Титан отличается высокой механической прочностью, коррозионной стойкостью, жаропрочностью (Тпл = 1660 °С) и малой плотностью (4,51 г/см 3)
. Его применяют как конструкционный материал
в самолетостроении, а также при постройке сосудов, предназначенных для транспортирования концентрированной азотной и разбавленной серной кислот.
Применяют также диоксид TiO 2 для производства титановых белил и эмали. Наиболее распространенным сырьем для производства титана и диоксида Ti служит ильменитовый концентрат, выделяемый при обогащении титаномагнетитовых железных руд, в котором содержится, %: 40-60 TiO 2 , ~30 FeO, ~20 Fe 2 O 3 и 5-7 пустой породы (CaO, MgO, Al 2 O 3 , SiO 2), причем титан в виде минерала ильменита FeO TiO 2 .
Технологический процесс производства титана из ильменитового концентрата состоит из следующих основных стадий:
- получение титанового шлака восстановительной плавкой,
- получение тетрахлорида титана хлорированием титановых шлаков,
- производство титана (губки, порошка) восстановлением из тетрахлорида.
Восстановительная плавка ильменитового концентрата имеет целью перевести TiO 2 в шлак и отделить оксиды железа путем их восстановления
. Плавку проводят в электро дуговых печах. Сначала загружают концентрат и восстановитель (кокс, антрацит), их нагревают до ~ 1650 °С. Основной реакцией является: FeO TiO 2 + С = Fe + TiO 2 + CO. Из восстановленного и науглероживающегося железа образуется чугун, а оксид титана переходит в шлак, который содержит 82-90% TiO 2 .
Получение тетрахлорида титана TiCl 4 осуществляют воздействием газообразного хлора на TiO 2 при температурах 700-900 °С, при этом протекает реакция:
TiO 2 + 2Cl 2 + 2С = TiCl 4 + 2СО.
Хлорирование осуществляют в шахтных хлораторах непрерывного действия или в солевых хлораторах. Шахтный хлоратор - это футерованный цилиндр диаметром до 2 и высотой до 10 м, в который сверху загружают брикеты из измельченного титанового шлака и снизу вдувают газ магниевых электролизеров, содержащий 65-70 % Cl 2 . Взаимодействие TiO 2 брикетов и хлора идет с выделением тепла, обеспечивающего необходимые для процесса температуры (~ 950 °С в зоне реагирования). Образующийся в хлораторе газообразный TiCl 4 отводят через верх, остаток шлака от хлорирования непрерывно выгружают снизу.
Солевой хлоратор представляет собой футерованную шамотом камеру, наполовину заполненную отработанным электролитом магниевых электролизеров, содержащим хлориды калия, натрия, магния и кальция. Сверху в расплав загружают измельченные титановый шлак и кокс, а снизу вдувают хлор. Температура 800-850 °С, необходимая для интенсивного протекания хлорирования титанового шлака в расплаве, обеспечивается за счет тепла протекающих экзотермических реакций хлорирования.
Газообразный TiCl 4 из верха хлоратора отводят на очистку от примесей, отработанный электролит периодически заменяют. Основное преимущество солевых хлораторов состоит в том, что не требуется дорогостоящее брикетирование шихты. Отводимый из хлораторов газообразный TiCl 4 содержит пыль и примеси газов - СО, СO 2 и различные хлориды, поэтому его подвергают сложной, проводимой в несколько стадий очистке.
Металлатермическое восстановление титана из тетрахлорида TiCl 4 проводят магнием или натрием. Для восстановления магнием служат аппараты, представляющие собой помещенную в печь герметичную реторту высотой 2-3 м из хромо-никелевых сталей. После ввода в разогретую до ~ 750 °С реторту магния в нее подают тетрахлорид титана
.
Восстановление титана магнием TiCl 4 + 2Mg = Ti + + 2MgCl 2 идет с выделением тепла, поэтому электронагрев печи отключают и реторту обдувают воздухом, поддерживая температуру в пределах 800-900 °С; ее регулируют также скоростью подачи тетрахлорида титана. За один цикл восстановления длительностью 30-50 ч получают 1-4 т титана в виде губки (твердые частицы титана спекаются в пористую массу - губку). Жидкий MgCl 2 из реторты периодически выпускают.
Титановая губка впитывает много MgCl 2 и магния, по-этому после окончания цикла восстановления проводят вакуумную отгонку примесей. Реторту после нагрева до ~ 1000 °С и создания в ней вакуума выдерживают в течение 35-50 ч; за это время примеси испаряются. Иногда отгонку примесей из губки проводят после ее извлечения из реторты.
Восстановление титана натрием проводят в аппаратах, схожих с применяемыми для магниетермического восстановления. В реторте после подачи TiCl 4 и жидкого натрия идет реакция восстановления титана: TiCl 4 + 4Na = Ti + 4NaCl. Температура в 800-880 °С поддерживается за счет выделяющегося при восстановлении тепла.
Полученную твердую массу, содержащую 17 % Ti и 83 % NaCl извлекают из реактора, измельчают и выщелачивают из нее NaCl водой, получая титановый порошок.
Рафинирование титана
.
Для получения титана высокой чистоты применяют так называемый иодидный способ, при котором используется реакция Ti + 2I 2 = TiI 4 . При температуре 100-200 °С реакция протекает в направлении образования Til 4 , а при температуре 1300-1400 °С - в обратном направлении.
Титановую губку (порошок) загружают в специальную реторту, помещаемую в термостат, где температура должна быть на уровне 100-200 °С, и внутри нее спеиальным приспособлением разбивают ампулу с иодом. Через несколько натянутых в реторте титановых проволок пропускают ток, в результате чего они накаливаются до 1300-1400 °С. Пары иода реагируют с титаном губки по реакции Ti + 2I2 - TiI 4 .
