Kovový titán získaný zo surovej rudy sa pre svoj porézny a hubovitý vzhľad nazýva hubovitý titán. Titán je ako chemický prvok veľmi zastúpený. Medzi najrozšírenejšími kovovými prvkami v zemskej kôre je titán na štvrtom mieste (po Al, Fe a Mg). Prvým minerálom používaným na výrobu titánu je rutil (TiO2) alebo ilmenit (FeTiO3), príprava kovového titánu z týchto rudných minerálov je rozdelená do nasledujúcich 5 rôznych krokov alebo postupov, a to:
(1) Minerály sa chlórujú za vzniku TiCl4;
(2) destilačné čistenie TiCl;
(3) redukcia TiCl4 na výrobu kovového titánu [Krollov proces];
(4) Odstráňte vedľajšie produkty redukčného procesu na čistenie kovového titánu (titánová huba);
(5) Drvenie a triedenie kovového titánu s cieľom získať produkty vhodné na ďalší krok komerčného tavenia čistého titánu (CP titán) a titánových zliatin.
Proces chlorácie nevyžaduje vysokú čistotu rutilu. Ak sa namiesto rutilu použije ilmenit, surovinou je titánová troska bohatá na TiO2, ktorá je vedľajším produktom tavenia ilmenitu s uhlíkom v elektrickej peci na výrobu železa. Chloračná reakcia prebieha vo varnej peci, ktorá obsahuje TiO2, nečistoty a uhlík (koks), ktorý vstupuje do chlorátora spolu s rutilom, pozri obrázok 3.1. Pri kontakte s uhlíkom sú reakčnými produktmi chlorid kovu (MClx), CO2, CO a plynný TiCl4 (bod varu TiCl4 je 136 °C), tieto reakčné produkty sú vypúšťané z horného potrubia reaktora a priamo vstupujú do frakcionácie. jednotka (pozri obrázok 3.2).
Základný vzorec chloračnej reakcie je nasledujúci:
Ti02 plus 2Cl2 plus C->TiCl4 plus C02
a
Ti02 plus 2CI2 plus 2C -> TiCl4 plus 2CO
Druhým krokom vo výrobnom procese je krok destilácie, pretože primárny TiCl4 z kroku chlorácie je potrebné ďalej čistiť. Čistenie sa uskutočňuje frakčnou destiláciou TiCl4, ako je znázornené na obrázku 3.2, ktorý znázorňuje dvojstupňový destilačný proces čistenia. Prvým krokom je odstránenie nízkovriacich nečistôt, ako je CO a CO2, a druhým krokom je odstránenie vysokovriacich nečistôt, ako je SiCl4 a SnCl4. Vyčistený TiC4 bol až do použitia skladovaný pod ochranou inertného plynu.
Ďalším krokom vo výrobnom procese je redukcia TiCl4, proces Kroll. Vyčistený TiCl4 sa pridá do reaktora naplneného kovovým horčíkom a naplneného inertným plynom. Po zahriatí na 800 ~ 850 stupňov nastáva nasledujúca všeobecná redukčná reakcia:
TiCl4 plus 2Mg ->Ti plus 2MgCl2
Reakcia je v skutočnosti dokončená nasledujúcimi dvoma krokmi:
TiCl4 plus Mg -> TiCl2 plus MgCl2
nasledovaný
TiCl2 plus Mg->Ti plus MgCl2
Schematický diagram Krollovho redukčného reaktora je znázornený na obrázku 3.3. Redukčný reaktor vľavo je spojený s vákuovým destilátorom vpravo. Redukčnú reakciu prvýkrát študoval Kroll koncom 30. rokov 20. storočia a proces redukcie TiCl4 pomocou Mg sa dodnes nazýva Krollov proces. Konečný produkt kovový titán redukovaný vyššie uvedeným reakčným vzorcom samotný je celkom čistý, ale čistý kovový titán sa zmieša s MgCl2. S postupom Kroll redukčného procesu sa väčšina MgCl2 kontinuálne odstraňuje, ale existujú určité zvyškové množstvá, o ich odstránení sa bude diskutovať v nasledujúcom stupni čistenia titánového kovu.
Pretože redukčná reakcia je exotermická reakcia, rýchlosť pridávania TiCl4 do reaktora obsahujúceho Mg by mala byť pod regulovateľnou teplotou, čo je nevyhnutné na zabránenie tvorby hustých pevných reaktantov a zabránenie prchavosti iných produktov. Produktom tejto reakcie je zmes kovového titánu a MgCl2, nazývaná "hubový titánový blok", ktorý je produktom Krollovho procesu.
