Metalni titan dobiven iz sirove rude naziva se spužvasti titan zbog svog poroznog i spužvastog izgleda. Titan je vrlo zastupljen kao kemijski element. Među najzastupljenijim metalnim elementima u zemljinoj kori, titan je četvrti (nakon Al, Fe i Mg). Prvi mineral korišten za proizvodnju titana je rutil (TiO2) ili ilmenit (FeTiO3), priprema metalnog titana iz ovih rudnih minerala podijeljena je u sljedećih 5 različitih koraka ili postupaka, naime:
(1) Minerali se kloriraju u TiCl4;
(2) pročišćavanje TiCl destilacijom;
(3) Redukcija TiCl4 za proizvodnju metalnog titana [Krollov proces];
(4) Uklanjanje nusproizvoda procesa redukcije za pročišćavanje metalnog titana (spužvasti titan);
(5) Drobljenje i sortiranje metalnog titana kako bi se dobili proizvodi prikladni za sljedeći korak komercijalnog čistog titana (CP titan) i taljenja titanovih legura.
Proces kloriranja ne zahtijeva visoku čistoću rutila. Ako se umjesto rutila koristi ilmenit, sirovina je titanska troska bogata TiO2, koja je nusprodukt taljenja ilmenita s ugljikom u električnoj peći za proizvodnju željeza. Reakcija kloriranja odvija se u kipućoj peći koja sadrži TiO2, nečistoće i ugljik (koks) koji ulaze u klorinator zajedno s rutilom, vidi sliku 3.1. U kontaktu s ugljikom, produkti reakcije su metalni klorid (MClx), CO2, CO i plinoviti TiCl4 (vrelište TiCl4 je 136 stupnjeva C), ti se produkti reakcije ispuštaju iz gornjeg voda reaktora i izravno ulaze u frakcioniranu jedinica (vidi sliku 3.2).
Osnovna formula reakcije kloriranja je sljedeća:
TiO2 plus 2Cl2 plus C→TiCl4 plus CO2
i
TiO2 plus 2Cl2 plus 2C→TiCl4 plus 2CO
Drugi korak u proizvodnom procesu je korak destilacije, jer primarni TiCl4 iz koraka kloriranja treba dodatno pročistiti. Pročišćavanje se postiže frakcijskom destilacijom TiCl4 kao što je prikazano na slici 3.2, koja prikazuje proces pročišćavanja destilacijom u dva koraka. Prvi korak je uklanjanje nečistoća niskog vrelišta, kao što su CO i CO2, a drugi korak je uklanjanje nečistoća visokog vrelišta, kao što su SiCl4 i SnCl4. Pročišćeni TiC4 je do upotrebe pohranjen pod zaštitom inertnog plina.
Sljedeći korak u proizvodnom procesu je redukcija TiCl4, Kroll proces. Pročišćeni TiCl4 dodaje se u reaktor napunjen metalnim magnezijem i ispunjen inertnim plinom. Kada se zagrije na 800~850 stupnjeva, dolazi do sljedeće opće reakcije redukcije:
TiCl4 plus 2Mg→Ti plus 2MgCl2
Reakcija se zapravo dovršava kroz sljedeća dva koraka:
TiCl4 plus Mg→TiCl2 plus MgCl2
slijedi
TiCl2 plus Mg→Ti plus MgCl2
Shematski dijagram Kroll redukcijskog reaktora prikazan je na slici 3.3. Redukcijski reaktor s lijeve strane spojen je s vakuumskim destilatorom s desne strane. Reakciju redukcije prvi je proučavao Kroll kasnih 1930-ih, a proces redukcije TiCl4 s Mg i danas se naziva Krollov proces. Konačni proizvod metalni titan reduciran gornjom reakcijskom formulom sam je prilično čist, ali čisti metalni titan pomiješat će se s MgCl2. S napredovanjem procesa Kroll redukcije, većina MgCl2 se kontinuirano uklanja, ali postoje određene zaostale količine, o njihovom uklanjanju raspravljat će se u kasnijoj fazi pročišćavanja metalnog titana.
Budući da je reakcija redukcije egzotermna reakcija, brzina dodavanja TiCl4 u reaktor koji sadrži Mg trebala bi biti ispod temperature koja se može kontrolirati, što je neophodno za sprječavanje stvaranja gustih krutih reaktanata i sprječavanje isparavanja drugih proizvoda. Produkt ove reakcije je mješavina metalnog titana i MgCl2, nazvana "spužvasti titanski blok", koji je proizvod Krollovog procesa.
