Титановые руды способы добычи

Как добывают титановую руду

На первых порах титановые рудники создавались для нужд производства красителей. Использование в последнее время титана в качестве конструкционного металла привело к расширению добычи титановых руд и освоению многих новых месторождений.
В прежние времена титан являлся побочным продуктом и во многих случаях даже служил препятствием, например, при добыче железной руды. В наше время рудники эксплуатируются исключительно для получения титана как главного продукта.
Добыча титановой руды осуществляется сравнительно просто и не требует сложных операций и специального горного оборудования. Если титановые минералы находятся в песчаных месторождениях, то их собирают землесосными снарядами, перекачивают в баржи и доставляют на обогатительную установку.
Если же они встречаются в горных породах, то никакого специального горного оборудования для их добычи не требуется.
Руду приходится измельчать до 20 меш,. чтобы обеспечить эффективное разделение минеральных компонентов. Затем для отделения ильменита от всех посторонних материалов применяют влажную магнитную сепарацию малой интенсивности.
После этого остаточный ильменит обогащают при помощи гидравлических классификаторов и столов. Дальнейшее обогащение осуществляется методом сухой магнитной сепарации высокой интенсивности.
Получающаяся двуокись титана ТiO2 взаимодействует с нагретым хлором в присутствии угля, в результате чего образуется четыреххлористый титан. авиации, для нужд которой его впервые

Источник

Титановые руды: свойства, способы добычи и промышленное применение

Титановые руды – это природные минералы, содержащие в своём составе титан (в скобках указано максимальное процентное содержание):

• рутил, модификациями которого являются анатаз и брукит (свыше 99%),
• лейкоксен (более 97%),
• ильменит (почти 93%),
• перовксит (до 57,8%),
• лопарит (доходит до 41%),
• сфен (почти 41%).

Титан – девятый в списке самых распространённых элементов земной коры, его присутствие обнаружено в 70 минералах, но наиболее интересными в плане переработки являются перечисленные выше.

Способы добычи

Более половины титана добывают из россыпей. Добыча в песчаных месторождениях не представляет никакой сложности. Процесс достаточно прост и не требует дробления и измельчения, осуществляется он драгами, земснарядами, экскаваторами, скреперами и другими гидравлическими устройствами.

Карьерный

Иное дело, когда руды залегают жилами на небольшой глубине. В зависимости от твёрдости вскрышных пород, приходится прибегать к их удалению с помощью землеройных механизмов или посредством проведения предварительных буровзрывных работ. После чего, вынутую руду забирают и подвергают дроблению и измельчению для дальнейшей переработки.

Шахтный

Шахтный способ применим при разработке коренных месторождений. Это наиболее затратный и трудоёмкий способ, требующий строительства целого комплекса сложных подземных сооружений, затраты на который окупаются получением целого набора полезных ископаемых, находящихся в составе титаносодержащих руд.

Методы обогащения

Так как процентное содержание диоксида титана (основного минерала титановых руд) изменчиво в зависимости от месторождения, то извлечённую породу подвергают обогащению, подразделяемому на две стадии: отделение пустой массы и выделение индивидуальных минералов.

Мокрое и сухое разделение по удельному весу

Благодаря различной плотности титаносодержащей породы и массы, не обладающей этим природным минералом, становится возможным их разделение в водной или воздушной среде под воздействием физических сил, созданных внутри специальных технических агрегатов. Это – так называемые гравитационные методы обогащения добытого материала.

Флотация

Способность разнообразных материалов удерживаться или не удерживаться на границе сред, пребывающих обычно в жидком и газообразном состоянии, нашла широкое применение в обогащении титановых руд.

В зависимости от первоначального минерала, используют свои специфические свойства химические вещества – образователи флотационной среды. Так, для ильменита в качестве таких сред выступают собиратели в виде жирных кислот. Рутил хорошо флотируется олеиновой кислотой или сульфированными производными углеводородов. Перовскит перед флотацией жирными кислотами необходимо обработать серной кислотой. Существует множество методов и технологий флотации, кроме того, они варьируются в зависимости от месторождений.

