书城自然科学科学奥秘丛书——矿产资源
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第10章 未来的金属——钛

从人类发现钛元素到制得纯钛,历时一百多年。而钛真正得到利用,认识钛本来的真面目,则是20世纪40年代以后的事情了。

在地球表面10千米厚的地层中,含钛达6‰,比铜多61倍。随便从地下抓起一把泥土,其中都含有千分之几的钛,世界上储量超过一千万吨的钛矿并不稀罕。

海滩上有成亿吨的砂石,钛和锆这两种比砂石重的矿物,就混杂在砂石中,经过海水千百万年昼夜不停地淘洗,把比较重的钛铁矿和锆英砂矿冲在一起,在漫长的海岸边,形成了一片一片的钛矿层和锆矿层。这种矿层是一种黑色的沙子,通常有几厘米到几十厘米厚。

人们在1947年才开始在工厂里冶炼钛。当年,产量只有2吨。1955年产量激增到2万吨。1972年,年产量达到了20万吨。钛的硬度与钢铁差不多,而它的重量几乎只有同体积的钢铁的一半,钛虽然稍稍比铝重一点,它的硬度却比铝大2倍。现在,在宇宙火箭和导弹中,就大量用钛代替钢铁。据统计,目前世界上每年用于宇宙航行的钛,已达一千吨以上极细的钛粉,还是火箭的好燃料,所以钛被誉为“宇宙金属”、“空间金属”。

钛的耐热性非常好,熔点高达1725℃。在常温下,钛可以安然无恙地躺在各种强酸强碱的溶液中。就连最凶猛的酸——王水,也不能腐蚀它。钛不怕海水,有人曾把一块钛沉到海底,五年以后取上来一看,上面粘了许多小动物与海底植物,却一点也没有生锈,依旧亮闪闪的。

人们现在开始用钛来制造潜艇——钛潜艇。由于钛非常结实,能承受很高的压力,这种潜艇可以在深达4500米的深海中航行。钛没有磁性,用钛建造的核潜艇不必担心磁性水雷的攻击。

钛耐腐蚀,所以在化学工业上常常要用到它。过去,化学反应器中装热硝酸的部件都用不锈钢。不锈钢也怕那强烈的腐蚀剂——热硝酸,每隔半年,这种部件就要统统换掉。现在,用钛来制造这些部件,虽然成本比不锈钢部件贵一些,但是它可以连续不断地使用五年,计算起来反而合算得多。

铝镁合金是制造飞机的主要材料。但随着航空工业的发展,飞机的飞行速度也越来越快。特别是当飞机的飞行速度达到音速二三倍时,飞机表面与空气摩擦产生的高温可达摄氏四五百度。这时铝镁合金便难以承受,就必须由钛合金来取而代之了。因此,钛和钛合金便成为制造飞机、枪炮、船舰等现代武器不可缺少的材料。如果我们用钛制造坦克的履带,可使坦克重量减轻40%,这对提高坦克的机动能力来说,真是太有用了。

不怕酸碱腐蚀的钛及钛合金,还被人们广泛应用于石油化工、冶金、制药、造纸、纺织、漂白、食品、电镀等工业部门,让其大显身手。

钛还有一个“怪脾气”,就是非常乐意和氧、氮结合在一起。不过,它和氧、氮的结合,对我们来说有时并没有什么好处。这是因为钛只要和氧、氮一接触,哪怕是吸收了千分之几的氧和氮,就会变成毫无价值的东西。钛的这一特性给我们提炼钛增加了相当的困难。但我们也可以把坏事变好事。

比如,我们让钛粉和氧气迅速结合并燃烧,便能够产生强烈的高温和光辉。我们不止一次地看过节日夜晚绚丽多彩的焰火吧?这里就有钛的一份功劳。我们还可以根据这个原理,制造军事上常用的信号弹。我们还可以利用钛对空气的强大吸收力,除去空气,造成真空,这对电子计算机、原子能等工业来说,有着极为重大的意义。

钛还可以应用于医疗上。人的骨头坏了,用钛片、钛螺丝钉修补,几个月后,骨头就重新生长在钛片的小孔和螺丝钉的螺纹里,新的肌肉就包在钛片上。这样,骨头就和真的一模一样了。据推测,用这种材料制成的人工关节可连续使用140年。

由于钛的高强度、耐高温和耐蚀性,加上它质轻的优点,在未来的工业技术中,无疑将越来越占据显著的地位。那时制取钛和它的合金的方法将更为完善。很可能用钛合金制成的汽车不久将出现在马路上。钛合金制成的车身与铸钢制成的车身相比,将减轻一半的重量。其实,现在在欧洲城市的街道上可以遇到几十种形形色色的时髦自行车,这些自行车不仅结构不凡,而且用于制造框架的传统材料——钢,已经开始让位给其他金属。用钛合金制造的自行车,每辆总共只有7千克重。

人们利用钛在高温下化合能力极强的特点,在炼钢的时候,氮很容易溶解在钢水里,当钢锭冷却的时候,钢锭中就形成气泡,影响钢的质量。所以炼钢工人往钢水里加进金属钛,使它与氮化合,变成炉渣——氮化钛,浮在钢水表面,这样钢锭就比较纯净了。