Još 1910. Hunter je potvrdio da se TiCl4 može reducirati rastaljenim Na, a ova metoda pripreme spužvastog titana naziva se Hunterova metoda. Između 1960. i 1995. velika količina spužvastog titana proizvedena je ovom metodom. Trenutačno ne postoje tvornice za veliku proizvodnju titanske spužve ovom metodom, uglavnom zato što je uporaba magnezija kao redukcijskog sredstva privlačnija od upotrebe natrija s ekonomske točke gledišta.
Sljedeći korak u proizvodnom procesu je pročišćavanje metalnog titana, odnosno uklanjanje zaostalog MgCl2 iz spužvastog titanijskog bloka. MgCl2 se može odvojiti jednom od sljedećih metoda: kiselim ispiranjem, pročišćavanjem inertnim plinom ili vakuumskom destilacijom. Prva metoda iskorištava povlaštenu topljivost MgCl2 u kiselim otopinama, a MgCl2 se može ukloniti iz fragmentirane titanske spužve metodom separacijskog ispiranja koja se više ne koristi široko. Druge metode imaju prednost uklanjanja MgCl izravno u Kroll reaktoru. Ove metode koriste prednost visokog tlaka pare MgCl za selektivno uklanjanje MgCl isparavanjem nakon čega slijedi kondenzacija za dobivanje Mg i Cl iz spužvastog titana, a pravilo inertnog plina je korištenje argona kao nosača za prijenos para MgCl2.
Slika 3.3 je shematski dijagram procesa vakuumske destilacije (VDP). U ovom procesu, spužvasti titanski blok se zagrijava pod vakuumom u Kroll reaktoru s lijeve strane. U to vrijeme, hlapljivi MgCl2 i višak metala Mg nastaju zbog tlaka pare i kondenziraju se u drugoj posudi (vidi desnu posudu na slici 3.3) koja, nakon svježeg dodavanja Mg, služi kao Krollov reaktor za sljedeće razdoblje redukcije, dok spremnik s titanskim spužvastim blokom lijevo na slici 3.3 zamjenjuje se praznim spremnikom, što je polukontinuirani proces s ekonomskim prednostima. Među tri postupka pročišćavanja titanske spužve, blok titanske spužve tretiran postupkom vakuumske destilacije (VDP) ima najmanji sadržaj hlapljivih tvari. Zbog prijenosa mase u reaktoru u procesu vakuumske destilacije (VDP) na visokoj temperaturi (700~850 stupnjeva), to jest, titanska spužva će doista apsorbirati malu količinu Fe i Ni iz reaktora od nehrđajućeg čelika. Među superlegurama, Ni je posebno nepoželjan jer sadržaj Ni iznad granice smanjuje njegovu otpornost na puzanje, što također vrijedi za sinteriranje blokova spužvastog titana.
U oba procesa (pročišćavanje inertnim plinom i VDP), Mg i Cl2 se obnavljaju i recikliraju. Trenutačno je proizvodnja titanijske spužve redukcijom Mg u osnovi postigla šaržnu proizvodnju zatvorene petlje, ali je potrebno "pomiješati" odgovarajuću količinu Mg i Cl2 između serija.
Posljednji korak u proizvodnom procesu je drobljenje i sortiranje titanijske spužve. Nakon uklanjanja viška Mg i MgCl2, titanska spužva je razbijena u granulirani metalni titan. Nakon drobljenja i klasifikacije, grublje vrste titanske spužve se režu kako bi se dodatno smanjila njihova veličina. Operacije drobljenja i rezanja izvode se u zraku, ali treba biti oprezan jer je titan potencijalno piroforna tvar, a bilo koji izvor paljenja koji se pojavi tijekom operacije proizvest će područja bogata dušikom i onečistiti titansku spužvu, što će rezultirati naknadnim taljenjem defekti. Viša radna temperatura VDP procesa otežava segmentiranje titanskog spužvastog bloka. Osim ako ne postoji poseban zahtjev, proizvođači spužvastog titana neće nastaviti s proizvodnjom proizvoda sa stvarnom prosječnom veličinom čestica manjom od 3~5 cm, što ne samo da eliminira operativne troškove daljnjeg drobljenja i rezanja, već također izbjegava rizik od požara u spužvastom titanu tijekom ovih operacija. . Željena ili specifična veličina čestica titanske spužve ovisi o konačnom proizvodu koji se proizvodi. Krupnozrnate vrste (do 2,5 cm) titanijske spužve mogu se koristiti za proizvodnju komercijalno čistog titana (CP titan) i većine standardnih vrsta titanovih legura. U poljima visokih performansi, kao što su lopatice motora zrakoplova, potrebna je manja veličina čestica (maksimalno 1 cm) titanske spužve, što se uglavnom temelji na razmatranju nedostataka stabilnosti razmaka u primjeni materijala za lopatice. Veličina čestica takvog spužvastog titana je kao što je prikazano na slici 3.4.
