Logam titanium yang diperolehi daripada bijih mentah dipanggil span titanium kerana penampilan berliang dan spongy. Titanium sangat banyak sebagai unsur kimia. Antara unsur logam yang paling banyak di dalam kerak bumi, titanium berada di kedudukan keempat (selepas Al, Fe dan Mg). Mineral pertama yang digunakan untuk menghasilkan titanium adalah rutile (TiO2) atau ilmenite (FeTiO3), penyediaan titanium logam daripada mineral bijih ini dibahagikan kepada 5 langkah atau prosedur yang berbeza berikut, iaitu:
(1) Mineral diklorin untuk membentuk TiCl4;
(2) penyulingan penyulingan TiCl;
(3) Pengurangan TiCl4 untuk menghasilkan titanium logam [proses Kroll];
(4) Keluarkan produk sampingan proses pengurangan untuk membersihkan logam titanium (span titanium);
(5) Menghancurkan dan penggredan titanium logam untuk mendapatkan produk yang sesuai untuk langkah seterusnya titanium tulen komersial (CP titanium) dan peleburan aloi titanium.
Proses pengklorinan tidak memerlukan kesucian rutile yang tinggi. Jika ilmenite digunakan dan bukannya rutile, bahan mentah adalah slag titanium yang kaya dengan TiO2, yang merupakan hasil sampingan daripada peleburan ilmenit dengan karbon dalam relau elektrik untuk menghasilkan besi. Tindak balas pengklorinan berlaku dalam relau mendidih yang mengandungi TiO2, kekotoran dan karbon (kok) yang memasuki pengklorinan bersama-sama dengan rutile, lihat Rajah 3.1. Bersentuhan dengan karbon, produk tindak balas adalah logam klorida (MClx), CO2, CO dan TiCl4 gas (takat didih TiCl4 ialah 136 ° C), produk tindak balas ini dilepaskan dari saluran atas reaktor dan terus memasuki unit pecahan (lihat Rajah 3.2).
Formula asas tindak balas pengklorinan adalah seperti berikut:
Tio2+2Cl2+C→TiCl4+CO2
Dan
Tio2+2Cl2+2C→TiCl4+2CO
Langkah kedua dalam proses pengeluaran adalah langkah penyulingan, kerana TiCl4 utama dari langkah pengklorinan perlu disucikan lagi. Pemurnian dicapai dengan penyulingan pecahan TiCl4 seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3.2, yang menunjukkan proses penulenan penyulingan dua langkah. Langkah pertama ialah membuang kekotoran mendidih rendah, seperti CO dan CO2, dan langkah kedua ialah membuang kekotoran mendidih tinggi, seperti SiCl4 dan SnCl4. TiC4 yang disucikan telah disimpan di bawah perlindungan gas lengai sehingga digunakan.
Langkah seterusnya dalam proses pengeluaran ialah pengurangan TiCl4, proses Kroll. TiCl4 yang disucikan ditambah kepada reaktor yang dipenuhi dengan logam magnesium dan dipenuhi dengan gas lengai. Apabila dipanaskan hingga 800 ~ 850 ° C, tindak balas pengurangan umum berikut berlaku:
TiCl4+2Mg→Ti+2MgCl2
Reaksi sebenarnya diselesaikan dengan dua langkah berikut:
TiCl4+Mg→TiCl2+MgCl2
Diikuti
TiCl2+Mg→Ti+MgCl2
Gambar rajah skematik reaktor pengurangan Kroll ditunjukkan dalam Rajah 3.3. Reaktor pengurangan di sebelah kiri ditambah dengan penyuling vakum di sebelah kanan. Reaksi pengurangan pertama kali dikaji oleh Kroll pada akhir 1930-an, dan proses mengurangkan TiCl4 dengan Mg masih dipanggil proses Kroll. Titanium logam produk akhir yang dikurangkan oleh formula tindak balas di atas itu sendiri agak tulen, tetapi titanium logam tulen akan bercampur dengan MgCl2. Dengan kemajuan proses pengurangan Kroll, kebanyakan MgCl2 terus dikeluarkan, tetapi terdapat jumlah sisa tertentu, penyingkiran mereka akan dibincangkan dalam peringkat penulenan logam titanium berikutnya.
Oleh kerana tindak balas pengurangan adalah tindak balas eksotermik, kadar menambah TiCl4 ke reaktor yang mengandungi Mg harus berada di bawah suhu yang boleh dikawal, yang diperlukan untuk mencegah pembentukan reactants pepejal padat dan menghalang volatilisasi produk lain. Produk tindak balas ini adalah campuran titanium logam dan MgCl2, yang dipanggil "span titanium block", yang merupakan produk proses Kroll.