В последнее время широкое распространение в качестве флотационного материала получило талловое масло. Впрочем, переработчики руководствуются соображениями стоимости, доступности, минимума токсичности, при выборе материала для флотации.

Магнитная и электрическая сепарация

Отличие магнитных и электрических свойств титана от других минералов положено в основу соответствующих сепараций – технологий отделения нужного материала от пустой породы под воздействием электрических и магнитных полей в специальных аппаратах. В их список входят: сепараторы, железоотделители, намагничиватели и размагничиватели. А принцип действия этих устройств основан на изменении траектории движения в силовом магнитном или электрическом поле.

Металлургический метод

Завершающей стадией получения титанового шлака является плавка концентрата в виде прессованных брикетов в электродуговых печах при температуре 1500-1700 0 C. Образующиеся в результате металлургического метода отливки содержат до 80% титана.

Промышленное применение

С момента своего открытия в конце XVIII века, титан был оценён специалистами как металл, обладающий лёгкостью, прочностью, жаростойкостью, устойчивостью к коррозии и при этом хорошо поддающийся механической обработке.

Технический титан и его сплавы широко используется в целом ряде отраслей народного хозяйства:

• Химическая индустрия не может обходиться без титановых изделий, обладающих высокой стойкостью к агрессивному воздействию. Это – специальная арматура, ёмкости, трубы, части машин и механизмов, активно используемых в этой отрасли.
• Транспорт активно применяет этот материал, в качестве альтернативы другим металлам, благодаря его низкому удельному весу. Что существенно снижает затраты при перемещении грузов в более лёгких и компактных вагонах и поездах. Используется титан и в автомобилестроении для изготовления витых пружин и систем отвода уходящих газов.
• Незаменим этот материал и в области военной техники. Броня и трубы, глушители и теплообменники, пропеллеры и турбины, являющиеся важными элементами самоходных орудий, танков, самолётов, военно-морских судов и подводных лодок, не обходятся без использования этого минерала.

Химически чистый титан отличается очень высокой жаропрочностью и устойчивостью к механическим воздействиям. Учитывая его лёгкий вес, металл нашёл своё применение в авиации, ракетостроении, космонавтике; при изготовлении электровакуумных приборов и криогенной техники.

Отдельно можно упомянуть медицинские, спортивные и декоративные направления использования этого уникального по своим свойствам материала. Медицинские инструменты и протезы, спортивные снаряды и амуниция, разнообразные декоративно-художественные изделия, известные скульптуры – всё это вместе объединяет между собой такой удивительный материал, как титан.

Месторождения в России и мире

Территория России обладает порядка 20-ью месторождениями титановых руд, расположенными в 9-и металлогенических провинциях, крупнейшими из которых являются:

Также значительными запасами обладают месторождения магматического происхождения Баладекского, Джугджурского, Коларского массивов и находящееся в Амурской области месторождение Большой Сейм. Древние морские россыпи, богатые титановыми рудами размещены на Русской плите и в Сибири. Значительные запасы имеются и на территории Карелии.

За рубежом крупные месторождения докембрийского периода обнаружены в США (Тегавус), Канаде (Лейк-Тио), Норвегии (Тельнес). Запасы ильменита присутствуют на территории Канады, Норвегии, Индии, ЮАР; рутила – в ЮАР, Индии и Австралии. Также титановыми рудами в значительном количестве обладают Бразилия, Мексика и Китай.

Мировые запасы

Подтверждённые мировые запасы диоксида титана составляют:

• Китай – 232,9 млн. тонн.
• Украина – 184 млн. тонн.
• Россия – 177 млн. тонн.
• Бразилия – 123 млн. тонн.
• Индия – 100 млн. тонн.
• Норвегия – 57 млн. тонн.
• Канада – 51,4 млн. тонн.
• ЮАР – 34,1 млн. тонн.
• Австралия – 21,4 млн. тонн.
• Остальные страны – 59,1 млн. тонн.

