по сульфатной технологии и перерабатывают местные ильменитовые концентраты.

Структура производства диоксида титана крупнейшими фирмами-производителями представлена на рисунке.

Крупнейшие потребители диоксида титана

Страны — производители диоксида титана являются и его основными потребителями. В равной мере это относится и к США, и к Западной Европе в целом. Причем США заметно опережают все страны мира по душевому потреблению этого продукта, которое оценивается примерно в 3,5 кг. В Западной Европе этот показатель составляет около 2 кг.

На рисунке представлена структура потребления диоксида титана в мире, основанная на оценках компании IBMA.

Немного подробнее о некоторых крупнейших фирмах — потребителях пигментного диоксида титана.

Крупнейший производитель пигментного диоксида титана компания DuPont одновременно является и его потребителем. Другие фирмы закупают диоксид титана на рынке.

DuPont является крупнейшим химическим концерном США и одним из 5 крупнейших в мире. В структуру компании входят пять производственных подразделений: химикаты, волокна, полимеры, нефть, другие производства. 175 производственных и перерабатывающих мощностей компании расположены
в 125 городах США и примерно в 70 странах Европы, Южной Америки и других частей света. На предприятиях компании DuPont занято более 100 тыс. человек.

Фирма ICI — крупнейшая химическая компания Великобритании. В сферу ее интересов входит почти весь мир. Три четверти продаж компании примерно равными долями распределяются между Великобританией, Центральной Европой и Америкой. Остальные продажи приходятся на Азиатско-Тихоокеанский регион.

Подразделение компании ICI — ее дочерняя компания Tioxide Group Ltd является производителем пигментов на основе диоксида титана и связанных с ними химических продуктов. Это второй крупнейший производитель пигментов на основе диоксида титана в мире и самый крупный в Европе.

Выпускаемые компанией пигменты на основе диоксида титана используются для получения самых разных продуктов, от которых требуется светонепроницаемость или белизна. Основными потребителями пигментов являются предприятия по производству красок (основной потребитель), пластиков, бумаги и печатных паст.

Tioxide имеет производства в Великобритании, Франции, Италии, Испании, Канаде, Австралии и Малайзии.

Rhone-Poulenc — это многонациональная промышленная фирма, которая занимается исследовательской деятельностью, разработкой, производством, сбытом органических и неорганических полупродуктов, специализированных химических продуктов, волокон, полимеров, химикатов для фармацевтической промышленности и сельского хозяйства.

В структуру Rhone-Poulenc входят четыре подразделения: косметическая продукция, химическая продукция, волокна и полимеры, агрохимическая продукция. Штаб-квартира Rhone-Poulenc, а также центральные офисы подразделений химической продукции, волокон и полимеров расположены в г. Курбевуа (Франция). Штаб-квартира подразделения агрохимикатов находится в г. Лионе (Франция). Дочерняя североамериканская фирма Rhone-Poulenc Inc. находится в г. Принстоне (штат Нью-Джерси, США).

Представительства фирмы имеются в 50 странах на пяти континентах. Основные предприятия по производству химических полупродуктов и торговые офисы расположены в Европе и США, в меньшей степени — в Бразилии, Корее и Японии. Специализированные химические продукты выпускаются главным образом во Франции, Великобритании и США. Предприятия по производству волокон и полимеров работают преимущественно в Европе и Северной Америке. Часть продукции выпускается в Азии, где фирма пытается расширить
свое присутствие на местных рынках. Агрохимикаты производятся в Западной Европе, Северной Америке, Мексике, Южной Америке, Азии и Австралии.В фирме работает около 9000 человек.

Представительство корпорации действует в Москве, Киеве и в столицах других республик бывшего СССР.

Dow Chemical Company — одна из крупнейших химических компаний. Она имеет 94 предприятия в 30 странах, в т. ч. в США — 4, в Канаде и Германии - по 2, по одному — во Франции, Нидерландах, Испании и Бразилии. Принадлежащие ей заводы работают примерно на 92% от имеющихся мощностей.

Внимание компании направлено на индустриальные и индустриально развивающиеся страны. В ней работает около 40 тыс. служащих. Продукты, которые выпускает компания, реализуются на рынке в основном через ее торговые подразделения. На некоторых зарубежных рынках их продают дистрибьюторы.