Полученный TiI 4 разлагается на раскаленной титановой проволоке, образуя кристаллы чистого Ti и освобождая иод. Пары иода вновь вступают во взаимодействие с рафинируемым титаном, а на проволоке постепенно наращивается слой кристаллизующегося чистого титана. Процесс заканчивают при толщине получаемого прутка титана 25-30 мм. Получаемый металл содержит 99,9-99,99 % Ti, в одном аппарате получают ~ 10 кг чистого титана в сутки.
Для получения ковкого Ti в виде слитков губку переплавляют в вакуумной дуговой печи. Расходуемый (плавящийся) электрод получают прессованием губки и титановых отходов. Жидкий титан затвердевает в печи в водоохлаждаемом кристаллизаторе.
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.
Производство титана в России
Титану приказано выжить за счет западных инвестиций
Титановая промышленность России, которая после распада Союза и реализации конверсионных программ осталась и без сырья, и без потребителей, пытается решить свои проблемы. Иногда самостоятельно, иногда с помощью правительства. Недавно Виктор Черномырдин подписал распоряжение #892-р о комплексе неотложных мер по сохранению и развитию титанового производства в России в рамках целевой федеральной программы (1993-2002 годы). В этом документе акцент делается на привлечение иностранных инвестиций под государственные гарантии правительства России. Ъ анализирует ситуацию в титановой промышленности России.
История развития отрасли
В 1960-1990 годах в СССР была создана крупнейшая в мире титановая индустрия. К началу 90-х годов объем производства титана и его сплавов в Союзе превышал общий уровень производства США, Японии, Англии, Германии, Франции и Китая. Титановая промышленность бывшего СССР проектировалась в масштабах всего союзного народно-хозяйственного комплекса. Добыча и обогащение титансодержащих руд сосредоточены на Украине, производство лигатур осуществляется на Украине и в Таджикистане. 40% производства титановой губки приходится на Россию (Березняковский титано-магниевый комбинат, ныне АО "АВИСМА"), 40% — на Казахстан (Усть-Каменогорский титано-магниевый комбинат) и 20% — на Украину (Запорожский комбинат). Титановые слитки и полуфабрикаты производились в основном в России на Верхнесалдинском металлургическом производственном объединении (ВСМПО), Белокалитвинском, Ступинском и других предприятиях. На базовом предприятии отрасли — ВСМПО — в 1989 году было произведено 105 тыс. тонн продукции. Основным потребителем металла в СССР была оборонная промышленность — авиа- и ракетостроение, космическое машиностроение и судостроение. Еще в начале 90-х годов до 75-78% продукции ВСМПО приходилось на нужды оборонного и авиакосмического комплекса.
После распада СССР Россия — основной потребитель титана и его сплавов (на ее долю приходилось 72,5% потребления СССР) — осталась практически без собственных источников титанового сырья. Сегодня титановая промышленность России представлена двумя основными предприятиями — АО "АВИСМА" (производство титановой губки) и ВСМПО (слитки, сплавы и полуфабрикаты). Сложная ситуация усугубилась тем, что в странах СНГ (на Украине и в Таджикистане) приступили к разработке собственных программ по развитию титановой промышленности. Поэтому поставки титансодержащего сырья, концентратов и титановой губки в Россию неуклонно сокращались. Единственный же производитель титановой губки в России Березняковский комбинат, который получает сырье с Украины, в состоянии "закрыть" лишь около 40% перспективных потребностей. В 1994 году выпуск титановой губки в России составил немногим более 30% от уровня 1989 года.
С началом конверсии потребление титана и его сплавов значительно сократилось. В 1994 году спрос на металл основных гражданских отраслей-потребителей по сравнению с 1989 годом только в авиакосмическом комплексе снизился на 50%. Авиационный сектор, некогда занимавший 55% в структуре продаж ВСМПО, сократился до 10-15%. Как следствие к концу 1994 года объемы производства упали до 18-20% от уровня 1989-1990 годов. ВСМПО произвело всего 17 тыс. тонн титановой продукции. Руководство предприятия выражает серьезную обеспокоенность сокращением сырьевой базы. К тому же отношения двух российских предприятий титановой промышленности, завязанных в одну технологическую цепочку, довольно сложные. АО "АВИСМА" поставляет на ВСМПО титановую губку для дальнейшей переработки, однако сегодня эта схема дает сбой — АВИСМА хочет продавать свою продукцию за деньги (желательно по предоплате), а ВСМПО не всегда может выполнить эти условия.
В последние год-два около 40% своей продукции АО "АВИСМА" поставляет на экспорт. ВСМПО приходится использовать другие возможности получения сырья, например нереализованные остатки. Дело в том, что титановая продукция имела стратегическое значение и поэтому запасы ее накапливались в госрезерве. В последние годы эти резервы распродавались, в том числе и на ВСМПО. Правда, запасы госрезерва небезграничны.
В России продукция есть — рынка нет
Проблемы титановой промышленности России довольно типичны для многих отраслей: нет сырья и нет рынка сбыта. Следует отметить, что предприятия самостоятельно занимаются маркетингом своей продукции и вполне в этом преуспели. АО "АВИСМА" экспортирует почти половину своей продукции. Сокращение внутреннего рынка заставило и ВСМПО сосредоточить усилия на развитии экспортных программ. Структура российского экспорта титановой продукции значительно отличается от структуры экспорта развитых стран. В США и Японии около 80% внешних поставок приходится на готовую продукцию (товары глубокой переработки), а в России 80% составляют полуфабрикаты (слитки, слябы и биллетсы) и только 20% — трубы, листы, плиты, прутки. Тем не менее в 1994 году ВСМПО удалось отправить на экспорт 3800 тонн титановой продукции (в два раза больше, чем в 1993 году) и занять третье место после США и Японии. Список потребителей расширился до 33 фирм из США, Японии и Европы. В 1992 году доля экспорта в общем объеме продаж ВСМПО составляла 12% ($2 млн), в 1994 году — 35% ($58 млн), а в 1995 году она должна возрасти до 60-65% ($100 млн).