Если оценивать в процентном отношении залежи титановых руд, то ситуация будет несколько иная:

• Китай – 38%.
• Россия – 17%
• Австралия – 10%.
• Бразилия – 6%.
• Норвегия – 4%.
• Индия – 4%.
• Канада – 3%.
• Украина – 1%.
• Другие страны – 17%.

Различия объясняются разнообразием месторождений и трудностью объективной оценки точного количества залежей этого минерала.

Страны, добывающие титановые руды

По состоянию на 2018 год ситуация на рынке титана выглядит следующим образом:

• Крупнейшими добывающими странами являются Китай, Австралия, Индия, ЮАР.
• Ведущие производители по переработке руды и выплавке титана выглядят следующим образом: США, Россия, Япония, Китай.

Хотя, ещё в 2005-2006 годах 70% мирового производства ильменитового концентрата обеспечивали Австралия, Норвегия и Украина. А 90% рутилового концентрата выпускали в Австралии, ЮАР и на Украине.

Ситуация с течением времени меняется коренным образом: Китай наращивает как добычу, так и переработку совместно с окончательным производством столь ценного продукта, каким является титан для промышленности.

А другие страны пользуются тем, что доля сырья в окончательной стоимости произведённого продукта (титана) составляет лишь 5%, активно закупают исходные материалы по всему миру, не затрудняя себя разработкой новых месторождений. И на то есть свои объективные причины. Гораздо проще и дешевле заниматься освоением прибрежных морских россыпей, как это делают Австралия, Индия (штаты Керала и Мадрас), США (полуостров Флорида), ЮАР (месторождение прибрежных песков Ричардс-Бей), чем заниматься освоением подземных месторождений, подчас не обещающих высокое содержание нужных полезных ископаемых.

Источник

Производство титана и его сплавов: особенности технологического процесса

Титан является одним из важнейших конструкционных материалов, поскольку сочетает прочность, твердость и легкость. Однако другие свойства металла весьма специфичны, что делает процесс получения вещества тяжелым и дорогостоящим. И сегодня нами будет рассмотрена мировая технология производства титана, кратко упомянем его свойства и область применения изделий.

Состав металла

Существует металл в двух модификациях.

• α-Ti – существует до температуры в 883 С, обладает плотной гексагональной решеткой.
• β-Ti – имеет объемно-центрированную кубическую решетку.

• Во время эксплуатации титановых изделий в большинстве случаев имеют дело с α-фазой. А вот при плавке и изготовлении сплавов металлурги работают с β-модификацией.
• Вторая особенность материала – анизотропия. Коэффициент упругости и магнитная восприимчивость вещества зависит от направления, причем разница довольно заметная.
• Третья черта – зависимость свойств металл от чистоты. Обычный технический титан не годится, например, для использования в ракетостроении, поскольку из-за примесей теряет свою жаростойкость. В этой области промышленности применяют только исключительно чистое вещество.

О составе титана поведает это видео:

Производство титана

Использовать металл начали только в 50-е годы прошлого века. Его добыча и производство являются сложным процессом, благодаря чему этот относительно распространенный элемент относили к условно редким. И далее мы рассмотрим технологию, оборудование цехов по производству титана.

Сырье

Титан занимает 7 место по распространенности в природе. Чаще всего это оксиды, титанаты и титаносиликаты. Максимальное количество вещества содержится в двуокисях – 94–99%.

• Рутил – самая устойчивая модификация, представляет собой минерал синеватого, буровато-желтого, красного цвета.
• Анатаз – довольно редкий минерал, при температуре в 800–900 С переходит в рутил.
• Брукит – кристалл ромбической системы, при 650 С необратимо переходит в рутил с уменьшением объема.