Ведущим предприятием по производству красок на европейском рынке является Akzo Nobel. Штаб-квартира компании находится в Нидерландах, а производственные предприятия и коммерческие представительства — в 75 странах мира. Общий штат компании — 68 000 работников. Годовой оборот в 1999 г. составил 13 млрд долл. США.

Вся продукциякомпании сертифицирована по стандарту ISO 9000. Компания хорошо известна на российском рынке.

Sigma Coatings — один из крупнейших в Европе производителей красок и покрытий. Эта компания является составной частью Petrofina — объединенного международного нефтехимического концерна со штаб-квартирой в Брюсселе. Ее головной офис находится в г. Уитхорне, близ Амстердама (Нидерланды). В штате компании насчитывается около 4000 человек. Sigma специализируется на разработке, производстве и внедрении новых технологий нанесения красок и покрытий.

Широко известный в России концерн Tikkurila входит в десятку крупнейших производителей лакокрасочных материалов в Европе. Его продукция выпускается в 13 странах и продается практически по всему миру.

Вся продукция сертифицирована на соответствие международному стандарту качества ISO 9001 и имеет экологический сертификат Европейского сообщества.

Тенденции и прогнозы

Для правильного понимания тенденций на этом рынке необходимо учитывать следующее. Диоксид титан можно отнести к стандартизированной продукции, которая производится в условиях олигополии, поскольку на этом товарном рынке работает относительно малое число фирм-производителей. Доля четырех компаний — DuPont, Millennium, Kerr-McGee, Huntsman (Tioxide) — составляет более 65% от мирового производства этого продукта.

Спрос на диоксид титана подвержен периодическим подъемам и спадам, что связано с общемировой экономической конъюнктурой, однако в длительной перспективе прослеживается тенденция к его росту. Если в 1993-1996 гг. мировое потребление оценивалось в 2,9-3,3 млн т, в 2000 г. - 3,9 млн т, то в 2004 г. оно, по прогнозам, составит 4,5 млн т, а в 2005 г. — 5,1 млн т.

В настоящее время имеется небольшой резерв для наращивания производства диоксида титана, поскольку загрузка мощностей по его производству в мире составляет в среднем 92%.

Таким образом, можно прогнозировать увеличение объема мирового рынка диоксида титана в ближайшие 5-10 лет на 12-15% при ежегодном росте цен на этот продукт примерно на 5-7%.

Мировой рынок диоксида титана характеризуется стремительным развитием в первую очередь из-за возможности широкого употребления диоксида в различных промышленных сферах. В мире производится 85-90% диоксида титана рутильной модификации и 10-15% - анатазной. На европейском рынке в последние 2-3 года происходит стабильный рост цен. До этого на протяжении 20 лет цены имели тенденцию к снижению, что негативно отразилось на вводе новых производств.

Еще в начале 2007 года некоторые рудники для добычи титаносодержащего сырья в Западной Европе были закрыты, из-за чего увеличилась стоимость исходных материалов. Цены на диоксид титана в Европе колеблются от $2,1 за кг (украинское производство) до 4,5 $ (немецкий и финский диоксид титана). Отдельные производители начали внедрять политику повышения цен еще с 4 квартала 2007 года.

Рынок диоксида титана в Азии также расширяется в связи с экономическим развитием стран. Потребление диоксида возрастает, и пропорционально увеличиваются цены. Так, стоимость тонны диоксида превышает среднемировые цены практически на $50. Здесь расширяется производство, налаживаются тесные контакты, к примеру, между Россией и Индией, Китаем и КНДР.

Удельный вес США и стран Западной Европы в мировом потреблении диоксида титана составляет по 33%, Азии — около 25%. Наблюдается тенденция что страны, в которых потребление диоксида титана наименьшее в мире (Аргентина, Малайзия, Польша, Пакистан, Россия и пр.), в скором времени расширят внутренние рынки. Предполагаемый рост - от 4 до 9% ежегодно.