ВСМПО уделяет огромное внимание сертификации изделий. Как образно выразился директор по качеству и сертификации ВСМПО Анатолий Строшков, сертификат на продукцию — это ключ к двери в помещение, где находится рынок. Еще в 1991 году на предприятии стали создавать систему обеспечения качества, отвечающую требованиям международных стандартов. К настоящему времени ВСМПО сертифицировало некоторые виды продукции. Например, продукция для судостроения сертифицирована фирмой Lloyds Register Surveyor (Великобритания). Главное назначение титана — аэрокосмическая индустрия, поэтому основная работа по сертификации ведется именно в производстве изделий для этой области. Здесь система сертификации несколько отличается от других — она проводится потребителем. ВСМПО работает сразу с тремя ведущими производителями авиадвигателей в мире — Rolls Royce, General Electric и Pratt & Whitney. Rolls Royce после длительной процедуры сертификации продукции ВСМПО сделала предварительный заказ на поставку двух тонн титанового прутка диаметром 30 мм под штамповку лопаток компрессоров авиадвигателей. По мнению менеджеров компании General Electric Aircraft Engines, которая уже завершила сертификацию и тоже сделала заказ на поставку прутков под штамповку лопаток, ВСМПО "отвечает тем жестким требованиям, которые компания предъявляет к сотрудничающим с нами фирмам, и мы рады причислить его к кругу наших международных поставщиков". Имеет ВСМПО договоренность о проведении такой работы и с американской фирмой Pratt & Whitney, благодаря которой ВСМПО сможет стать поставщиком для 90% рынка газотурбинных авиационных двигателей в мире.
Верхнесалдинское объединение через иностранных субпоставщиков продает Boeing титановые слитки. Переговоры о начале прямых поставок идут. Правда, Boeing очень долго рассматривает вопросы, связанные со сменой поставщиков. Поэтому в ближайшее время вряд ли будут приняты какие-нибудь решения. Намерение Boeing использовать больше титана в конструкциях своих самолетов позволит ВСМПО увеличить объемы поставок титановых слитков, слябов и заготовок через субпоставщиков американской корпорации. Кроме того, ожидается, что в ближайшее время Boeing проведет сертификацию титановых полуфабрикатов, полученных непосредственно от ВСМПО. Работает объединение и с европейскими производителями самолетов, прежде всего с фирмой Airbus Industrie, выпускающей аэробусы серии А-300. Наличие сертификатов дало основание ВСМПО требовать от заказчиков платить за продукцию по мировым расценкам. В большинстве случаев западные покупатели с этим соглашаются.
Титановые предприятия ищут выход из кризиса
Титановая промышленность России встала перед необходимостью создания собственной сырьевой базы, вовлечения в эксплуатацию новых месторождений. Сырьевая проблема весьма серьезна, и решить ее предприятия самостоятельно просто не в силах. С 1992 года руководство ВСМПО самостоятельно и через областную администрацию обращалось в федеральные органы власти с просьбой о помощи промышленности, имеющей стратегическое значение для народно-хозяйственного комплекса России. В 1992 году федеральное правительство приняло комплексную программу развития производства титана в России. Она направлена на решение вопросов обеспечения титановой промышленности России собственным сырьем, повышения качества проката и заготовок до уровня мировых стандартов, создания условий для более экономного использования металла на всех переделах, обеспечения всех отраслей народного хозяйства полуфабрикатами и заготовками в полном объеме.
Объем инвестиций для реализации предусмотренных программой мероприятий в ценах 1991 года оценивается в 3,7209 млрд руб. Мероприятия по реконструкции и техническому перевооружению производства слитков, заготовок и полуфабрикатов из титановых сплавов должны были быть реализованы за счет кредита, погашаемого ежегодными отчислениями из собственных средств (до 73% чистой прибыли) предприятий, участвующих в реализации программы. Часть кредита в виде валютных средств в размере $161 млн (с учетом 15% импортной пошлины от контрактной стоимости) намечалось направить на приобретение импортного металлургического оборудования для обеспечения производства высококачественного проката из титановых сплавов на уровне требований мировых стандартов. Однако программа не выполняется. Во многом это объясняется тем, что львиную долю средств предполагалось получить из государственного бюджета (2,9524 млрд руб. — 79,35%). Остальную часть (0,7685 млрд руб. — 20,65%) — за счет кредитов государственного банка.
Попытки реализации федеральной программы наглядно продемонстрировали, что на государственное финансирование надеяться бессмысленно. Государство пытается внедрить в сознание промышленников, что инвестиции они могут привлечь, размещая свои акции на открытом рынке. Однако на ВСМПО, как, впрочем, и на многих других предприятиях, директорат боится потерять контроль над управлением предприятием и не верит в серьезность намерений стратегических инвесторов. Во время приватизации дирекция ВСМПО не позволила скупить акции сторонними инвесторам (самый крупный из них имеет не более 6%), ни один из них не прошел в совет директоров. Во избежание скупки акций у работников предприятия на объединении было создано АОЗТ "Союз "Верхняя Салда"", куда трудовой коллектив вошел почти в полном составе. Однако АО "АВИСМА" ведет себя по-другому — крупным пакетом его акций владеет банк "Менатеп". По имеющимся сведениям, "Менатеп" вместе с предприятием разработал инвестиционную программу. Однако на сегодняшний день она практически не реализуется. По некоторым сведениям, это происходит из-за того, что "Менатеп" стремится получить дополнительные гарантии возврата вложенных средств.