钛由于有上述极为独特的优点,因而在目前,尤其是未来有着极为广泛的用途,故又有“未来的金属”之称。

钛的最大缺点是难于提炼。主要是因为钛在高温下化合能力极强,可以与氧、碳、氮以及其他许多元素化合。因此,不论在冶炼或者铸造的时候,人们都小心地防止这些元素“侵袭”钛。在冶炼钛的时候,空气与水当然是严格禁止接近的,甚至连冶金上常用的氧化铝坩埚也禁止使用,因为钛会从氧化铝里夺取氧。现在,人们利用镁与四氯化钛在惰性气体——氦气或氩气中相作用,来提炼钛。

钛的化合物也有许多重要用途。如军事上的四氯化钛可以制造人造雾来迷惑敌人。

钛的氧化物——二氧化钛,是雪白的粉末,是最好的白色颜料,俗称钛白。以前,人们开采钛矿,主要目的便是为了获得二氧化钛。钛白的黏附力强,不易起化学变化,永远是雪白的。特别可贵的是钛白无毒。它的熔点很高,被用来制造耐火玻璃、釉料、珐琅、陶土、耐高温的实验器皿等。

二氧化钛是世界上最白的东西,l克二氧化钛可以把450多平方厘米的面积涂得雪白。它比常用的白颜料——锌钡白还要白5倍,因此是调制白油漆的最好颜料。世界上用作颜料的二氧化钛,一年多到几十万吨。二氧化钛可以加在纸里,使纸变白并且不透明,效果比其他物质大10倍,因此,钞票纸和美术品用纸就要加二氧化钛。此外,为了使塑料的颜色变浅,使人造丝光泽柔和,有时也要添加二氧化钛。在橡胶工业上,二氧化钛还被用作为白色橡胶的填料。

四氯化钛是种有趣的液体,它有股刺鼻的气味,在湿空气中便会大冒白烟——它水解了,变成白色的二氧化钛的水凝胶。在军事上,人们便利用四氯化钛的这股怪脾气,作为人造烟雾剂。特别是在海洋上,水汽多,一放四氯化钛,浓烟就像一道白色的长城,挡住了敌人的视线。在农业上,人们利用四氟化钛来防霜。

钛酸钡晶体有这样的特性:当它受压力而改变形状的时候,会产生电流,一通电又会改变形状。于是,人们把钛酸钡放在超声波中,它受压便产生电流,由它所产生的电流的大小可以测知超声波的强弱。相反,用高频电流通过它,则可以产生超声波。现在,几乎所有的超声波仪器中,都要用到钛酸钡。除此之外,钛酸钡还有许多用途。例如:铁路工人把它放在铁轨下面,来测量火车通过时候的压力;医生用它制成脉搏记录器。用钛酸钡做的水底探测器,是锐利的水下眼睛,它不只能够看到鱼群,而且还可以看到水底下的暗礁、冰山和敌人的潜水艇等。

冶炼钛时,要经过复杂的步骤。把钛铁矿变成四氯化钛,再放到密封的不锈钢罐中,充以氩气,使它们与金属镁反应,就得到“海绵钛”。这种多孔的“海绵钛”是不能直接使用的,还必须把它们在电炉中熔化成液体,才能铸成钛锭。但制造这种电炉又谈何容易!除了电炉的空气必须抽干净外,更伤脑筋的是,简直找不到盛装液态钛的坩埚,因为一般耐火材料部含有氧化物,而其中的氧就会被液态钛夺走。后来,人们终于发明了一种“水冷铜坩埚”的电炉。这种电炉只有中央一部分区域很热,其余部分都是冷的,钛在电炉中熔化后,流到用水冷却的铜坩埚壁上,马上凝成钛锭。用这种方法已经能够生产几吨重的钛块,但它的成本就可想而知了。

钛的老家在陆地上的岩浆岩中,岩浆岩被外力破坏后,被河流搬运到海边沉积下来,形成含有钛的钛铁矿和金红石,它们是钛的重要来源。此外,主要的含钛矿物还有钛磁铁矿、钙钛矿等,它们大都分布在地质历史时期岩浆活动剧烈的地方。

我国是世界上钛储量最多的国家。我国钛的探明储量占世界探明总量的72%,这是高速发展我国钛工业极为有利的条件。

说到这里,我们还需要说一说和钛像孪生姐妹一样,形影不离地住在一起的钒。纯净的钒是没有什么用处的,但钒合金却有广泛的用途。如钒铁合金是制造船舶、钢轨等的好材料;钒铝合金由于有轻、硬、耐腐蚀等特点,更是制造水上飞机、汽艇等的专用材料。此外钒合金还广泛用于其他机器制造方面。我国也是世界上钒最多的国家,我国钒的储量占世界总储量的68%以上。

我国最大的钒钛蕴藏地和生产基地,是位于四川和云南交界处崇山峻岭中的攀枝花。

攀枝花正好位于攀枝花——西昌大裂谷上,地质历史上多次剧烈的岩浆活动,使这里蕴藏了我国20%的铁、87%的钒、93%的钛,还有数量惊人的镓、钪、钴等稀有金属。此外,还有丰富的水力、木材和煤炭。

攀枝花之所以闻名世界,就是因为它有世界一半以上的钒和钛。神奇的土地哺育了一代又一代不断创造奇迹的人。这里不仅已成为我国十大钢铁企业之一,更重要的是已成为世界闻名的钒钛生产基地。特别是攀钢人创造的用普通大型高炉一次性炼钢提钒钛新工艺,这在世界上是独一无二的。攀钢的崛起,不仅使得我国成为世界上最主要的钒钛生产国,也为我国实现工业现代化奠定了基础。