Титан особо ценится за низкую плотность в сочетании с высокой прочностью и отличной стойкостью к коррозии. Максимальный показатель прочности на разрыв чистого титана может достигнуть 740 Н/мм2, а показатель такого сплава как LT 33, содержащего алюминий, ванадий и олово, достигает 1200 Н/мм2. Температурный коэффициент расширения металла составляет около половины от температурного коэффициента расширения нержавеющей стали и меди, и одну третью часть от данного коэффициента алюминия. Его плотность составляет около 60% от плотности стали, одну вторую от плотности меди и в 1.7 раз больше, чем у алюминия. Его модуль упругости составляет половину от модуля упругости нержавеющей стали, что делает его стойким и прочным к ударам.Авиакосмическая промышленность остается самым крупным потребителем этого металла. Титановые сплавы, способные к функционированию при температурах от 0°С до 600°С, используются в авиадвигателях для дисков, лопастей, валов и корпусов. Высокопрочные сплавы широко используются в производстве различных деталей, входящих в конструкцию летательных аппаратов - от мелких крепежных деталей, которые весят несколько граммов, до тележек шасси и больших крыльевых балок, вес которых достигает 1 тонны. Титан может составлять 10 процентов ненагруженного веса некоторых серийных пассажирских самолетов. Сейчас титан в основном потребляется в виде диоксида титана - нетоксичного белого пигмента, который используют для производства красок, бумаги, пластмассы и косметики.

Начало

Хотя о существовании титановых минералов известно более 200 лет, серийное производство титана и пигмента диоксида титана для продажи началось не раньше 1940 года. В.Дж.Кроли запатентовал метод производства титана методом угле-хлорирования титанового диоксида в 1938году. Этот элемент был назван в честь Титанов из греческой мифологии немецким химиком МТ.Клапрот, который успешно отделил диоксид титана от рутила в конце восемнадцатого века.

Американское Геологическое управление подсчитало, что добыча ильменита в мире в 2004 году в целом составила 4.8 млн тонн, в то время как добыча рутила в мире в целом составила 400 000 тонн. Ильменит обеспечивает потребность в титановых минералах в мире на 90%. По подсчетам Американского Геологического управления мировые ресурсы анатаза, рутила и ильменита в общем составляют более двух миллиардов тонн.

Производство

Первый этап в производстве титана заключается в изготовлении губки путем хлорирования руды рутила. Хлор и кокс соединяют с рутилом для создания тетрахлорида титана, который затем в замкнутой системе соединяют с магнием для производства титановой губки и хлорида магния. Магний и хлорид магния извлекают для переработки путем использования вакуумного дистилляционного процесса или технологического процесса выщелачивания, создателем которого является Кроль. Основными производителями титановой губки являются США, Россия, Казахстан, Украина, Япония и Китай.

Метод вакуумно-дугового переплава или электронно-лучевая холодная подовая печь используются для плавки губки со скрапом и/или легирующими элементами, такими как ванадий, алюминий, молибден, олово и цирконий для производства переплавленных электродов. Данные электроды можно вновь переплавить методом вакуумно-дугового переплава для производства материала по наиболее строгим спецификациям в авиакосмической сфере и в сфере высоких технологий, или их можно отлить прямо в слябы.

Слитки ВДП имеют цилиндрическую форму и могут весить до 7.94 тонн. Их куют для изготовления слябов или биллетов или используют для прецизионного литья. Методом прокатки производят плиты, листы прутки, стержни и проволоку. Трубы производят из нарезанных из листов штрипсов.

Применение

В повседневной жизни титан обычно ассоциируется с ценными изделиями, такими как наручные часы, оправы для очков, спортивные товары и ювелирные изделия, но кроме этого он широко используется в авиации, а также в других областях, в которых титан, благодаря сочетанию своих физических свойств и био-совместимости, имеет преимущества перед другими металлами. В зависимости от непосредственного назначения, титан конкурирует с никелем, нержавеющей сталью и циркониевыми сплавами.

Многообещающие признаки роста показывает автомобильный сектор. В системах подвесок, например, замена стальных пружин на титановые дает преимущество в виде уменьшения веса на 60%. Также титан применяют в производстве коленчатых валов, соединительных тяг и выхлопных систем. Электростанции и заводы по опреснению морской воды также являются важными областями для роста применения титана. В то же время идет развитие производства титановых подложек для компьютерных жестких дисков.

