Применение титана в промышленном и народном хозяйстве
Министерство образования и науки Российской Федерации
ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина»
Кафедра технологии художественной обработки материалов
Применение титана в промышленном и народном хозяйстве
Реферат
Екатеринбург
Содержание
1.История происхождения олова
1.1Происхождение названия титана
2.Свойства титана
3.Применение титана в различных отраслях
3.1Применение титана в цветной металлургии
3.2Применение титана в черной металлургии
3.3Применение титана в химической промышленности
3.4Применение титана в медицине
3.5Применение титана в машиностроении
3.6Применение титана в пищевой промышленности
Библиографический список
. История происхождения олова
титан сплав металл
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 бета-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 возрастает.
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.
Титан сразу после открытия стал активно изучаться, ученые изучали его свойства и характеристики. Чем больше металл был изучен, тем больше заставлял удивляться. Его свойства оказались незаменимыми и редкими для металлов его группы.
Особенно часто применяются на практике физические и механические свойства титана. Долгое время ученые не могли определить температуру плавления титана, не было соответствующего оборудования и было принято считать, что его температура плавления составляет 1800 градусов. В середине двадцатого века была выявлена реальная температура плавления титана, она составляет 1668±3 °С, выявили это ученые Диардорф и Хейс из Англии.
Основные характеристики, позволяющие использовать титан, это: пониженная плотность, уникальная прочность, твердость, легкость. Большим плюсом является то, что если повышать температуру, металл не меняет своих свойств.
Титан намного легче железа и немного тяжелее алюминия, но если сравнивать прочность этих металлов, то титан превосходит алюминий и железо во много раз, например, он прочнее алюминия в 12 раз, а железа - в 4 раза. Металл сложно разрушается и долго сопротивляется внешним воздействиям.
Титан достаточно легко обрабатывается как в горячем, так и в холодном виде: он легко куется, вытягивается в проволоку, расплющивается в листы и даже в тончайшую фольгу.
Много лет после открытия титана никто не мог выявить его реальные свойства, высокие прочностные показатели. Это связано с тем, что сначала в титане были многочисленные примеси, в основном водород, азот, кислород, углерод и ряд других, которые и делали его хрупким и не пригодным для промышленного использования. В результате первых опытов смогли выделить из титана углерод и кислород, в результате чего титан стал более прочным, но не учли один важный и тогда не выявленный факт: водород снижает прочность титана, но не сразу, а в период эксплуатации изделий из него. Первое использование титана для изготовления крупных конструкций привело к авариям, это было результатом воздействия на металл водорода, который сделал титан хрупким и ломким со временем.
Сейчас взаимодействие водорода и титана изучены до мелочей и из этого непростого союза человечество выделило значительные плюсы. Например, добавление водорода в титан позволяет упростить его обработку, облегчает формовку изделий, сварку конструкций, резку и т.д.
Еще одно уникальное свойство титана, о котором стоит упомянуть - это память, которая позволяет запомнить первоначальный вид. Например, если из пластины сделать скрутку при высокой температуре, а потом охладить, то элемент будет иметь созданную форму, но если деталь нагреть, то она примет форму пластины, то есть первоначальное положение.
Физические и механические свойства титана используются с максимальной выгодой в различных областях промышленности.
. Применение титана в различных отраслях
Титан и его сплавы находят все более широкое применение в различных отраслях промышленности. Сравнительно высокая стоимость титана и его сплавов компенсируется высокими эксплуатационными характеристиками металла, в некоторых случаях титановые сплавы являются единственным материалом, из которого можно изготовить работоспособную конструкцию.
По оценкам одного из ведущих американских производителей титана, из общего объёма производства титана в мировом масштабе на уровне 50-60 тысяч тонн в год на долю аэрокосмического сегмента приходится до 40 % потребления, на долю промышленных применений и приложений приходится 34 %, на военную область 16 %, и около 10 % приходится на применение титана в потребительских продуктов. Промышленное применение титана включает в себя химические процессы, энергетику, нефтегазовую отрасль, опреснительные установки. Военное (не авиационное) применение включает, прежде всего, использование в артиллерии и боевых машинах. Секторами со значительными объёмами применения титана являются автомобилестроение, архитектура и строительство, спортивные товары и ювелирные изделия.