На ВСМПО же с редким упорством ждут государственной поддержки в рамках целевой программы. Для расширения сортамента, повышения качества титановой продукции и ее конкурентоспособности на мировом рынке требуются инвестиции — $65 млн на реконструкцию и $108 млн на модернизацию, внедрение новых технологий. Скажем, доля контрольно-испытательного оборудования в стоимости активной части основных фондов составляет всего 0,6%, хотя в соответствии с мировым стандартом требуется 5-6%.
В результате регулярных командировок в столицу представители созданной в Верхней Салде ассоциации "Титан" добились от федерального правительства определенных решений. По распоряжению премьера Виктора Черномырдина правительство признало необходимым привлечь иностранный инвестиционный кредит в объеме $65 млн под свою гарантию для технического перевооружения Верхнесалдинского металлургического производственного объединения. Кроме того, Роскомметаллургии с участием Минфина РФ, Внешэкономбанка и ВСМПО поручено провести переговоры с иностранными кредиторами о привлечении в 1995-1996 годах кредита в объеме $100 млн. Он будет использован на условиях проектного финансирования для увеличения экспортных поставок титановой продукции более глубокой переработки. Одновременно Минэкономики РФ, Минфин РФ и Роскомметаллургии обязаны в 1995 году выделить ассигнования из федерального бюджета ВСМПО и АО "АВИСМА" на содержание мобилизационных мощностей. В 1995 году будут проведены переговоры с соответствующими организациями Казахстана и Украины о подготовке проектов долгосрочных межправительственных соглашений о сотрудничестве в области титановой промышленности, в том числе по созданию межгосударственных финансово-промышленных групп.
ВИКТОР Ъ-СМИРНОВ, ПЕТР Ъ-ИВАНОВ
Мировые поставки титана увеличились в последние годы, после перерыва в сильном цикла роста с 2005 по 2008 год, когда производство титановой губки возросло с 104 тыс. тонн до 176 тысяч тонн. Рост с 2005 года в результате ввода новых и перезапуска законсервированных ранее предприятий, частично был обусловлен ростом спроса со стороны аэрокосмической отрасли, а также ростом спроса на титан на химических заводах в Китае. Китайское производство титановой губки увеличилось в пять раз между 2005 и 2008 годах.
В конце 2008 года глобальный экономический спад и задержки в производстве самолетов нового поколения, например, таких как A380 и B787, вызвали резкое снижение спроса на титан. В то же время, новые заводы по производству губки в США и Японии, заложенные во времена бума, начали производство. В 2009 и 2010 годах на мировом рынке титановой губки образовался излишек, и производители задерживали дальнейшее расширение мощностей, приостанавливая выпуск продукции и (в Китае) закрывая мелкие нерентабельные заводы. В 2010 году Китай был основным двигателем роста, и производство титановой губки в этой стране снова сильно увеличилось, так как несколько новых заводов были введены в строй.
В 2009 году производство титановой губки ограничивалось шестью странами, в порядке производства, Китаем, Японией, Россией, Казахстаном, США и Украиной. Многие из крупных производителей губки выпускали из нее титановые слитки и полуфабрикаты, а другие, играли важную роль в качестве поставщиков губки на рынок. В 2010 году казахстанская UTMK, один из ведущих поставщиков губки, начала выплавлять слитка на экспериментальной основе и заключила соглашение с Posco на строительство завода по выпуску титановых плит в восточном Казахстане.
По состоянию на 2010 год в мире насчитывалось 18 компаний, производящих титановую губку, девять из которых находятся в Китае, по сравнению со всего двумя заводами десять лет назад. Многие компании объявили о дальнейших планах расширения, хотя некоторые из них позже объявили о приостановке реализации своих планов. Если бы все компании реализовали задуманное, то совокупные мощности по производству титановой губки достигли бы 400 тысяч тонн в год к 2015 году, а при учете четырех новых проектов в Китае, вместе с расширениями в Японии и России, можно было бы добавить еще 85 тысяч тонн к общей сумме.
В 2010 году мировые мощности по производству титановых слитков составили 340 тысяч тонн, при этом 85% из них находилось в России, США, Японии и Китае. Мощности по выплавке слитков, по крайней мере, в два раза больше, чем производство губки, отчасти из-за практики двойного и тройного плавления, а отчасти из-за использования лома в сырье расплава. США доминируют в производстве проката для аэрокосмической промышленности, а производители в Японии и Китае сосредоточены на промышленных и потребительских сферах применения титана.
Мировой рынок титановых продуктов в 2009 году составлял 100 тысяч тонн по сравнению со 130 тысячами тонн в 2008 году, при этом спрос на прокат распределялся между аэрокосмической промышленностью (39%), другими отраслями промышленности (48%) и конечным потреблением (13%).
Вместе с тем, существуют значительные региональные различия. В США на аэрокосмическую промышленность приходится более 70% спроса, в то время как в Китае доминирует спрос со стороны других отраслей промышленности. Быстрый рост промышленных рынков титана в Китае сместил мировой баланс потребления от аэрокосмической к промышленной сфере, но спрос на высококачественную губку и слитки по-прежнему сильно зависит от цикличности в аэрокосмической промышленности.
Промышленное использование титана сосредоточено, в основном, на химических и нефтехимических заводах и в теплообменниках; этот сектор продемонстрировал очень высокие темпы роста в последние годы, почти полностью из-за быстрого увеличения строительства химических заводов и электростанций в Китае.