Seawal tahun 1910, Hunter mengesahkan bahawa TiCl4 boleh dikurangkan dengan molten Na, dan kaedah penyediaan span titanium dipanggil kaedah Hunter. Antara tahun 1960 dan 1995, sejumlah besar span titanium dihasilkan menggunakan kaedah ini. Pada masa ini, tidak ada kilang untuk pengeluaran span titanium berskala besar menggunakan kaedah ini, terutamanya kerana penggunaan magnesium sebagai agen pengurangan lebih menarik daripada penggunaan natrium dari sudut pandang ekonomi.
Langkah seterusnya dalam proses pengeluaran ialah pemurnian titanium logam, iaitu penyingkiran sisa MgCl2 dari blok titanium span. MgCl2 boleh dipisahkan dengan salah satu kaedah berikut: larut asid, pembersihan gas lengai atau penyulingan vakum. Kaedah pertama mengeksploitasi kelarutan keutamaan MgCl2 dalam larutan berasid, dan MgCl2 boleh dikeluarkan dari span titanium yang berpecah-belah dengan kaedah larut pemisahan yang tidak lagi digunakan secara meluas. Kaedah lain mempunyai kelebihan untuk mengeluarkan MgCl secara langsung dalam reaktor Kroll. Kaedah-kaedah ini mengambil kesempatan daripada tekanan wap tinggi MgCl untuk mengeluarkan MgCl secara selektif dengan penyejatan diikuti oleh pemeluwapan untuk memulihkan Mg dan Cl dari span titanium , dan peraturan gas lengai adalah menggunakan argon sebagai pembawa untuk mengangkut wap MgCl2.
Rajah 3.3 ialah gambar rajah skematik proses penyulingan vakum (VDP). Dalam proses ini, span blok titanium dipanaskan di bawah vakum di reaktor Kroll di sebelah kiri. Pada masa ini, MgCl2 yang tidak menentu dan logam berlebihan Mg disebabkan oleh tekanan wap dan terpeluwap di dalam kapal lain (lihat kapal kanan dalam Rajah 3.3) yang, selepas penambahan mg segar, berfungsi sebagai reaktor Kroll untuk tempoh pengurangan seterusnya, manakala Bekas dengan blok span titanium di sebelah kiri dalam Rajah 3.3 digantikan dengan tangki kosong, yang merupakan proses separa berterusan dengan kelebihan ekonomi. Di antara tiga proses penulenan span titanium, blok span titanium yang dirawat oleh proses penyulingan vakum (VDP) mempunyai kandungan bahan yang tidak menentu yang paling rendah. Oleh kerana pemindahan jisim dalam reaktor di bawah proses penyulingan vakum (VDP) pada suhu tinggi (700 ~ 850 ° C), iaitu span titanium memang akan menyerap sejumlah kecil Fe dan Ni dari reaktor keluli tahan karat. Antara superalloys, Ni terutamanya Tidak diingini kerana kandungan Ni di atas had mengurangkan kekuatan menjalarnya, yang juga berlaku dalam sintering blok titanium span.
Dalam kedua-dua proses (pembersihan gas lengai dan VDP), Mg dan Cl2 pulih dan dikitar semula. Pada masa ini, pengeluaran span titanium oleh pengurangan Mg pada dasarnya telah mencapai pengeluaran gelung tertutup kelompok, tetapi perlu "mencampurkan" jumlah Mg dan Cl2 yang sesuai antara kelompok.
Langkah terakhir dalam proses pengeluaran adalah menghancurkan dan penggredan span titanium. Selepas mengeluarkan lebihan Mg dan MgCl2, span titanium pukal dipecahkan kepada titanium logam berbutir. Selepas menghancurkan dan klasifikasi, gred kasar span titanium dicukur untuk mengurangkan lagi saiznya. Operasi menghancurkan dan ricih dijalankan di udara, tetapi penjagaan harus diambil kerana titanium adalah bahan pirophorik yang berpotensi, dan mana-mana sumber pencucuhan yang berlaku semasa operasi akan menghasilkan kawasan yang kaya dengan nitrogen dan mencemarkan span titanium, mengakibatkan kecacatan peleburan berikutnya. Suhu operasi proses VDP yang lebih tinggi menjadikannya sukar untuk membahagikan blok span titanium. Kecuali terdapat permintaan khas, pengeluar titanium span tidak akan meneruskan pengeluaran produk dengan saiz zarah purata sebenar kurang daripada 3 ~ 5cm, yang bukan sahaja menghilangkan kos operasi menghancurkan dan ricih lagi, tetapi juga mengelakkan risiko kebakaran di span titanium semasa operasi ini. . Saiz zarah span titanium yang dikehendaki atau khusus bergantung pada produk akhir yang akan dihasilkan. Gred kasar (sehingga 2.5 cm) span titanium boleh digunakan untuk menghasilkan titanium tulen komersial (CP titanium) dan kebanyakan gred standard aloi titanium. Dalam bidang berprestasi tinggi, seperti bilah enjin pesawat, saiz zarah yang lebih kecil (maksimum 1cm) span titanium diperlukan, yang terutamanya berdasarkan pertimbangan kecacatan kestabilan jurang dalam penggunaan bahan gred bilah. Saiz zarah span titanium sedemikian adalah seperti seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3.4.