Региональные рынки конечного применения титана весьма различаются, и наиболее ярким примером своеобразия является Япония, где на гражданский авиакосмический сектор приходится всего 2-3 % при использовании 30 % от общего потребления титана в оборудовании и конструкционных элементах химических заводов. Примерно 20 % от общего спроса в Японии приходится на атомную энергетику и на электростанции на твёрдом топливе, остальная доля приходится на архитектуру, медицину и спорт.
.1 Применение титана в цветной металлургии
Титан, будучи сам продукцией цветной металлургии, во многом способствует получению качественных металлов, техническому прогрессу в отрасли. Комплекс работ по расширению областей применения титана в цветной металлургии, систематические исследования были выполнены сотрудниками Института титана кандидатами технических наук Г. А. Колобовым, Ю. В. Добруновым, В. П. Иваниловой, А. А. Захаревич и др.
Титановые сплавы по коррозионной стойкости при применении во многих агрессивных средах, использующихся в производстве цветных и редких металлов, находятся вне конкуренции по сравнению с нержавеющими, кислотоупорными сталями.
Титан в цветной металлургии - это, прежде всего повышение производительности труда, резкое улучшение качества продукции, улучшение условий труда, максимальная механизация и автоматизация. Он находит промышленное применение в виде проката, из которого изготавливают довольно крупное по габаритным размерам и ответственное по назначению оборудование. Высокоэффективно применение титана в виде литых (арматура, насосы и др.) и металлокерамических изделий. Например, промышленная эксплуатация титановых насосов взамен чугунных или выполненных из кислотоупорных сталей на перекачке растворов хлористых солей калия, натрия и магния со слабой соляной кислотой позволила увеличить срок их службы в 15-20 раз, снизить потери жидкости при транспортировке в 2,5 раза.
Применение одной тонны титанового проката в виде изделий в цветной металлургии дает в год выгодную экономию за счет увеличения сроков службы и надежности оборудования, снижения эксплуатационных и ремонтных затрат, повышения качества продукции. Наибольшее распространение титановое оборудование нашло на предприятиях никель-кобальтовой и титано-магниевой промышленности. В последнее время интенсивно внедряется титан в производстве меди. В производствах цинка, свинца и олова, вольфрама и молибдена, ртути, сурьмы, кадмия, золота и других драгоценных металлов, алюминия и твердых сплавов, а также на предприятиях по обработке цветных металлов титан только начинает завоевывать признание.
В настоящее время, за исключением никель-кобальтовой отрасли, в цветной металлургии осуществляется первый этап внедрения титана - замена нестойкого оборудования, к тому же, как правило, вспомогательного, не оказывающего существенного влияния на параметры технологических процессов. Начинается и второй, более качественный этан, когда титан применяется для изготовления основного технологического оборудования целых переделов и цехов. При этом его свойства используются комплексно, удается значительно интенсифицировать технологические процессы, в некоторых случаях создать новые, гораздо более производительные. Экономическая отдача от внедрения одной тонны титанового оборудования при этом увеличивается.
Проведенный в течение последних лет анализ работы основного и вспомогательного оборудования показывает, что цветная металлургия имеет большие возможности для дальнейшего расширения внедрения титана.
.2 Применение титана в черной металлургии
Для большинства агрессивных сред на металлургических, коксохимических, ферросплавных, сталеплавильных и других заводах титан находится вне конкуренции с нержавеющими сталями. Применение титанового оборудования позволяет увеличить сроки службы, интенсифицировать существующие и создать новые технологические процессы, получить более качественный продукт, не загрязненный продуктами коррозии.
Коксохимическое производство характеризуется наличием кислот, щелочей, агрессивных газов, которые резко сокращают сроки службы аппаратов и трубопроводов. Выход из строя даже второстепенного аппарата приводит к вынужденной остановке целой технологической линии. Коррозионная стойкость титана в ряде многокомпонентных агрессивных сред коксохимического производства превосходит все высоколегированные нержавеющие стали.