В связи с возобновлением производства больших пассажирских самолетов нового поколения A380 и A350 от Airbus и B787 от Boeing, в которых используется большое количество укрепленные углеродным волокном полимеры (CFRP), которые совместимы с титаном, а не с алюминием, позиции титана как ключевого материала в авиакосмической промышленности были гарантированы. Использование CFRP было одобрено авиакомпаниями, поскольку этот материал не имеет усталости и требует намного менее дорогостоящего времени простоя и обслуживания. В 2010 и 2011 годах, отсроченные программы строительства самолетов A380 и B787, а также нового A350, начали реализовываться, и спрос на титан космического сорта резко повысился. В то же время, возобновился устойчивый рост пользующегося спросом, главным образом в Китае, материала промышленного сорта. Это привело к расширению мирового рынка металлического титана на 60% к уровню 2009 года. В 2012 году размер рынка, согласно оценкам, выровнялся, однако аналитики предсказывали небольшой рост и в 2013 году. В то время как космические применения составляют половину спроса на титан в США, Европе и России, промышленное применение, особенно на химических заводах, доминирует в Азии. Эти дифференцированные рынки продолжат быть главными двигателями спроса и обусловят рост потребления металла на 4,6% ежегодно до 2018 года.
После падения до 123,5 тысяч тонн в 2009 году, глобальные поставки титановой губки увеличивались в среднем на 26,5% в год в период с 2010 по 2012 год, достигнув 241 тысяч тонн; образовав излишек на рынке приблизительно в 20 тысяч тонн по отношению к потреблению. Производство, как ожидается, упадет приблизительно до 230 тысяч тонн в 2013 году из-за растущих материальных запасов и замедляющегося роста спроса. Мировые мощности по производству губки титана составляют 330 тысяч тонн в год, что намного больше объема спроса и предложения. Большая часть излишка производственных мощностей находится в Китае и эти мощности предназначены для производства материала промышленного сорта, хотя мощности по производству губки космического сорта, главным образом, в Японии, России, США и Казахстане, более, чем достаточны, чтобы удовлетворить спрос. Тем не менее, новые предприятия, вероятно, начнут функционировать в США, Китае и Украине. Поставки губки, как прогнозируется, будут расти на 5% в год до 2018 года.
По данным Roskill, на импорт США приходится в последние годы более половины мировой торговли губкой. Американские производители титана также "полагаются" на поставки из Японии и Казахстана, хотя роль последней страны сокращается по мере все большего производства собственной губки.
Титан, продающийся для промышленного применения более "чувствительный к цене", чем для аэрокосмической, поскольку промышленные спецификации не являются жесткими, как в аэрокосмической и есть конкуренция на промышленном рынке от других металлов, отмечают в Roskill. Эта чувствительность цены "более очевидна" в Северной Америке и Европе, чем в Китае, где титан часто предпочитают менее дорогостоящим материалам, и теперь на страну приходится половина промышленного спроса.
После падения в 2012 году, мировой спрос на титановый прокат возобновил рост в 2013 году и будет расти на 4 до 5 процентов в год до 2018 года, хотя избыток губчатого титана на рынке будет сохраняться.
Roskill отмечает, что в то время как спрос на прокат - на основе видимого потребления - достиг рекордных 165 тысяч тонн (363,8 млн. фунтов) в 2011 году в результате быстрого восстановления после резкого спада в 2008 году, рост "застопорился" в 2012 году, едва увеличившись от уровня предыдущего года.
Roskill сообщил, что мировое производство проката составило около 152,5 тыс. тонн (336,2 млн. фунтов) в 2012 году, увеличившись на 3 процента со 148 тыс. тонн (326,3 млн. фунтов) в предыдущем году, при этом на долю Китая пришлось примерно 38 процентов мирового производства титановой продукции.
Хотя титан используется в различных областях, Roskill отмечает, что аэрокосмическая промышленность остался крупнейшим рынком с объемом потребления в 60 тыс. тонн (132,3 млн. фунтов стерлингов) в виде титановых продуктов в покупной массе самолета в 2012 году. Рост в аэрокосмической был также обусловлен расширением использования композиционных материалов из углепластика, которые "совместимы с титаном, но не с алюминием", в последнем поколении авиалайнеров, таких как Боинг 787 Dreamliner чикагской компании Boeing Co. и A380 и A350 французской компании Airbus SAS, которые помогают обеспечивать будущую роль титана, сообщает Roskill. Российская компания ВСМПО-Ависма, крупнейший в мире производитель титановых продуктов для аэрокосмической промышленности, поставил более 20 тысяч тонн (44,1 млн. фунтов) в 2012 году.
Между тем, в соответствии с обстоятельствами, загрузка мощностей по производству титана в Питтсбурге у компании RTI International Metals Inc. резко упала с начала 2013 года. Перед тем как новая электронно-лучевая (EB) печь компании RTI вступила в строй, "мы работали почти на полную мощность", отметила вице-председатель, президент и главный исполнительный директор Дауни С. Хиктон (Dawne С. Hickton). "Теперь, когда мы ее запустили, мы, очевидно, имеем больше возможностей", сказала она по поводу новой печи плавильного подразделения RTI в Кантоне, штат Огайо.
Хиктон оценивает, что общая загрузка производственных мощностей RTI находится в пределах 60-70 процентов с учетом новой печи, указывая на то, что компанией RTI было произведено 0,45 тыс. тонн (1 миллион фунтов) титановых продуктов в печи EB по состоянию на конец июня 2013 года при годовой мощности в 3,6 тыс. тонн (8 млн. фунтов).
Компания имеет мощности по производству титановой продукции в 10,0-10,5 тыс. тонн (22-23 млн. фунтов) в год на своем заводе Niles в штате Огайо, где осуществляется вакуумно-дуговая плавка; и 6,4 тыс. тонн (14 млн. фунтов) в год на заводе в Martinsville в штате Вирджиния, стоимостью $135 млн., где компания начала коммерческое производство в 2012 году.
