Titaniummetal opnået fra rå malm kaldes svampetitanium på grund af dets porøse og svampede udseende. Titanium er meget rigeligt som et kemisk grundstof. Blandt de mest udbredte metalelementer i jordskorpen er titanium nummer fire (efter Al, Fe og Mg). Det første mineral, der bruges til at fremstille titanium, er rutil (TiO2) eller ilmenit (FeTiO3), fremstillingen af metallisk titanium fra disse malmmineraler er opdelt i følgende 5 forskellige trin eller procedurer, nemlig:
(1) Mineraler chloreres til dannelse af TiCl4;
(2) destillationsoprensning af TiCl;
(3) Reduktion af TiCl4 til fremstilling af metallisk titanium [Kroll-proces];
(4) Fjern biprodukterne fra reduktionsprocessen for at rense titaniummetal (svamp titanium);
(5) Knusning og klassificering af metallisk titanium for at opnå produkter, der er egnede til det næste trin af kommerciel smeltning af rent titanium (CP titanium) og titanlegeringer.
Kloreringsprocessen kræver ikke høj renhed af rutil. Hvis ilmenit bruges i stedet for rutil, er råmaterialet titaniumslagge rig på TiO2, som er et biprodukt ved at smelte ilmenit med kulstof i en elektrisk ovn for at fremstille jern. Kloreringsreaktionen foregår i en kogende ovn indeholdende TiO2, urenheder og kulstof (koks), der kommer ind i kloreringsanlægget sammen med rutil, se figur 3.1. I kontakt med kulstof er reaktionsprodukterne metalchlorid (MClx), CO2, CO og gasformigt TiCl4 (kogepunktet for TiCl4 er 136 grader C), disse reaktionsprodukter udledes fra reaktorens øverste ledning og kommer direkte ind i fraktioneringen enhed (se figur 3.2).
Den grundlæggende chloreringsreaktionsformel er som følger:
TiO2 plus 2Cl2 plus C→TiCl4 plus CO2
og
TiO2 plus 2Cl2 plus 2C→TiCl4 plus 2CO
Det andet trin i produktionsprocessen er destillationstrinnet, fordi det primære TiCl4 fra chloreringstrinnet skal renses yderligere. Oprensning udføres ved fraktioneret destillation af TiCl4 som vist i figur 3.2, som viser en to-trins destillationsoprensningsproces. Det første trin er at fjerne lavtkogende urenheder, såsom CO og CO2, og det andet trin er at fjerne højtkogende urenheder, såsom SiCl4 og SnCl4. Det rensede TiC4 er blevet opbevaret under beskyttelse af inert gas indtil brug.
Næste trin i produktionsprocessen er reduktionen af TiCl4, Kroll-processen. Det rensede TiCl4 tilsættes til reaktoren fyldt med magnesiummetal og fyldt med inert gas. Når den opvarmes til 800 ~ 850 grader, opstår følgende generelle reduktionsreaktion:
TiCl4 plus 2Mg→Ti plus 2MgCl2
Reaktionen fuldføres faktisk af følgende to trin:
TiCl4 plus Mg→TiCl2 plus MgCl2
efterfulgt af
TiCl2 plus Mg→Ti plus MgCl2
Det skematiske diagram af Kroll reduktionsreaktor er vist i figur 3.3. Reduktionsreaktoren til venstre er koblet sammen med vakuumdestilleren til højre. Reduktionsreaktionen blev først undersøgt af Kroll i slutningen af 1930'erne, og processen med at reducere TiCl4 med Mg kaldes stadig Kroll-processen. Det endelige produkt metaltitanium reduceret med ovenstående reaktionsformel i sig selv er ret rent, men rent metaltitan vil blandes med MgCl2. Med fremskridt i Kroll-reduktionsprocessen fjernes det meste af MgCl2 kontinuerligt, men der er visse restmængder, deres fjernelse vil blive diskuteret i det efterfølgende titaniummetalrensningstrin.
Da reduktionsreaktionen er en eksoterm reaktion, bør hastigheden af tilsætning af TiCl4 til den Mg-holdige reaktor være under en kontrollerbar temperatur, som er nødvendig for at forhindre dannelsen af tætte faste reaktanter og hindre fordampning af andre produkter. Produktet af denne reaktion er en blanding af metallisk titanium og MgCl2, kaldet "svamp titanium blok", som er produktet af Kroll processen.
Allerede i 1910 bekræftede Hunter, at TiCl4 kan reduceres med smeltet Na, og denne metode til fremstilling af svampet titanium kaldes Hunter-metoden. Mellem 1960 og 1995 blev en stor mængde svampet titanium fremstillet ved hjælp af denne metode. På nuværende tidspunkt er der ingen fabrikker til storskalaproduktion af titansvamp ved hjælp af denne metode, primært fordi anvendelsen af magnesium som reduktionsmiddel er mere attraktiv end brugen af natrium ud fra et økonomisk synspunkt.