Диоксид титана (оксид титана, двуокись титана) – амфотерное неорганическое соединение четырехвалентного титана с кислородом, которое является основным продуктом при разработке титановых руд. Диоксид нерастворим в разведенных минеральных кислотах, кроме фторидной, что является одним из главных факторов использования его в промышленности.

В настоящее время крупнейшими компаниями, занимающимися производством диоксида титана, являются DuPont Titanium Technologies, National Titanium Dioxide Co., Ltd. (Cristal), Huntsman Pigments, Tronox, Inc., Kronos Worldwide, Inc., Sachtleben Chemie GmbH, Ishihara Sangyo Kaisha, Ltd.

По данным компании ARTIKOL, в конце 2008 г. мощности по производству диоксида титана компании DuPont составляли 1150 тыс. тонн в год, Cristal – 705 тыс. т в год, Hunstman – 659 тыс. т/год, Tronox – 642 тыс. т/год, Kronos – 532 тыс. т/год, Sachtleben – 240 тыс. т/го, Ishihara — 230 тыс. т/год.

По данным анализа TZMI, охватывающего более 60 предприятий в 27 странах (92% мирового производства диоксида титана в 2008 г.), самая низкая себестоимость производства была в 2008 г. на заводах Yanbu (Cristal Global) и Edge Moor (DuPont). Среди крупных компаний самая высокая прибыльность была в 2008 г. на всех заводах компании DuPont (США).

DuPont Titanium Technologies

Компания DuPont Titanium Technologies продолжает работу по реализации проекта строительства завода по производству диоксида титана по хлоридной технологии мощностью 200 тыс. тонн в год в Dongying (провинция Shandong, Китай). Представители компании DuPont Titanium Technologies сообщили, что строительство этого завода может быть завершено в течение 3-4 лет после получения разрешения от китайских властей. Основная проблема, связанная со строительством этого завода, решение вопросов утилизации отходов, так как компания DuPont на этом заводе предполагает использовать обогащенный ильменитовый концентрат (другие производители диоксида титана по хлоридной технологии используют рутиловый концентрат или синтетический рутил).

Отходы планируется хранить в глубоких колодцах, что вызывает у китайских разрешительных органов ряд вопросов, поэтому до сих пор компания не получила экологическое разрешение на строительство этого завода. Но компания очень заинтересована в строительстве завода в Китае, так как основная тенденция на мировом рынке – смещения центра потребления из Европы и Северной Америки в Азию, а транспортные расходы у компании DuPont при поставках в Азию в 2008 г. выросли до 20% от общей стоимости продукта. Гораздо выгоднее поставлять ильменитовый концентрат из Австралии в Китай и реализовывать готовый продукт на этом рынке, чем возить сырье из Австралии в США, а затем полученный пигмент в Китай.

Cristal Global

Cristal Global (Саудовская Аравия) так же, как и компания DuPont, использует прямое хлорирование ильменитовых концентратов. Завод этой компании в Саудовской Аравии использует дешевые энергетические ресурсы. Для компенсации потерь от приостановки убыточных предприятий во Франции и США компания Cristal Global расширила мощности по выпуску диоксида титана на предприятие в Yanbu (Саудовская Аравия) со 100 тыс. т в год до 150 тыс. т в год (хлоридная технология). Это предприятие, по заявлению представителей компании, может выпускать даже до 180 тыс. тонн диоксида титана в год. Завод в Yanbu не только имеет самую низкую себестоимость производства, но и получает хлор по самой низкой цене. Определенной проблемой для этого предприятия является увеличение выпуска в качестве побочного продукта гидроксида натрия (на 1 тонну хлора – 1,1 т гидроксида натрия). В Австралии предприятия по производству диоксида титана хлоридным способом поставляют образующийся в качестве побочного продукта гидроксид натрия производителям алюминия. Для компании Cristal Global с точки зрения обеспечения титансодержащим сырьем большое значение имело приобретение сырьевой австралийской компании Bemax Resources Ltd. При этом произошло пересечение интересов в области поставок сырья со своим основным конкурентом – компанией DuPont, заключившей ранее предварительные соглашения на поставку титансодержащего сырья от компании Bemax. Отмечается, что завод компании Cristal Global в Thann (Франция) стал крупнейшим предприятием в мире по объемам производства ультрадисперсных марок диоксида титана.