В настоящее время в мире продолжаются исследования, направленные на создание новых технологий непрерывного производства, позволяющих обеспечить восстановление металлического титана по более низкой стоимости, однако к середине 2013 года в мире функционировало только одно предприятие (мощностью 2 тысячи тонн в год), которое не использовало процесс Кролла.
Рынок губки, необработанного металла и проката характеризуется наличием долгосрочных договоров на поставку между крупнейшими производителями и потребителями, без участия трейдеров. Тем не менее, нехватка губки в 2006 году привела к большей активности на спотовом рынке и цены на губку, которые исторически колебалась вокруг 7 долл./кг, поднялись до 30 долларов США к концу этого года. По мере увеличения мощностей по производству губки рынок начал падать и в 2010 году цены на губку опустились ниже 10 долл./кг. Цены на слитки и прокат также были значительно ниже максимальных значений, достигнутых в 2006 и 2007 годах. Цены на металлолом, с другой стороны, укрепились в 2010 году, после сокращения поставок.
Тем не менее, цены на титановую губку, по мнению аналитиков Roskill, останутся "относительно низкими" в течение ближайших лет, несмотря на растущий спрос со стороны Китая.
Титан (лат. Titanium; обозначается символом Ti) - элемент побочной подгруппы четвёртой группы, четвёртого периода периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева, с атомным номером 22. Простое вещество титан - лёгкий металл серебристо-белого цвета.
Титан находится на 10-м месте по распространённости в природе. Содержание в земной коре 0,57% по массе, в морской воде 0,001 мг/л. В ультраосновных породах 300 г/т, в основных - 9 кг/т, в кислых 2,3 кг/т, в глинах и сланцах 4,5 кг/т. В земной коре титан почти всегда четырёхвалентен и присутствует только в кислородных соединениях. В свободном виде не встречается. Титан в условиях выветривания и осаждения имеет геохимическое сродство с Al2O3. Он концентрируется в бокситах коры выветривания и в морских глинистых осадках. Перенос титана осуществляется в виде механических обломков минералов и в виде коллоидов. До 30% TiO2 по весу накапливается в некоторых глинах. Минералы титана устойчивы к выветриванию и образуют крупные концентрации в россыпях.
Известно более 100 минералов, содержащих титан. Важнейшие из них: рутил TiO2, ильменит FeTiO3, титаномагнетит FeTiO3 + Fe3O4, перовскит CaTiO3, титанит CaTiSiO5. Различают коренные руды титана - ильменит-титаномагнетитовые и россыпные - рутил-ильменит-цирконовые.
Месторождения титана находятся на территории ЮАР, России, Украины, Китая, Японии, Австралии, Индии, Цейлона, Бразилии, Южной Кореи, Казахстана.
Запасы на месторождениях титановой руды в 2012 году, *
| Китай | 200.0 |
| Австралия | 118.0 |
| Индия | 85.0 |
| ЮАР | 71.3 |
| Норвегия | 37.0 |
| Прочие страны | 180.7 |
| Всего запасы | 692.0 |
* данные US Geological Survey
Как правило, исходным материалом для производства титана и его соединений служит диоксид титана со сравнительно небольшим количеством примесей. В частности, это может быть рутиловый концентрат, получаемый при обогащении титановых руд. Однако запасы рутила в мире весьма ограничены, и чаще применяют так называемый синтетический рутил или титановый шлак, получаемые при переработке ильменитовых концентратов. Для получения титанового шлака ильменитовый концентрат восстанавливают в электродуговой печи, при этом железо отделяется в металлическую фазу (чугун), а не восстановленные оксиды титана и примесей образуют шлаковую фазу. Богатый шлак перерабатывают хлоридным или сернокислотным способом.
Полученную титановую «губку» переплавляют и очищают. Рафинируют титан иодидным способом или электролизом, выделяя Ti из TiCl4. Для получения титановых слитков применяют дуговую, электроннолучевую или плазменную переработку.
Производство диоксида титана в мире начиная с 2000 года непрерывно росло и в 2008 году составило 5,1 млн тонн, что почти на 30% больше, чем в 2000 году. В 2009 году в следствие мирового экономического объемы производства диоксида титана упали до 4,7 млн тонн, однако годом позже произошло восстановление до 5,0 млн тонн. Определяющим для роста мирового производства диоксида титана стало увеличение его производства в Китае. С 2000 по 2011 год производство диоксида титана в этой стране увеличилось в шесть раз и составило 1,8 млн тонн. Мировое производство диоксида титана в 2012 году немного снизилось по сравнению с предыдущим годом и составило 5,3 млн тонн.
В мировой промышленности титана, которая отвечает быстро растущему спросу со стороны производителей самолетов и изготовителей промышленного оборудования, продолжают создаваться новые мощности по производству титановой губки, особенно в Китае, но также и во всех основных производящих титан странах. Производство губки увеличилось с 74 тыс. тонн в 2003 году - 176 тыс. тонн в 2008 году. В конце 2008 года, глобальный экономический спад и задержки производства A380 и авиалайнеров B787 вызвали острое падение спроса на титан, в то время как новые проекты титановой губки приближались к завершению. В результате, в 2009 и 2010 годах, мощности по производству губки были излишними, в Китае были закрыты некоторые заводы, а мировое производство упало до 120 тыс. тонн. К середине 2010 года стало ясно, что спрос на титановую губку в Китае сильно вырос, и мировое производство, согласно оценкам, составило 150 тыс. тонн.