В настоящее время доказано, что из титана целесообразно изготовлять сатураторы, центрифуги, барботажные зонты, циркуляционные кастрюли, трубопроводы и другое оборудование цеха улавливания, где, как показывают исследования, скорость коррозии титана составляет 0,002-0,03 мм/год. В сероводородной воде, в растворе, содержащем 10 % натриевой щелочи, 15 % фенолов, цианистую кислоту, сероводород и аммиак при температуре около 100-140 °С, скорость коррозии титана составляет 0,2-0,5 мм/год. При такой коррозии кубы-нейтрализаторы, конденсаторы пиридиновых оснований, змеевики обесфеноливающих скрубберов из титана будут служить 5-15 лет, в то время как существующие скрубберы из углеродистой стали служат всего 0,5-1,6 года.
На большинстве металлургических, метизных, сталепрокатных, сталепроволочно-канатных, трубопрокатных и других заводов имеются травильные участки для удаления окалины с поверхности металла. Оборудование в основном изготовляют из углеродистых сталей с применением гуммирования, футеровки кислотоупорным кирпичом, что не обеспечивает надежной, долговременной эксплуатации. Срок службы оборудования составляет около 2-3 лет. При применении фаолита, фторопласта, нержавеющих сталей должного эффекта из-за низких механических свойства или неудовлетворительной коррозионной стойкости не достигается. Нержавеющие стали, вплоть до самих высоколегированных, подвергаются точечной коррозии, особенно в зоне сварного шва.
.3 Применение титана в химической промышленности
Химическая промышленность является одним из основных потребителей титана среди отраслей народного хозяйства. Ей по объемам потребления сейчас принадлежит второе место. Известно, что одной из важнейших проблем химических производств является проблема коррозии. Вместе с непрерывным увеличением объема производства растут издержки на защиту от коррозии и замену вышедшего из строя оборудования, потери от простоев и аварий. Наиболее эффективным путем решения этих вопросов является использование в химическом машиностроении новых коррозионностойких материалов. Титановые сплавы эффективно заменяют дефицитные материалы: сплавы на основе никеля, высоколегированные стали (Х23Н28МЗДЗТ), нержавеющие стали типа Х18Н10Т, редкие, драгоценные и цветные металлы (тантал, ниобий, платину, медь, олово), пластмассы.
Анализ свойств материалов, которыми располагает современная техника, показывает, что титановые сплавы обеспечивают в химии снижение эксплуатационных затрат, безаварийность работы, возможность создания усовершенствованных конструкций, исключают дорогостоящие и трудоемкие работы по футеровке, и все это несмотря на более высокие первоначальные капитальные вложения при применении титанового оборудования. Эксплуатация уже первых титановых аппаратов подтвердила его ценность как конструкционного материала для основных химических и нефтехимических производств. Первым использованием титана в химической промышленности считается применение его в 1954 году для футеровки миксера, содержащего двуокись хлора и подвергавшегося коррозии и истиранию.
Титановое оборудование изготавливается и широко применяется в США, Японии, Англии, ФРГ, Франции, Щвеции, Италии. Имеется успешный опыт его применения в Чехословакии, а также Болгарин, Румынии.
.4 Применение титана в медицине
Конструкторов медицинской техники, медицинского инструментария и врачей разных профессий в новом конструкционном металле привлекает, прежде всего, биологическая инертность по отношению к организму живого существа в сочетании с высокими механическими свойствами, антикоррозионной стойкостью. Это качества титана, усиленные специфическими свойствами, и обеспечили очень большой интерес к нему и интенсивное проведение конструкторских работ и клинических испытаний самых различных изделий. Известно, что по коррозионной стойкости во многих медицинских агрессивных средах титан не уступает платине; он стоек в растворах кислот и щелочей. Скорость коррозии титана в морской воде (по своему химическому составy очень похожей на лимфу) - 0,00002 мм/год или 0,02 мм в 1000 лет. Титан и его сплавы устойчивы и перекиси водорода, бензине, феноле, формальдегиде. После многократной стерилизации кипячением, многомесячной выдержки в 3%-ном растворе хлорамина, 96-градусном этиловом спирте, трихлорэтилене следов коррозии на титановых сплавах не обнаружено. Точечная коррозия наблюдается у титановых сплавов лишь после пребывания в течение нескольких суток в 10%-ной спиртовой настойке йода.