Kronos Worldwide Inc.

Компания Kronos Worldwide Inc. сообщила, что за 9 месяцев 2009 г. было реализовано 335 тыс. тонн диоксида титана, произведено – 280 тыс. тонн. На конец второго квартала 2009 г. складские запасы готовой продукции у компании были эквиваленты менее чем двум месяцам средних объемов продаж и были ниже, чем в конце первого квартала и в конце 2008 г.

Компания Kronos производит свыше 40 марок диоксида титана, в том числе рутильной модификации (на предприятиях, использующих хлоридную технологию) для лакокрасочной промышленности, производства пластмасс и бумаги, и анатазной модификации (сульфатный способ производства). Компания в течение 10 лет увеличила свои производственные мощности на 30% за счет модернизации производства. В 2008 г. использование производственных мощностей на предприятиях компании доходило до 97%, использование мощностей в 2009 г. оценивается на уровне 70-80%.

Huntsman Corp.

Компания Huntsman Corp. владеет шестью заводами, действующими по сульфатной технологии, расположенными в Великобритании, Испании, Италии, Малайзии и ЮАР, и одним заводом с хлоридной технологией в г. Greatham, Великобритания. Отмечается, что себестоимость производства диоксида титана на заводе в г. Greatham самая низкая в Европе. Более 60% продаж диоксида титана компании Huntsman приходится на европейский рынок.

Huntsman договорилась в начале 2009 г. о получении компенсации за отказ от слияния от Herixon Speciality Chemicals Inc. Herixon в конце 2008 г. отказалась от сделки по слиянию с компанией Huntsman стоимостью 10,6 млрд. долл., ссылаясь на мировой финансовый кризис и утверждая, что новое подразделение будет неплатежеспособным. Huntsman потребовала возмещения от банков, финансировавших сделку — Credit Suisse и Deutsche Bank, которые поддерживали Herixon в конфликте. Компании удалось выиграть процесс и получить возмещение от банков в сумме $620 млн.

Tronox Inc.

Компания Tronox Inc. (США) в 2008 г. произвела 535 тыс. тонн диоксида титана. Компания производит 14 марок диоксида титана по хлоридной технологии и 17 марок – по сульфатной технологии. Компания Tronox при выделении из группы Kerr-McGee Corp. в 2006 году, согласилась выплатить $100 млн. за работы, связанные с ликвидацией последствий загрязнения окружающей среды закрытым предприятием по производству диоксида титана сульфатным способом в США.

Однако, как оказалось, для разрешения взятых экологических обязательств требуется гораздо большая сумма. В начале 2009 г., не сумев справиться с финансовыми трудностями, Tronox запустила процедуру банкротства. Tronox Incorporated и ее дочерние компании подали добровольную петицию о реорганизации согласно главе 11 Кодекса США о банкротстве 12 января 2009 г. Tronox также обращалась к своему бывшему владельцу Kerr-McGee и ее нынешнему собственнику — Anadarko Petroleum Corp. — с просьбой о помощи, так как считала, что при разделе материнская компания оставила ее без наличных средств. Публичную поддержку компании выразило американское правительство, которое обвинило Kerr-McGee в попытке уйти от ответственности за нанесенный экологический ущерб.

ЗАО «Крымский Титан»

ЗАО «Крымский Титан» (АР Крым) — крупнейший в производитель двуокиси титана на крымском полуострове.

1 сентября 2008 г. было создано совместное предприятие Sachtleben (61% Rockwood Holdings, Inc. и 39% Kemira Oyi) на базе заводов по производству диоксида титана компании Sachtleben Chemie GmbH (Duisburg, Германия) и Kemira Pigment Oy (Pori, Финляндия). Sachtleben Chemie GmbH на предприятие в Duisburg (Германия) выпускает 50% диоксида титана анатазной модификации, 35% — рутильной модификации, 15% — специальные марки и попутная продукция. На заводе в Pori (Финляндия) 80% выпуска – диоксид титана рутильной модификации, 10% — анатазной модификации, 10% — специальные марки и попутная продукция.