Už v roku 1910 Hunter potvrdil, že TiCl4 je možné redukovať roztaveným Na a tento spôsob prípravy hubovitého titánu sa nazýva Hunterova metóda. V rokoch 1960 až 1995 sa touto metódou vyrobilo veľké množstvo titánovej huby. V súčasnosti neexistujú továrne na veľkovýrobu titánovej huby touto metódou, najmä preto, že použitie horčíka ako redukčného činidla je z ekonomického hľadiska atraktívnejšie ako použitie sodíka.
Ďalším krokom vo výrobnom procese je čistenie kovového titánu, to znamená odstránenie zvyškového MgCl2 z titánového bloku špongie. MgCl2 možno oddeliť jedným z nasledujúcich spôsobov: kyslé lúhovanie, preplachovanie inertným plynom alebo vákuová destilácia. Prvý spôsob využíva preferenčnú rozpustnosť MgCl2 v kyslých roztokoch a MgCl2 možno z fragmentovanej titánovej huby odstrániť separačnou metódou lúhovania, ktorá sa už veľmi nepoužíva. Iné spôsoby majú výhodu v odstránení MgCl priamo v Krollovom reaktore. Tieto metódy využívajú výhodu vysokého tlaku pár MgCl na selektívne odstránenie MgCl odparovaním, po ktorom nasleduje kondenzácia na získanie Mg a Cl z titánovej huby a pravidlom inertného plynu je použitie argónu ako nosiča na transport pár MgCl2.
Obrázok 3.3 je schematický diagram procesu vákuovej destilácie (VDP). Pri tomto procese sa špongiový titánový blok zahrieva vo vákuu v Krollovom reaktore vľavo. V tomto čase je prchavý MgCl2 a prebytočný kovový Mg spôsobený tlakom pár a kondenzuje v inej nádobe (pozri pravú nádobu na obrázku 3.3), ktorá po čerstvom pridaní Mg slúži ako Krollov reaktor na ďalšie redukčné obdobie, pričom nádoba s titánovým špongiovým blokom vľavo na obrázku 3.3 sa nahradí prázdnou nádržou, čo je polokontinuálny proces s ekonomickými výhodami. Spomedzi troch čistiacich procesov titánovej špongie má blok titánovej špongie upravený procesom vákuovej destilácie (VDP) najnižší obsah prchavých látok. V dôsledku prenosu hmoty v reaktore v procese vákuovej destilácie (VDP) pri vysokej teplote (700 ~ 850 stupňov), to znamená, že titánová huba skutočne absorbuje malé množstvo Fe a Ni z reaktora z nehrdzavejúcej ocele. Medzi superzliatinami je Ni zvlášť nežiaduci, pretože obsah Ni nad limit znižuje jeho pevnosť pri tečení, čo platí aj pri spekaní špongiových titánových blokov.
V oboch procesoch (preplachovanie inertným plynom a VDP) sa Mg a Cl2 získavajú a recyklujú. V súčasnosti sa pri výrobe titánovej huby redukciou Mg v podstate dosiahla vsádzková výroba v uzavretej slučke, ale medzi vsádzkami je potrebné „primiešať“ primerané množstvo Mg a Cl2.
Posledným krokom vo výrobnom procese je drvenie a triedenie titánovej špongie. Po odstránení nadbytku Mg a MgCl2 sa objemová titánová huba rozbila na granulovaný kovový titán. Po rozdrvení a klasifikácii sa hrubšie triedy titánovej špongie strihajú, aby sa ďalej zmenšila ich veľkosť. Operácie drvenia a strihania sa vykonávajú vo vzduchu, ale je potrebné dávať pozor, pretože titán je potenciálne samozápalná látka a akýkoľvek zdroj vznietenia, ktorý sa vyskytne počas operácie, vytvorí oblasti bohaté na dusík a kontaminuje titánovú špongiu, čo vedie k následnému roztaveniu vady. Vyššia prevádzková teplota procesu VDP sťažuje segmentáciu bloku titánovej huby. Pokiaľ neexistuje špeciálna požiadavka, výrobcovia titánovej huby nebudú pokračovať vo výrobe produktov so skutočnou priemernou veľkosťou častíc menšou ako 3 ~ 5 cm, čo nielenže eliminuje prevádzkové náklady na ďalšie drvenie a strihanie, ale tiež zabraňuje riziku požiaru. v titánovej špongii počas týchto operácií. . Požadovaná alebo špecifická veľkosť častíc titánovej huby závisí od konečného produktu, ktorý sa má vyrobiť. Hrubozrnné druhy (do 2,5 cm) titánovej špongie možno použiť na výrobu komerčne čistého titánu (CP titán) a väčšiny štandardných druhov titánových zliatin. Vo vysokovýkonných oblastiach, ako sú lopatky leteckých motorov, je potrebná menšia veľkosť častíc (maximálne 1 cm) titánovej špongie, čo je založené najmä na zvážení defektov stability medzery pri aplikácii materiálov typu lopatky. Veľkosť častíc takejto titánovej huby je taká, ako je znázornené na obrázku 3.4.
