Titanul, metalul cunoscut pentru raportul său ridicat de rezistență-greutate, rezistența excepțională a coroziunii și biocompatibilitatea, are o gamă largă de aplicații care se bazează foarte mult pe procesul de extracție și rafinare eficientă și de înaltă puritate din materii prime. Titaniul în natură există în principal sub formă de rutilă (TIO₂) sau ilmenit (FETIO₃), iar transformarea acestor minereuri în titan pur utilizabil este un proiect complex și intensiv în energie, iar provocarea de bază este că titaniul este foarte ușor de reacționat violent cu oxigen, azot, carbon și alte elemente la temperaturi de la temperaturi ridicate. Prin urmare, producția în masă de titan pur (în special buretele de titan) în industrie se bazează în principal pe metoda Kroll și pe procesul său derivat, iar ideea sa de bază este de a transforma mai întâi titanul într -un compus intermediar volatil - tetraclorură de titan (TICL₄), apoi reduce și purifica intermediarul de înaltă puritate.
The purification journey begins with the enrichment and chlorination of titanium ore. ilmenite or rutile is first enriched by beneficiation to increase the TiO₂ content. Titanium-rich materials (such as natural rutile, artificial rutile or high titanium slag) are then chlorinated in fluidized bed reactors with coke and chlorine at high temperatures (about 900-1000°C). This violent exothermic process converts titanium oxides into gaseous titanium tetrachloride (TiCl₄), and impurities such as iron in the ore also produce corresponding chlorides (such as FeCl₃). The newly produced crude TiCl₄ is a complex mixture containing impurities such as silicon, vanadium, iron, aluminum, magnesium, and chloride, especially vanadium impurities (VOCl₃, VCl₄) that are similar to titanium properties, which are the most difficult to separate, so strict distillation and purification are necessary. Using the differences in the boiling points of various chlorides, the impurities with low boiling points (such as SiCl₄) were first removed, and the impurities with high boiling points (such as FeCl₃ and AlCl₃) were enriched and removed in the subsequent kettles. For vanadium, a key impurity, chemical treatment methods are often used, such as adding a reducing agent (such as mineral oil or hydrogen sulfide) to liquid TiCl₄ to reduce V⁵⁺ to V⁴⁺, and then passing hydrogen sulfide to form an insoluble sulfide precipitate (such as VOS), or adding metal reducing agents such as copper powder to selectively reduce it to a low-valence state and then adsorption and filtration to remove it. This series of fine distillation and chemical treatments results in a colorless transparent liquid titanium tetrachloride with extremely high purity (typically required >99,9%), care este o materie primă calificată pentru etapele de reducere ulterioare.
După obținerea TICL₄ de înaltă puritate, acesta intră în procesul de reducere pentru a produce metal din titan, iar procesul principal este reducerea termică a magneziului. Un reactor mare de oțel (cuptor de reducere) protejat de gaz argon inert este umplut cu o cantitate suficientă de magneziu topit (mg). Ticl₄ lichid rafinat este injectat lent sau pulverizat într-o baie de magneziu topită la o temperatură de aproximativ 800-900 grade, la un ritm strâns controlat. Reacțiile cheie care apar sunt: ticl₄ (g) + 2 mg (l) → ti (s) + 2 mgcl₂ (l). Aceasta este o reacție exotermică intensă care necesită un control precis al vitezei și temperaturii de alimentare pentru a evita supraîncălzirea sau temperaturile de zbor. Metalul de titan produs de reacție nu se află într-o stare topită, ci este depus într-o formă solidă liberă și poroasă pe peretele interior al reactorului sau pe coșul de oțel din centru, formând așa-numitul „burete de titan”, iar clorura de magneziu topită (MGCL₂) a produs flori deasupra stratului de magneziu topit, deoarece densitatea sa este mai mică decât mai mică decât a magneziului. După reacție, întregul reactor este răcit lent sub protecție argon. Reactorul răcit conține titan cavernosum, magneziu rezidual (nereacționat) și clorură de magneziu solidificată. Pentru a separa aceste componente și a purifica în continuare buretele de titan, este necesară distilarea în vid. Reactorul în ansamblu sau blocurile de burete îndepărtate sunt plasate într -un cuptor special de distilare în vid și prelucrate mult timp la temperaturi ridicate (aprox . 920-1010 grad) și vid ridicat (mai puțin de 0,1 Pa). În acest mediu, magneziul rezidual și clorura de magneziu sunt volatilizate în mod preferențial datorită presiunii lor de vapori ridicate și sunt condensate și prinse în zona de răcire a cuptorului, în timp ce titanul are o presiune de vapori foarte scăzută și este aproape nevolatil, deci poate fi păstrat și purificat. Distilarea în vid poate îndepărta eficient magneziul rezidual, clorura de magneziu, hidrogenul adsorbit în porii corpului cavernos și, în sfârșit, obține un burete masiv de titan poros cu o puritate de obicei de 99,5% la 99,7%. Ca alternativă, reducerea termică de sodiu este similară în principiu, folosind sodiu metalic pentru a reduce TICL₄ cu reacția ticl₄ + 4 Na → Ti + 4 NaCl. Metoda de sodiu are o temperatură de reacție scăzută (aproximativ 550-600 grade), iar clorura de sodiu produsă este mai solubilă în apă și spălată, dar trebuie să trateze o cantitate mare de apă uzată de sare de sodiu, iar operația cu activitate ridicată de sodiu necesită mai multă precauție.