Компания специализируется на поставках специальных марок диоксида титана для матирования синтетических волокон, для производства печатных красок, стеклопластика, катализаторов, фармацевтики, в качестве добавок для косметических препаратов и пищевых продуктов, для производства медицинских контрастных веществ. На обоих заводах выпускаются также ультрадисперсные марки диоксида титана, нанодиоксид титана и другие продукты на основе титана (метатитановая кислота, титанилсульфат, титанаты). Рынки сбыта: 60% в Европе, по 20% — в странах Америки и странах АТР. Rockwood Holdings, Inc. после создания совместного предприятия Sachtleben и Kemira по производству диоксида титана увеличила в 1 полугодие 2009 г. выручку от продаж этого пигмента до $303.3 млн.

Страны-производители титана

Месторождения титана находятся на территории ЮАР, России, Украины, Китая, Японии, Австралии, Индии, Цейлона, Бразилии, Южной Кореи, Казахстана. В странах СНГ ведущее место по разведанным запасам титановых руд занимает РФ (58,5%) и Украина (40,2%).По данным «ХимТрейдинг Групп», сейчас почти половина мирового производства сконцентрирована в США и Китае. Заметными игроками выступают крупнейшие экономики мира- Германия, Япония, Великобритания, а также такие крупные сырьевые поставщики, как Австралия и Мексика. Доля СНГ и Восточной Европы мала, и следует учесть, что львиная доля их производства находится именно в Украине. По данным Института геологии НАНУ, Украина располагает колоссальными запасами, а именно 20% мировых запасов титановых руд в пересчете на чистый титан.

Таблица 1.Структура импорта титан двуокиси в России в (млн.т)

Таблица 2.Объём производства и мощности в китае (млн.т)

производство
мощности

Свойства титана

Титан (Ti) (Titanium) - химический элемент с порядковым номером 22, атомный вес 47,88, легкий серебристо-белый металл. Плотность 4,51 г/см 3 , t пл. =1668+(-)5°С, t кип. =3260°С. Для технического титана марок ВТ1-00 и ВТ1-0 плотность приблизительно 4,32 г/см 3 . Титан и титановые сплавы сочетают легкость, прочность, высокую коррозийную стойкость, низкий коэффициент теплового расширения, возможность работы в широком диапазоне температур.

Титан существует в двух состояниях: аморфный - темно-серый порошок, плотность 3,3923, - 395г/см 3 , и кристаллический, плотность 4,5 г/см 3 . Для кристаллического титана известны две модификации с точкой перехода при 885° (ниже 885° устойчивая гексагональная форма, выше -кубическая); t°пл. ок. 1680 °; t кип. выше 3000°. Титан активно поглощает газы (водород, кислород, азот), которые делают его очень хрупким. Технический металл поддаётся горячей обработке давлением. Совершенно чистый металл может быть прокатан на холоду. На воздухе при обыкновенной температуре титан не изменяется, при накаливании образует смесь окиси Ti 2 O 3 и нитрида TiN. В токе кислорода при красном калении окисляется до двуокиси TiO 2 . При высоких температурах реагирует с углеродом, кремнием, фосфором, серой и др. Устойчив к морской воде, азотной кислоте, влажному хлору, органическим кислотам и сильным щелочам. Растворяется в серной, соляной и плавиковой кислотах, лучше всего - в смеси HF и HNO 3 . Добавление к кислотам окислителя предохраняет металл от коррозии при комнатной температуре. В соединениях проявляет валентность 2, 3 и 4. Наиболее устойчивы и имеют наибольшее практическое значение соединения Ti(IV). Наименее устойчивы производные Ti(II). Соединения Ti(III) устойчивы в растворе и являются сильными восстановителями. С кислородом титан даёт амфотерную двуокись титана , закись Ti0 и окись Ti 2 O 3 , имеющие основной характер, а также некоторые промежуточные окислы и перекись TiO 3 . Галогениды четырёхвалентного титана, за исключением TiCl 4 - кристаллические тела, легкоплавкие и летучие в водном растворе гидрализованы, склонны к образованию комплексных соединений, из которых в технологии и аналитической практике имеет значение фтортитанат калия K 2 TiF 6.