Za proces proizvodnje drugih metala titana, istraživanja se provode već dugi niz godina, a većina istraživanja je posvećena smanjenju troškova proizvodnje spužvastog titana, ali su uglavnom neuspješna. Elektrolitička (također nazvana elektrodobivanjem) proizvodnja titana je atraktivan primjer, a Dow-Howmet je uspješno izgradio demonstracijsko postrojenje u pilot-razmjeru u Sjedinjenim Državama između 1975. i 1985. [3.3], Zbog pada tržišta titana u to vrijeme, velika proizvodnja se nije mogla provesti. Stoga se može reći da, zapravo, nije realiziran sustav koji je dovoljno pouzdan za poduzimanje velike elektrolitičke redukcije, a problem koji treba provjeriti je brtvljenje velike elektrolitičke redukcije. Sposobnost ćelije da održava čisto radno okruženje i dugotrajnu stabilnost elektrode.
Osim toga, nedavni pokušaji proizvodnje titana visoke čistoće putem elektrorafinacije bili su vrlo uspješni i tehnički i ekonomski. Elektrolitička rafinacija prvo otapa nečisti titan u elektrolitu, a zatim ga ponovno taloži kao titan visoke čistoće. Pažljivim kontroliranjem uvjeta taloženja i čistoće elektrolita može se dobiti proizvod visoke čistoće, a od tog metala visoke čistoće može se napraviti meta za raspršivanje za proizvodnju elektroničkih uređaja. Ekonomska isplativost elektrolitičke rafinacije titana je u tome što korisnici koji koriste materijale od titana visoke čistoće koriste relativno male količine ovog proizvoda visoke dodane vrijednosti, što je u ekonomskom smislu potpuno drugačije od primjene konstrukcijskih materijala.
Trenutačno se detaljno proučava novi postupak za pripremu spužvastog titana, koji se naziva elektrodeoksidacija (EDO)TM. EDO proces koristi rastaljeni bazen CaCl2 i grafitnu elektrodu za odvajanje kisika od iona koji sadrže titanijev oksid putem elektrolize, čime se zbijena ili sinterirana TiO2 katoda pretvara u titan, a porozni metal titan se taloži na izvornoj katodi nakon reakcije. . U načelu, ako se sadržaj kisika u željenom legirajućem elementu pomiješa s katodnim kisikom i elektrolitički reducira s TiO2, tada ovaj postupak također ima mogućnost pripreme prethodno legirane titanske spužve, ali učinak postignut ovim postupkom vrlo je ograničen, a mogućnost velike proizvodnje tek treba analizirati i opravdati, proces je ipak uzbudljiv iz nekoliko razloga. Prvo, može pripremiti prethodno legiranu spužvu od titana, koja će izostaviti korake pripreme spužve od titana, miješanja legirajućih elemenata, mehaničkog zbijanja itd., a svi su oni za pripremu početnih elektroda za taljenje za taljenje metalnih ingota, što će uvelike smanjiti troškove proizvodnje; Drugo, proces ima mogućnost dodavanja legirajućih elemenata (kao što su W, Cu, itd.) titanu, što je teško prakticirati za tradicionalne metalne ingote, o čemu će biti riječi kasnije. Novi postupak otvara mogućnost istovremenog odabira više legirajućih elemenata, što je prije bilo nemoguće predvidjeti zbog ograničenja taljenja. Tehnička izvedivost EDO procesa je potvrđena, ali mnoge pojedinosti nakon proširenja, od ponovljivosti do troškova proizvodnje, i dalje zahtijevaju dubinsko istraživanje i analizu. Iako nije jasno hoće li EDO proces biti komercijalno dostupan u budućnosti, ovdje se spominje zbog njegovih revolucionarnih promjena.
Kontaktirajte nas za više informacija. Hvala vam
Nicole
Tvrtka: Baoji Jimiyun Dynamic Co., Ltd
Država: Kina
Dodaj: cesta Baoti, Jintai, grad Baoji, Shaanxi, Kina
Cel: plus 86 13369210920
Gmail:nicole@jmyunti.com
Web stranica: www.jm-titanium.com