Титан - пластичный металл; он хорошо поддается механической обработке: резанию, сверлению, фрезерованию, шлифованию. Изготавливать из него различные конструкции не труднее, чем из нержавеющей стали. Титан - немагнитный материал с низкой электропроводностью, что особенно ценно, так как благодаря этому можно использовать физиотерапию для лечения больных, в организме которых находятся титановые конструкции. Все это делает титан весьма перспективным для широкого применения в медицине.
Но самым важным результатом многолетних и тщательных исследований оказалось то, что титан является инертным металлом по отношению к биологической среде. Конструкции из титановых сплавов хорошо переносятся человеческим организмом, обрастают костной и мышечной тканью. Металл практически не корродирует в агрессивных средах человеческого тела, а структура тканей, окружающих титановые конструкции, не изменяется на протяжении длительного времени.
Основная задача, которая ставилась при конструировании инструментов из титана, создание инструментов, по своим функциональным свойствам не уступающим, а превосходящим аналогичные, выполненные из нержавеющих сталей. Исследования показали, что, если для сохранения функциональных свойств образца изделия из титана требуется увеличить сечение более, чем на 30 % (по сравнению с инструментом из нержавеющей стали), то разработка такого инструмента нецелесообразна, кроме случаев, когда вес не является доминирующей характеристикой инструмента.
Исследования показали, что титановые сплавы могут широко применяться там, где необходима очень высокая коррозионная стойкость медицинских инструментов и не требуется большой твердости. Невысокая твердость титана, отсутствие режущих свойств не дает пока возможности расширить его применение в хирургическом инструментарии. Следовательно, исследования возможности повышения твердости и придания режущих свойств титану - задача первостепенной важности. Трудность объясняется тем, что существующие в промышленности методы упрочнения титана в медицинской промышленности применять нельзя, так как к изделиям предъявляются совершенно особые требования. Кроме того, медицинские аппараты и инструменты работают в специфических условиях (в контакте с физиологическим раствором, йодом, стерилизуются путем кипячения в воде или в автоклавах при температуре до 200 ˚C и т. п.).
Таким образом, было установлено, что медицинские инструменты, изготовленные из титановых сплавов, на 20-30 % легче таких же изделий из нержавеющей стали, обладают лучшей коррозионной стойкостью, более долговечны и удобны в работе.
Титан выгодно отличается от других, конкурирующих с ним, металлов не только своей биологической инертностью, но и ценными механическими свойствами. Чтобы обладать такой же прочностью на разрыв, какую имеет стержень титана диаметром 10 мм, железный стержень должен быть не менее 14 мм в диаметре. Титан является таким конструкционным материалом, который позволяет повысить прочность изделия, сохранив его размеры, или без потери прочности получить выигрыш в весе до 40 % и значительно уменьшить объем конструкции. Это делает титан наилучшим металлом для внутренних протезов. Особенно эффективно применение титана в артопластике бедра.
В отечественной стоматологии при изготовлении зубных пластмассовых протезов для получения косметического эффекта используется белое кристаллическое вещество - двуокись титана. Однако в зубном протезировании можно широко применять не только соединение титана с кислородом, но и конструкционный титан - легкий, прочный, биологически инертный и хорошо поддающийся обработке металл.
.5 Применение титана в машиностроении
В машиностроительных отраслях народного хозяйства титан пока еще не нашел широкого применения. Главной причиной, объясняющей такое положение, является ограниченность до недавнего времени сведений о свойствах титановых сплавов, их конкурентоспособности и эффективности использования в различных конструкциях машин и механизмов. Второй, не менее важной, причиной явилась дефицитность и высокая стоимость сплавов, что практически сводило к нулю их технико-экономические преимущества. В ряде случаев сдерживающим фактором явились низкие антифрикционные свойства сплавов титана, несвариваемость его с другими металлами и др.
В отечественной промышленности титановые сплавы применяются, главным образом, в химическом, тяжелом, энергетическом и транспортном машиностроении, машиностроении для легкой, пищевой промышленности и бытовых приборов.