Важное значение имеют карбид TiC и нитрид TiN - металлоподобные вещества, отличающиеся большой твёрдостью (карбид титан тверже карборунда), тугоплавкостью (TiC, t°пл. 3140°; TiN, t°пл. 3200°) и хорошей электропроводностью.

В периодической системе элементов Д.И. Менделеева титан расположен в IV группе 4-го периода под номером 22. В важнейших и наиболее устойчивых соединениях он четырехвалентен. По внешнему виду похож на сталь. Титан относится к переходным элементам. Данный металл плавится при довольно высокой температуре (1668±4°С) и кипит при 3300 °С, скрытая теплота плавления и испарения титана почти в два раза больше, чем у железа. Известны две аллотропические модификации титана. Низкотемпературная альфа-модификация, существующая до 882,5 ° С и высокотемпературная бетта-модификация, устойчивая от 882,5 °С до температуры плавления. По плотности и удельной теплоемкости титан занимает промежуточное место между двумя основными конструкционными металлами: алюминием и железом. Стоит также отметить, что его механическая прочность примерно вдвое больше, чем чистого железа, и почти в шесть раз выше, чем алюминия. Но титан может активно поглощать кислород, азот и водород, которые резко снижают пластические свойства металла. С углеродом титан образует тугоплавкие карбиды, обладающие высокой твердостью. Титан обладает низкой теплопроводностью, которая в 13 раз меньше теплопроводности алюминия и в 4 раза - железа. Коэффициент термического расширения при комнатной температуре сравнительно мал, с повышением температуры он возростает.

Модули упругости титана невелики и обнаруживают существенную анизотропию. С повышением температуры до 350°С модули упругости уменьшаются почти по линейному закону. Небольшое значение модулей упругости титана - существенный его недостаток, т.к. в некоторых случаях для получения достаточно жестких конструкций приходится применять большие сечения изделий по сравнению с теми, которые следуют из условий прочности. Титан имеет довольно высокое удельное электросопротивление, которое в зависимости от содержания примесей колеблется в пределах от 42·10 -8 до 80·10 -6 Ом·см. При температурах ниже 0,45 К он становится сверхпроводником. Титан - парамагнитный металл. У парамагнитных веществ магнитная восприимчивость при нагревании обычно уменьшается. Титан составляет исключение из этого правила - его восприимчивость существенно увеличивается с температурой.

Достоинства: 1) малая плотность (4500 кг/м 3) способствует уменьшению массы используемого материала; 2)высокая механическая прочность. Стоит отметить, что при повышенных температурах (250-500 °С) титановые сплавы по прочности превосходят высокопрочные сплавы алюминия и магния; 3) необычайно высокая коррозионная стойкость, обусловленная способностью титана образовывать на поверхности тонкие (5-15 мкм) сплошные пленки оксида ТiO 2 , прочно связанные с массой металла;4) удельная прочность (отношение прочности и плотности) лучших титановых сплавов достигает 30-35 и более, что почти вдвое превышает удельную прочность легированных сталей.

Недостатки: 1) высокая стоимость производства, титан значительно дороже железа, алюминия, меди, магния; активное взаимодействие при высоких температурах, особенно в жидком состоянии, со всеми газами, составляющими атмосферу, в результате чего титан и его сплавы можно плавить лишь в вакууме или в среде инертных газов; 2) трудности вовлечения в производство титановых отходов; 3) плохие антифрикционные свойства, обусловленные налипанием титана на многие материалы, титан в паре с титаном не может работать на трение; 4) высокая склонность титана и многих его сплавов к водородной хрупкости и солевой коррозии; 5) плохая обрабатываемость резанием, аналогичная обрабатываемости нержавеющих сталей аустенитного класса; 6) большая химическая активность, склонность к росту зерна при высокой температуре и фазовые превращения при сварочном цикле вызывают трудности при сварке титана.