Pokiaľ ide o výrobný proces iných titánových kovov, výskum prebieha už mnoho rokov a väčšina výskumov sa venuje znižovaniu výrobných nákladov titánovej huby, ale vo všeobecnosti sú neúspešné. Elektrolytická (tiež nazývaná elektrovýroba) výroba titánu je atraktívnym príkladom a Dow-Howmet v rokoch 1975 až 1985 úspešne vybudoval pilotný demonštračný závod v Spojených štátoch [3.3]. nebolo možné realizovať veľkosériovú výrobu. Preto možno povedať, že v skutočnosti nebol realizovaný systém, ktorý by bol dostatočne spoľahlivý na uskutočnenie rozsiahlej elektrolytickej redukcie, a problém, ktorý treba overiť, je utesniť veľkú elektrolytickú redukciu. Schopnosť článku udržiavať čisté prevádzkové prostredie a dlhodobú stabilitu elektródy.
Okrem toho nedávne snahy o výrobu vysoko čistého titánu prostredníctvom elektrorafinácie boli veľmi úspešné z technického aj ekonomického hľadiska. Elektrolytická rafinácia najskôr rozpúšťa nečistý titán v elektrolyte a potom ho opätovne ukladá ako titán vysokej čistoty. Starostlivým riadením podmienok nanášania a čistoty elektrolytu je možné získať vysoko čistý produkt a tento vysoko čistý kov možno premeniť na rozprašovací terč na výrobu elektronických zariadení. Ekonomická uskutočniteľnosť elektrolytickej rafinácie titánu spočíva v tom, že používatelia, ktorí používajú materiály z titánu vysokej čistoty, používajú relatívne malé množstvo tohto produktu s vysokou pridanou hodnotou, čo je z hľadiska ekonomiky úplne odlišné od aplikácie konštrukčných materiálov.
V súčasnosti sa do hĺbky študuje nový proces prípravy titánovej huby, ktorý sa nazýva Electro-Deoxidation (EDO)TM. Proces EDO využíva roztavený CaCl2 roztavený bazén a grafitovú elektródu na oddelenie kyslíka od iónov obsahujúcich oxid titánu elektrolýzou, čím sa zhutnená alebo sintrovaná katóda TiO2 premení na titán a porézny kovový titán sa po reakcii vyzráža na pôvodnej katóde. . V zásade, ak sa obsah kyslíka v požadovanom legujúcom prvku zmieša s katódovým kyslíkom a elektrolyticky sa zníži pomocou TiO2, potom má tento proces tiež schopnosť pripraviť predlegovanú titánovú hubu, ale účinok dosiahnutý týmto procesom je veľmi obmedzený a možnosť výroby vo veľkom meradle je ešte potrebné analyzovať a zdôvodniť, tento proces je však vzrušujúci z niekoľkých dôvodov. Po prvé, môže pripraviť vopred legovanú titánovú špongiu, ktorá vynechá kroky prípravy titánovej špongie, miešania legujúcich prvkov, mechanického zhutňovania atď., čo všetko slúži na prípravu počiatočných taviacich elektród na tavenie kovových ingotov, čo výrazne znížiť výrobné náklady; Po druhé, proces má schopnosť pridávať legujúce prvky (ako W, Cu atď.) do titánu, čo je ťažké praktizovať pri tradičných kovových ingotoch, o čom sa bude diskutovať neskôr. Nový proces otvára možnosť súčasného výberu viacerých legujúcich prvkov, s čím predtým nebolo možné počítať kvôli obmedzeniam tavenia. Technická uskutočniteľnosť procesu EDO bola potvrdená, ale mnohé detaily po zväčšení, od reprodukovateľnosti až po výrobné náklady, si stále vyžadujú hĺbkový výskum a analýzu. Aj keď nie je jasné, či bude proces EDO v budúcnosti komerčne dostupný, je tu spomenutý kvôli jeho revolučným zmenám.
Pre viac informácií nás kontaktujte. Ďakujem
Nicole
Spoločnosť: Baoji Jimiyun Dynamic Co., Ltd
Krajina: Čína
Pridať: cesta Baoti, Jintai, mesto Baoji, Shaanxi, Čína
Cel: plus 86 13369210920
Gmail:nicole@jmyunti.com
Webstránka: www.jm-titanium.com