«Принцы» и «нищие» в царстве минералов

Красный минерал белого металла

Титан — самый распространенный среди бывших редких металлов. Его содержание в земной коре 0,63 %, т. е. больше, чем меди, цинка, свинца, никеля, олова, вольфрама, молибдена, ртути, висмута и еще дюжины цветных металлов, вместе взятых. Первый титановый минерал — известный с древности рутил назван в соответствии со своим цветом (от лат. rutilus — красный). Это полудрагоценный, полупрозрачный камень, отличающийся большой величиной двупреломления света, имеющий высокую твердость, а по химическому составу представляющий собой двуокись титана ТiO2.

Титан был открыт в 1791 г. английским химиком и минералогом У. Грегором в минерале менаканите (известном теперь как ильменит — FeTiO3) и был им назван менакитом. Но в 1795 г., когда немецкий химик Мартин Клапорт вторично открыл элемент — на этот раз в рутиле, — он сменил его на громкое, ко многому обязывающее имя «титан».

Происхождение этого названия одни связывают с большой распространенностью элемента в земной коре — в греческой мифологии титанами именовались дети Геи (Земли), другие считают, что Клапорт дал имя элементу в честь Титании — фантастической царицы эльфов из германской мифологии.

Выделение чистого титана из его соединений оказалось поистине титанической задачей. Это пытались сделать многие известные химики прошлого века (Либих, Берцелиус, Вёлер). Однако они получали недостаточно чистый титан, а поначалу лишь его соединения. В таком виде титан явно не оправдывал своего гордого названия: он считался хрупким, непрочным, непригодным для изготовления конструкций.

Двуокись титана применялась (и применяется сейчас) для изготовления белил, оказавшихся значительно лучше свинцовых и цинковых. Титановые белила неядовиты, обладают большей отражательной способностью и не темнеют под действием сероводорода.

В 1910 г. американскому химику Хантеру удалось получить несколько граммов сравнительно чистого металла, содержащего лишь 0,1 % примесей. Когда были разработаны способы, позволяющие получать титан очень высокой чистоты, этот металл начал изумлять человека своими чудесными свойствами. Оказалось, например, что титан, будучи вдвое легче железа, по прочности превосходит многие стали. Даже алюминий, завоевавший себе репутацию «крылатого», не выдерживает конкуренции с титаном: ведь он лишь в полтора раза тяжелее алюминия, но зато в шесть раз прочнее. Только благодаря титану масса самолета может быть снижена на несколько тонн. Кроме того, титан сохраняет прочность при высоких температурах. Поэтому самолет для сверхзвуковых скоростей был впервые изготовлен из титана.

Не менее замечательным свойством титана является необычайно высокая устойчивость против коррозии — извечного врага металлов. На пластинке из этого металла за 10 лет пребывания в морской воде не появилось и следа ржавчины (от железной пластинки за такой срок остались бы одни воспоминания). Это свойство открывает ему широкие возможности для использования в судостроении и гидротехнике.

Высокая кислотоупорность делает титан прекрасным материалом для изготовления узлов и деталей химической аппаратуры. Он может найти широкое применение в медицине (для изготовления инструментов, протезов), военной технике (такая броня вдвое легче стальной), автомобилестроении, пищевой промышленности.

К сожалению, у титана есть и существенный недостаток — очень высокая цена. Собственно, это «порок» не врожденный, он обусловлен лишь чрезвычайной трудностью извлечения его из руд. После длинного и сложного технологического пути, который преодолевает титан в процессе превращения из концентрата в готовую продукцию — лист металла, стоимость его возрастает в 500–600 раз!

Металлический титан начал применяться только в конце 40-х годов. Несмотря на пока еще высокую цену, спрос на этот металл возрастает с каждым годом. Замена им дешевых материалов во многих случаях оказывается экономически выгодной, поскольку срок службы химического реактора из титана в десятки раз больше, чем из стали. Из титановых сплавов делают лопасти вертолетов, рули поворота и другие ответственные детали авиационной техники.

В природе известно более 70 минералов титана, но важнейшие из них — рутил и ильменит. Они встречаются в прибрежных россыпях, которые на десятки километров тянутся вдоль береговой линии в Индии, Канаде, Норвегии, США, Индонезии, Японии, СССР. Минералы титана встречаются и в коренных месторождениях, а также сопутствуют апатиту, магнетиту, касситериту, редким металлам — танталу, ниобию, бериллию и др.

Минералы титана, как правило, имеют высокую плотность — более 4,5 г/см3 — и могут извлекаться гравитационными методами. Первая стадия обогащения — получение коллективного концентрата тяжелых (шлиховых) минералов. В этот концентрат, кроме титановых минералов, попадают циркон, магнетит, монацит (минерал редкоземельных элементов), касситерит, золото, хлорит, гранат, турмалин и др. Разработка месторождений ведется скреперами и драгами.

Коллективный концентрат в зависимости от соотношения попавших в пего минералов разделяется магнитной или электрической сепарацией. Ильменит обладает магнитными свойствами и выделяется в поле высокой интенсивности вслед за магнетитом, который извлекается слабомагнитным полем.

Все большее значение приобретает флотация тонко-вкрапленных титановых минералов из комплексных руд. Новый реагент (ИМ-50), представляющий собой смесь гидроксамовых кислот, является селективным собирателем титановых минералов.

Химическая переработка титановых концентратов производится по сложной технологии. Вначале из ТiO2 путем хлорирования в присутствии восстановителя при температуре 800–1250 °C получают TiCl4. Его очищают от примесей и получают жидкий четыреххлористый титан. В стальных реакторах при 900 °C металлическим магнием или натрием восстанавливают TiCl4 до титановой губки. Хлориды и магний отгоняют в вакууме и получают металлический титан. Эта трудоемкая, дорогая и сложная технология постепенно совершенствуется. Считается, что XXI век распростится в значительной степени с железом и машиностроение перейдет на создание алюминий-титановой подвижной техники, легкой и нержавеющей, экономичной, с большим безремонтным ресурсом. Это будут легкие автомобили, сельхозтехника, вагоны, нержавеющие суда большой грузоподъемности.

Переход промышленности на сплавы из легких прочных металлов заметно расширит сырьевую базу. Ведь титан, алюминий, магний и другие металлы можно получать из бедных и сложных по составу руд, отходов производства, идущих ныне в отвалы. Это дает возможность применить экологически чистые технологии.