В 2012 году в США производитель титановой губки в Роули, штат Юта, закончил процесс квалификации стандартного сорта, необходимый для того, чтобы производить титан для космоса, индустриальных, и медицинских применений. Новый проект по производству порошка титана мощностью 1,800 тонн ежегодно близится к завершению в Оттаве, штат Иллинойс. Новый производственный объект по получению титана был открыт в Мартинзвилль, штат Вирджиния, и предназначен для производства титановых продуктов для коммерческой авиакосмической промышленности. Производительность, как ожидают, составит 6,300 тонн ежегодно.
Титановые продукты и компоненты производятся преимущественно в США, России, Японии и Китае, а их ежегодный объем производства составляет более 100 тысяч тонн.
* данные US Geological Survey
В чистом виде и в виде сплавов металл применяется в: химической промышленности (реакторы, трубопроводы, насосы, трубопроводная арматура), военной промышленности (бронежилеты, броня и противопожарные перегородки в авиации, корпуса подводных лодок), промышленных процессах (опреснительных установках, процессах целлюлозы и бумаги), автомобильной промышленности, сельскохозяйственной промышленности, пищевой промышленности, украшениях для пирсинга, медицинской промышленности (протезы, остеопротезы), стоматологических и эндодонтических инструментах, зубных имплантатах, спортивных товарах, ювелирных изделиях (Александр Хомов), мобильных телефонах, лёгких сплавах и т.д. Является важнейшим конструкционным материалом в авиа-, ракето-, кораблестроении.
Титановое литье выполняют в вакуумных печах в графитовые формы. Также используется вакуумное литье по выплавляемым моделям. Из-за технологических трудностей, в художественном литье используется ограниченно. Первой в мировой практике монументальной литой скульптурой из титана является памятник Юрию Гагарину на площади его имени в Москве.
Титан является легирующей добавкой во многих легированных сталях и большинстве спецсплавов. Нитинол (никель-титан) - сплав, обладающий памятью формы, применяемый в медицине и технике. Алюминиды титана являются очень стойкими к окислению и жаропрочными, что в свою очередь определило их использование в авиации и автомобилестроении в качестве конструкционных материалов. Титан является одним из наиболее распространённых геттерных материалов, используемых в высоковакуумных насосах.
В виде соединений Белый диоксид титана (TiO2) используется в красках (например, титановые белила), а также при производстве бумаги и пластика. Пищевая добавка E171.
Титанорганические соединения (напр. тетрабутоксититан) применяются в качестве катализатора и отвердителя в химической и лакокрасочной промышленности.
Неорганические соединения титана применяются в химической электронной, стекловолоконной промышленности в качестве добавки или покрытий.
Карбид титана, диборид титана, карбонитрид титана - важные компоненты сверхтвёрдых материалов для обработки металлов. Нитрид титана применяется для покрытия инструментов, куполов церквей и при производстве бижутерии, т.к. имеет цвет, похожий на золото. Титанат бария BaTiO3, титанат свинца PbTiO3 и ряд других титанатов - сегнетоэлектрики.
Существует множество титановых сплавов с различными металлами. Легирующие элементы разделяют на три группы, в зависимости от их влияния на температуру полиморфного превращения: на бета-стабилизаторы, альфа-стабилизаторы и нейтральные упрочнители. Первые понижают температуру превращения, вторые повышают, третьи не влияют на неё, но приводят к растворному упрочнению матрицы. Примеры альфа-стабилизаторов: алюминий, кислород, углерод, азот. Бета-стабилизаторы: молибден, ванадий, железо, хром, никель. Нейтральные упрочнители: цирконий, олово, кремний. Бета-стабилизаторы, в свою очередь, делятся на бета-изоморфные и бета-эвтектоидообразующие. Самым распространённым титановым сплавом является сплав Ti-6Al-4V (в российской классификации - ВТ6).
Вследствие возрастающих цен на сырье для промышленности, подавленных экономических условий в Европе и Китае и истощении существующих запасов, мировое потребление пигмента TiO2, согласно оценкам, снизилось в 2012 году.
Потребление и производство пигмента TiO2, во многом, определялись Китаем, и несколько производителей пигмента TiO2 в Китае приостановили производство с уменьшением рыночного спроса. Внутреннее производство пигмента TiO2 в 2012 году, согласно оценкам, осталось таким же как в 2011 году. Очевидное потребление пигмента TiO2 в США увеличилось на 19% вследствие 15%-ого уменьшения экспорта в 2012 году по сравнению с 2011 годом.
Потребление металла титана в коммерческой авиакосмической промышленности продолжало увеличиваться и в 2012 году достигло примерно 60 тыс. тонн. Япония и Казахстан были ведущими источниками импорта титановой губки в США в 2012 году. Увеличение импорта титановой губки наблюдалось также из Украины и Японии. В таблице ниже указаны данные по потреблению титановых продуктов в мире (без учета Китая и России). Данные за 2012 год носят оценочный характер (прогнозы Roskill и других аналитиков рынка).
Потребление титановых продуктов в мире, тыс.тонн*
| год | 2008 | 2009 | 2010 | 2011 | 2012 |
| Аэро-космическая промышленность | 46.9 | 29.8 | 41.2 | 47.0 | 60.0 |
| Оборонная промышленность | 6.4 | 5.8 | 6.7 | 6.0 | 6.0 |
| Прочая промышленность | 43.0 | 27.6 | 36.9 | 52.1 | 53.0 |
| Развивающиеся рынки | 5.3 | 1.7 | 2.4 | 3.0 | 3.0 |
| Всего | 101.6 | 64.9 | 87.1 | 108.1 | 122.0 |
* данные TIMET
Наметившийся в 2000-е годы рост цен на диоксид титана был прерван разразившимся экономическим кризисом. С сентября 2008 года по март 2009 года цены на диоксид титана как анатазной, так и рутильной модификаций сначала резко опустились, затем по мере улучшения положения в отрасли стали подниматься, а в конце этого периода повели себя различно в различных регионах и для различных видов продукта. Цены на диоксид титана анатазной модификации демонстрировали некоторую тенденцию к снижению во всех регионах, за исключением Китая, где цены вновь заметно упали. В стране очень велика доля производителей диоксида титана анатазной модификации, поэтому этот рынок в условиях низкого спроса, естественно, сыграл на понижение. Диоксид титана рутильной модификации также резко упал в цене в Китае, но в ряде других стран (Австралии, Саудовской Аравии, США, Тайване) цены на этот пигмент в марте 2009 года увеличились.