Buretele de titan obținut prin procesul Crower (reducerea magneziului sau a sodiului) și distilarea în vid, deși puritatea este foarte mare, conține încă impurități de urmărire (oxigen, azot, carbon) și clorură reziduală și este într -o stare poroasă și liberă. Pentru a obține lingouri de titan industriale cu densitate, compoziție uniformă, conținut de impuritate mai scăzută și proprietăți mecanice excelente, este necesar să le topească și să le purificați. Cuptoarele cu arc de electrozi care se auto-consumă în vid sunt de obicei utilizate pentru topire. În primul rând, buretele de titan este zdrobit și ecranat, iar elementele de aliere (cum ar fi Al, V, etc.) sunt potrivite cu exactitate în funcție de compoziția de aliaj necesară, amestecate uniform și presate în blocuri de electrozi sub presiune uriașă, iar apoi mai multe blocuri de electrozi sunt sudați în electrozi auto-consumatori suficient de lungi. Electrodul este plasat într-o cameră de cuptor cu vid sau inert (argon sau heliu), camera cuptorului de cupru cu apă răcită cu apă, iar arcul este aprins între electrod și placa de lingouri din partea de jos a creuzetului. Căldura puternică a arcului topește vârful electrodului, iar picăturile topite cad în creuzet pentru a forma o piscină de topire și a se solidifica în lingouri. Întregul proces este realizat într -o atmosferă de vid sau inertă, prevenind efectiv oxidarea și nitrarea titanului. Mai important, în starea topită, unele impurități cu presiune ridicată de vapori (cum ar fi MGCL₂ rezidual, oxigen parțial, hidrogen etc.) vor fi volatilizate și îndepărtate în continuare, iar procesul de solidificare a bazinului de topire este, de asemenea, propice segregarea și îndepărtarea impurităților. Pentru aplicațiile de înaltă calitate care necesită o puritate extremă și uniformitate, cum ar fi lamele motorului aero, două sau chiar trei topirea arcului care se auto-consumează în vid este de obicei necesară, fiecare topire îmbunătățește în continuare puritatea, uniformitatea și densitatea lingourilor de titan, iar în cele din urmă obține un conținut mare de aliaj de titan cu un conținut extrem de scăzut și conținut de oxygen, care poate fi controlat sub 0.1 Materii prime de înaltă calitate pentru rularea, forjarea și alte procese de procesare ulterioare.
În rezumat, purificarea titanului este o inginerie complexă a sistemului care încorporează tehnici multidisciplinare, cum ar fi chimia la temperatură ridicată, separarea preciziei, metalurgia în vid și electrometalurgia. From the chlorination of ore to obtain pure TiCl₄, to the magnesium/sodium reduction combined with vacuum distillation to produce titanium sponge, to the multiple vacuum arc melting to cast high-purity dense titanium ingots, each step aims to tame the high chemical activity of titanium, eliminate the intrusion of impurities such as oxygen, nitrogen and carbon, and finally transform the potential contained in the ore into „Metale spațiale”, „metale marine” și „metale biofile” care susțin câmpuri de ultimă oră, cum ar fi aerospațial, inginerie marină și biomedicină, arătând valoarea sa unică ca o perlă industrială modernă. Dacă doriți să cunoașteți mai multe informații despre titan, contactați PLS Contactațicatherine@hiriger.com.