Промышленностью выпускается оборудование, которое можно условно разделить на две группы: стандартное - серийно изготавливаемое специализированными машиностроительными заводами, и нестандартное - изготавливаемое заводами для своих нужд.
Стандартное оборудование в основном изготавливается заводами химического машиностроения. Номенклатура оборудования этих заводов достаточно широка и включает в себя запорную, перекачивающую, емкостную, колонную, фильтрующую, автоклавную, разделительную и специальную аппаратуру.
Известно, что титановые сплавы обладают высокой хладостойкостью: их механические свойства при низких температурах существенно не меняются, что особенно важно для условий работы на рудниках Крайнего Севера и Заполярья. Полученный опыт применения титановых сплавов в бурильных перфораторах позволил рекомендовать заводам горного оборудования массовое изготовление их с максимальным применением титановых сплавов.
В последние годы заводы интенсивно осваивают изготовление из титана различных машин и аппаратов (от красильного-отделочного оборудования, упаковочно-расфасовочным автоматических линий, центрифуг с титановыми сепараторами до кухонных приборов и сувенирных изделий). Все эти машины в ближайшее время перейдут в разряд массовых и серийно изготовляемых изделий.
.6 Применение титана в пищевой промышленности
Технический прогресс в пищевой промышленности требует применения новых конструкционных материалов для технологического оборудования, ускорении замены и модернизации морально устаревших машин и агрегатов.
Специфика продукции продовольственного машиностроения тpe6yeт значительного количеств материалов: нержавеющих сталей, цветных металлов и др. Как правило, потребность в них удовлетворяется не полностью. Поэтому машины и оборудование часто изготовляются из малолегированных сталей и других материалов, которые в условиях воздействия агрессивных пищевых сред имеют ограниченную долговечность. Это приводит к уменьшению эксплуатационной надежности оборудования, увеличению затрат на ремонты.
Борьба с коррозией металлов в пищевой промышленности имеет свои особенности. Если незначительные количества ионов металла, переходящие в агрессивную среду, не имеют существенного значения для других производств, то для пищевой промышленности они совершенно недопустимы. Технология изготовления пищевых продуктов представляет собой сложный биохимический процесс, определяющий их качество. Поэтому высоки и санитарно-гигиенические требования к материалу оборудования. Пренебрежение этими требованиями приводит к потерям ценных продуктов питания, ухудшению их качества. Выбор материала представляет собой весьма важную проблему. В последние годы доказано, что материалом, отвечающим требованиям пищевых производств, является титан.
Пищевая промышленность и продовольственное машиностроение пока еще не имеют большого опыта изготовления и эксплуатации оборудования из сплавов титана. Лишь в последнее время начали изготовлять отдельные виды оборудования и машин на машиностроительных заводах.
Из зарубежной практики известны примеры длительной эксплуатации различного титанового оборудования и пищевой промышленности. Например, в США изготовляют котлы из титана, в которых готовят рассолы, томатные продукты и соусы. Испытания показали, что титан совсем не подвергается разрушению в пищевых средах. Из него изготовляют также холодильники, использование которых дает возможность уменьшить расход хладореагентов и применить повышенные давления.
Возможность применения титана в пищевом машиностроении определена на заводах фирмы «Хейнц» (США). Предварительно было испытано более трехсот марок различных сплавов из никеля и нержавеющей стали, но все они оказались нестойкими в производственных растворах, содержащих хлористый натрий и уксусную кислоту, которые являются типичными для консервного производства. На основании этих испытаний были разработаны рекомендации по изготовлению основного оборудовании для переработки овощей.
Библиографический список
Зеликман, А. Н. Металлургия редких металлов [Текст] : учеб. пособие для вузов / А. Н. Зеликман, Б. Г. Коршунов. - Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Металлургия, 1991. - 432 c. - 5-229-00743-5.
Зефиров, Н. С. Химическая энциклопедия [Текст]: в 5 т. / Николай Зефиров - Москва: Советская энциклопедия, 1995. - Т. 4. - С. 590-592. - 639 с. - ISBN 5-85270-008-8.