В мае-августе 2009 года китайская среднеэкспортная цена диоксида титана пигментных марок находилась в пределах 1592 - 1634 долл./т, а среднеимпортная - 2131 - 2192 долл./т. В этот же период средняя импортная цена США составляла 1,97 - 2,35 долл./кг, а средняя импортная цена материала, поставляемого в США из Китая, равнялась всего 1,36 - 1,47 долл./кг.
Во второй половине 2009 года цены на диоксид титана во всех регионах мира начали расти. В Европе они достигли почти докризис-ного значения (около 3200 долл./т). Осенью 2009 г. фактические цены на диоксид титана рутильной модификации были самыми низкими в Австралии, Индии и Китае - 2050 - 2215 долл./т, тогда как в Японии, Саудовской Аравии и США они находились в пределах 2350 - 2480 долл./т.
На внутреннем рынке Китая в первой половине июня 2012 года цены на диоксид титана рутиловой модификации составляли 2700 - 3100 долл./т, а на диоксид титана анатазной модификации 2300 - 2500 долл./т.
В январе-апреле 2012 года сразу на трех крупнейших рынках отметилось охлаждение спроса на двуокись титана. Это привело не к падению, а к стабилизации цен на пигмент в США, Европе, Азии. И лишь в мае 2012 года, с оживлением строительных работ, стал наблюдаться подъем.
Так, если среднестатистическая цена TiO2 в Европе еще в апреле 2012 года составляла на FD, Europe EUR2630 за тонну, то в начале мая котировки выросли до EUR3100-3400. В США май также спровоцировал рост цен на двуокись титана. Если в апреле ее стоимость на FD, N America составляла 3234 долл./т, то в мае она поднялась до отметки 4100-4674 долл./т. На 700-1000 долл./т вырос пигмент в Азии. Майские котировки продукта подтянулись до уровня 4000-4300 долл./т.
Цены на металлический титан в 2012 году после нескольких лет падения также выросли с составили примерно 11,75 долл./кг, что выше, чем 9,93 долл./кг годом ранее, однако существенно ниже пика 20,62 долл./кг в 2006 году.
Согласно прогнозам экспертов, мировой рынок диоксида титана к 2015 году вырастет до 7 млн. т. Однако с учетом того, что спрос на продукцию в 2012 году был вялый, существует вероятность второго витка кризиса в отрасли.
Мировой рынок титановых продуктов, как ожидается, будет расти ежегодно на 6% до 2015 года. Это приведет к росту производсва титановых продуктов до 140 тыс. тонн в год, что потребует ежегодно до 200 тыс. тонн титановой губки.
Согласно Обзору рынка титана до 2018 года, опубликованному Roskill, волатильность рынка связана с большей дифференцированностью промышленности. В Европе и Северной Америке, на долю авиационно-космической промышленности регулярно приходится более 60% спроса. Производство титановой губки и проката в этих регионах также в значительной степени ориентировано на аэрокосмический рынок. Стремительный рост производства губки и проката в Китае является следствием растущего внутреннего спроса в промышленном секторе страны, на долю которого пришлось более 80% потребления в 2012 году.
Аэрокосмический сектор является главным потребителем на рынке титана - около 60 тыс. тонн проката в 2012 году. В новом поколении больших пассажирских самолетов A380 и A350 от Airbus и Boeing B787 используется больше армированных полимеров из углеродного волокна (carbon fibre reinforced polymers, CFRP) на единицу продукции. CFRP совместимы с титаном, но не с алюминием, что добавляет уверенности в том, что применение титана в качестве ключевого материала в производстве самолетов продолжит расти. Российская корпорация ВСМПО-АВИСМА стала ведущим поставщиком проката для аэрокосмической промышленности с объем поставки более 20 тыс. тонн в 2012 году.
Однако применение титана для промышленных нужд является более чувствительным к цене, чем в случае с аэрокосмической отраслью, а также присутствует жесткая конкуренция со стороны производителей других металлов и сплавов. Эта чувствительность к цене более очевидна в Европе и Северной Америке, чем в Китае, на который в настоящее время приходится половина всего промышленного спроса в мире. Похоже, что использование титана предпочтительнее (дешевле) по сравнению с другими материалами для использования на китайских промышленных предприятиях.
После падения до 124 тыс. тонн в 2009 году, глобальные поставки титановой губки росли в среднем на 26,5% в год с 2010 по 2012 году и достигли примерно 241 тыс. тонн; 20 тыс. тонн излишек по отношению к спросу. Однако, большая часть этого роста пришлась на Китай, а дополнительные объемы были использованы в промышленности страны. Губка для космических технологий в основном производится в Японии, России, США и Казахстане. В соответствии с данными Roskill, ее более чем достаточно, чтобы удовлетворить текущий и прогнозный спрос, поскольку еще имеются некоторые неиспользуемые мощности на рынке. Импорт в США составляет более половины мировой торговли титановой губкой и американские предприятия сильно зависят от импорта из Японии и Казахстана, хотя поставки из Казахстана падают по мере увеличения доли продукции, которая перерабатывается на месте.