• Более распространены соединения металла с железом – ильменит (до 52,8% титана). Это гейкилит, пирофанит, кричтон – химический состав ильменита весьма сложен и колеблется в широких переделах.
• Используется в промышленных целях результат выветривания ильменита – лейкоксен. Здесь происходит довольно сложная химическая реакция, при которой из ильменитовой решетки удаляется часть железа. В результате объем титана в руде повышается – до 60%.
• Также используют руду, где металл связан не с закисным железом, как в ильмените, а выступает в виде титаната окисного железа – это аризонит, псевдобрукит.

Наибольшее значение имеют месторождения ильменита, рутила и титаномагнетита. Разделяют их на 3 группы:

• магматические – связаны с участками распространения ультраосновных и основных пород, проще говоря, с распространением магмы. Чаще всего это ильменитовые, титаномагнетитовые ильменит-гематитовые руды;
• экзогенные месторождения – россыпные и остаточные, аллювиальные, аллювиально-озерные месторождения ильменита и рутила. А также прибрежно-морские россыпи, титановые, анатазовые руды в корах выветривания. Наибольшее значение имеет прибрежно-морские россыпи;
• метаморфизированные месторождения – песчаники с лейкоксеном, ильменит-магнетитовые руды, сплошные и вкрапленные.

Разработка коренных месторождений связана с проходкой шахт. Полученную руду на месте дробят и обогащают. Применяют гравитационное обогащение, флотацию, магнитную сепарацию.

В качестве исходного сырья может использоваться титановый шлак. Он содержит до 85% диоксида металла.

Технология получения

Процесс производства металла из ильменитовых руд состоит из нескольких стадий:

• восстановительная плавка с целью получения титанового шлака;
• хлорирование шлака;
• производства металла восстановлением;
• рафинирование титана – как правило, проводится с целью улучшения свойств продукта.

Процесс это сложный, многоэтапный и дорогостоящий. В результате достаточно доступный металл оказывается весьма дорогим в производстве.

О производстве титана расскажет данный видеосюжет:

Получение шлака

Ильменит является ассоциацией оксида титана с закисным железом. Поэтому целью первого этапа производства является отделение диоксида от оксидов железа. Для этого оксиды железа восстанавливают.

Процесс осуществляют в электродуговых печах. Ильменитовый концентрат загружают в печь, затем вводят восстановитель – древесный уголь, антрацит, кокс, и прогревают до 1650 С. При этом железо восстанавливается из оксида. Из восстановленного и науглероживающегося железа получают чугун, а оксид титана переходит в шлак. Последний в итоге содержит 82–90% титана.

Чугун и шлак разливают по отдельным изложницам. Чугун используют в металлургическом производстве.

Хлорирование шлака

Целью процесса является получение тетрахлорида металла, для дальнейшего применения. Непосредственно хлорировать ильменитовый концентрат оказывается невозможным, из-за образования большого количества хлорного железа – соединение очень быстро разрушает оборудование. Поэтому без стадии предварительного удаления оксида железа обойтись нельзя. Хлорирование проводится в шахтных или солевых хлораторах. Процесс несколько отличается.

• Шахтный хлоратор – футерованное цилиндрическое сооружение высотой до 10 м и диаметром до 2 м. Сверху в хлоратор укладывают брикеты из измельченного шлака, а через фурмы подают газ магниевых электролизеров, содержащий 65–70% хлора. Реакция между титановых шлаком и хлором происходит с выделением тепла, что обеспечивает требуемый для процесса температурный режим. Газообразный тетрахлорид титана отводят через верх, а остатки шлака непрерывно удаляют снизу.
• Солевой хлоратор, камера, футерованная шамотом и наполовину заполненная электролитом магниевых электролизеров – отработанным. В расплаве содержаться хлориды металлов – натрия, калия, магния и кальция. В расплав сверху подают измельченный титановый шлак и кокс, снизу вдувают хлор. Поскольку реакция хлорирования экзотермична, температурный режим поддерживается самим процессом.

Тетрахлорид титана очищают, причем несколько раз. Газ может содержать углекислый газ, угарный газ, другие примеси, так что очистка производится в несколько этапов.

Отработанный электролит периодически заменяют.