Untuk proses pengeluaran logam titanium lain, penyelidikan telah dijalankan selama bertahun-tahun, dan kebanyakan penyelidikan dikhaskan untuk mengurangkan kos pengeluaran span titanium, tetapi mereka umumnya tidak berjaya. Pengeluaran elektrolisis (juga dikenali sebagai elektrowinning) titanium adalah contoh yang menarik, dan Dow-Howmet berjaya membina kilang demonstrasi berskala perintis di Amerika Syarikat antara tahun 1975 dan 1985 [3.3 ], Oleh kerana kemerosotan dalam pasaran titanium pada masa itu, pengeluaran berskala besar tidak dapat dijalankan. Oleh itu, boleh dikatakan bahawa, sebenarnya, sistem yang cukup dipercayai untuk melakukan pengurangan elektrolitik berskala besar belum direalisasikan, dan masalah yang perlu disahkan adalah untuk mengelak pengurangan elektrolitik yang besar. Keupayaan sel untuk mengekalkan persekitaran operasi yang bersih dan kestabilan jangka panjang elektrod.
Di samping itu, usaha baru-baru ini untuk menghasilkan titanium ketulenan tinggi melalui elektrorefining telah sangat berjaya dari segi teknikal dan ekonomi. Penapisan elektrolitik mula-mula membubarkan titanium yang tidak suci dalam elektrolit, dan kemudian meletakkannya semula sebagai titanium ketulenan tinggi. Dengan berhati-hati mengawal keadaan pemendapan dan kesucian elektrolit, produk ketulenan tinggi boleh diperolehi, dan logam ketulenan tinggi ini boleh dijadikan sasaran yang mempertikaikan untuk pengeluaran peranti elektronik. Kemungkinan ekonomi penapisan elektrolitik titanium adalah bahawa pengguna yang menggunakan bahan titanium ketulenan tinggi menggunakan sejumlah kecil produk bernilai tambah tinggi ini, yang sama sekali berbeza dengan penggunaan bahan struktur dari segi ekonomi.
Pada masa ini, proses baru untuk menyediakan titanium span sedang dikaji secara mendalam, yang dipanggil Electro-Deoxidation (EDO)TM. Proses EDO menggunakan kolam lebur CaCl2 cair dan elektrod grafit untuk memisahkan oksigen daripada ion yang mengandungi titanium oksida melalui elektrolisis, dengan itu menukar katod TiO2 yang dipadatkan atau berdosa menjadi titanium, dan titanium logam berliang mendakan pada katod asal selepas tindak balas. Pada dasarnya, jika kandungan oksigen unsur pengaloian yang dikehendaki dicampur dengan oksigen katod dan dikurangkan secara elektrolitik dengan TiO2, maka proses ini juga mempunyai keupayaan untuk menyediakan span titanium pra-aloi, tetapi kesan yang dicapai oleh proses ini sangat Terhad, dan kemungkinan pengeluaran berskala besar masih perlu dianalisis dan dibenarkan, proses ini tetap menarik kerana beberapa sebab. Pertama, ia boleh menyediakan span titanium pra-aloi, yang akan menghilangkan langkah-langkah penyediaan span titanium, pencampuran elemen mengaloi, pemadatan mekanikal, dan lain-lain, semuanya adalah untuk penyediaan elektrod lebur awal untuk mencairkan jongkong logam, yang akan mengurangkan kos Pembuatan; Kedua, proses ini mempunyai keupayaan untuk menambah unsur mengaloi (seperti W, Cu, dan lain-lain) kepada titanium, yang sukar untuk diamalkan untuk jongkong logam tradisional, yang akan dibincangkan kemudian. Proses baru membuka kemungkinan memilih pelbagai unsur pengaloian secara serentak, yang sebelum ini mustahil untuk dibayangkan kerana batasan peleburan. Kebolehlaksanaan teknikal proses EDO telah disahkan, tetapi banyak butiran selepas skala, dari reproducibility kepada kos pengeluaran, masih memerlukan penyelidikan dan analisis mendalam. Walaupun tidak jelas sama ada proses EDO akan tersedia secara komersial pada masa akan datang, ia disebut di sini kerana perubahan revolusionernya.
Hubungi kami untuk maklumat lanjut. Terima kasih
Nicole
Syarikat: Baoji Jimiyun Dynamic Co., Ltd
Cuntry:China
Tambah: Jalan Baoti, Jintai, bandar Baoji, Shaanxi, China
Cel:+86 13369210920
Gmail:nicole@jmyunti.com
Laman web:www.jm-titanium.com