Получение металла

Металл восстанавливают из тетрахлорида магнием или натрием. Восстановление происходит с выделением тепла, что позволяет проводить реакцию без дополнительного обогрева.

Для восстановления используют электрические печи сопротивления. Сначала в камеру помещают герметичную колбу из хромо-никелевых сплавов высотой в 2–3 м. После того как емкость прогреют до +750 С, в нее вводят магний. А затем подают тетрахлорид титана. Подача регулируется.

1 цикл восстановления длится 30–50 ч, чтобы температура не повышалась выше 800–900 С, реторту обдувают воздухом. В итоге получают от 1 до 4 тонн губчатой массы – металл осаждается в виде крошек, которые спекаются в пористую массу. Жидкий хлорид магния периодически сливают.

Пористая масса впитывает довольно много хлорида магния. Поэтому после восстановления осуществляют вакуумную отгонку. Для этого реторту прогревают до 1000 С, создают в ней вакуум и выдерживают 30–50 часов. За это время примеси испаряются.

Восстановление натрием протекает почти таким же образом. Разница наличествует только в последнем этапе. Чтобы удалить примеси хлорида натрия, титановую губку измельчают и выщелачивают из нее соль обычной водой.

Рафинирование

Полученный описанным выше образом технический титан вполне годится для производства оборудования и емкостей для химической промышленности. Однако для областей, где требуется высокая жаростойкость и однородность свойств, металл не годится. В этом случае прибегают к рафинированию.

Рафинирование производится в термостате, где поддерживается температура в 100–200 С. В камеру помещают реторту с титановой губкой, а затем с помощью специального устройства в закрытой камере разбивают капсулу с йодом. Йод реагирует с металлом, образуя йодид титана.

В реторте натянуты титановые проволоки, по которым пропускают электрический ток. Проволока раскаляется до 1300–1400 С, полученный йодид разлагается на проволоке, формируя кристаллы чистейшего титана. Йод освобождается, вступает в реакцию. С новой порцией титановой губки и процесс продолжается, пока не исчерпается металл. Получение останавливают, когда благодаря наращиванию титана диаметр проволоки становится равным 25–30 мм. В одном таком аппарате можно получить 10 кг металла с долей в 99,9–99,99%.

Если необходимо получить ковкий металл в слитках, поступают иначе. Для этого титановую губку переплавляют в вакуумной дуговой печи, поскольку металл при высокой температуре активно впитывает газы. Расходуемый электрод получают из титановых отходов и губки. Жидкий металл затвердевает в аппарате в кристаллизаторе, охлаждаемом водой.

Плавку, как правило, повторяют дважды, чтобы улучшить качество слитков.

Про Россию и другие страны-производители титана читайте ниже.

Популярные изготовители

Рынок производства титана достаточно закрытый. Как правило, страны, производящие большое количество металла, сами же и являются его потребителями.

В России самой большой и едва ли не единственной компанией, занимающейся получением титана, является «ВСМПО-Ависма». Она считается крупнейшим изготовителем металла, но это не совсем верно. Компания производит пятую часть титана, однако мировое потребление его выглядит иначе: около 5% расходуется на изделия и приготовление сплавов, а 95% – на получение диоксида.

Итак, производство титана в мире по странам:

• Ведущей страной-производителем является Китай. Страна обладает максимальными запасами титановых руд. Из 18 известных заводов по получению титановой губки 9 расположены в Китае.
• Второе место занимает Япония. Интересно, что в стране на авиакосмический сектор уходит только 2–3% металла, а остальной используется в химической промышленности.
• Третье место в мире по производству титана занимает Россия и ее многочисленные заводы. Затем следует Казахстан.
• США – следующая в списке страна-производитель, расходует титан традиционным образом: 60–75% титана использует авиакосмическая промышленность.

Производство титана – процесс технологически сложный, дорогостоящий и длительный. Однако потребности в этом материале настолько велики, что прогнозируется изрядное увеличение выплавки металла.

О том, как происходит резка титана на одном из производств в России, расскажет это видео:

Источник