Det næste trin i produktionsprocessen er rensningen af metallisk titanium, det vil sige fjernelse af resterende MgCl2 fra svampet titanium blokken. MgCl2 kan adskilles ved en af følgende metoder: syreudvaskning, udrensning af inert gas eller vakuumdestillation. Den første metode udnytter den foretrukne opløselighed af MgCl2 i sure opløsninger, og MgCl2 kan fjernes fra den fragmenterede titansvamp ved en separationsudvaskningsmetode, som ikke længere er meget udbredt. Andre metoder har den fordel, at de fjerner MgCl direkte i Kroll-reaktoren. Disse metoder drager fordel af det høje damptryk af MgCl til selektivt at fjerne MgCl ved fordampning efterfulgt af kondensering for at genvinde Mg og Cl fra svampet titanium, og reglen for inert gas er at bruge argon som en bærer til at transportere MgCl2-damp.
Figur 3.3 er et skematisk diagram af vakuumdestillationsprocessen (VDP). I denne proces opvarmes svampe-titanblokken under vakuum i Kroll-reaktoren til venstre. På dette tidspunkt er flygtigt MgCl2 og overskydende metal-Mg forårsaget af damptryk og kondenseres i en anden beholder (se højre beholder i figur 3.3), som efter frisk tilsætning af Mg fungerer som Kroll-reaktoren i den næste reduktionsperiode, mens The beholder med titansvampblokken til venstre i figur 3.3 udskiftes med en tom tank, hvilket er en semi-kontinuerlig proces med økonomiske fordele. Blandt de tre rensningsprocesser af titansvamp har titansvampblokken behandlet ved vakuumdestillationsproces (VDP) det laveste indhold af flygtige stoffer. På grund af masseoverførslen i reaktoren under vakuumdestillationsproces (VDP) ved høj temperatur (700~850 grader), det vil sige, vil titansvamp faktisk absorbere en lille mængde Fe og Ni fra rustfri stålreaktoren. Blandt superlegeringer er Ni især uønsket, fordi Ni-indhold over grænsen reducerer dets krybestyrke, hvilket også er tilfældet ved sintring af svampe-titaniumblokke.
I begge processer (rensning af inert gas og VDP) genvindes Mg og Cl2 og recirkuleres. På nuværende tidspunkt har produktionen af titansvamp ved Mg-reduktion som udgangspunkt opnået batch-closed-loop-produktion, men det er nødvendigt at "blande" en passende mængde Mg og Cl2 mellem batcherne.
Det sidste trin i produktionsprocessen er knusningen og sorteringen af titansvampen. Efter fjernelse af overskydende Mg og MgCl2 blev bulk-titanium-svampen brudt til granulært metallisk titanium. Efter knusning og klassificering klippes de grovere kvaliteter af titansvamp for yderligere at reducere deres størrelse. Knusnings- og skæreoperationerne udføres i luften, men man skal være forsigtig, fordi titanium er et potentielt pyrofor stof, og enhver antændelseskilde, der opstår under operationen, vil producere nitrogenrige områder og forurene titansvampen, hvilket resulterer i efterfølgende smeltning defekter. VDP-processens højere driftstemperatur gør det vanskeligt at segmentere titansvampblokken. Medmindre der er en særlig anmodning, vil producenter af svampe titanium ikke forfølge produktionen af produkter med en faktisk gennemsnitlig partikelstørrelse på mindre end 3 ~ 5 cm, hvilket ikke kun eliminerer driftsomkostningerne ved yderligere knusning og klipning, men også undgår risikoen for brand i svampen titanium under disse operationer. . Den ønskede eller specifikke partikelstørrelse af titansvamp afhænger af det endelige produkt, der skal fremstilles. Grovkornede kvaliteter (op til 2,5 cm) af titansvamp kan bruges til at fremstille kommercielt rent titanium (CP titanium) og de fleste standardkvaliteter af titanlegeringer. På områder med høj ydeevne, såsom blade til flymotorer, kræves en mindre partikelstørrelse (maksimalt 1 cm) af titansvamp, hvilket hovedsageligt er baseret på overvejelser om spaltestabilitetsdefekter i påføringen af bladkvalitetsmaterialer. Partikelstørrelsen af en sådan svampet titanium er som vist i figur 3.4.
For produktionsprocessen af andre titaniummetaller er der blevet udført forskning i mange år, og de fleste undersøgelser er afsat til at reducere produktionsomkostningerne for svampet titanium, men de er generelt mislykkede. Elektrolytisk (også kaldet elektrovindende) produktion af titanium er et attraktivt eksempel, og Dow-Howmet byggede med succes et demonstrationsanlæg i pilotskala i USA mellem 1975 og 1985 [3.3] På grund af nedgangen i titaniummarkedet på det tidspunkt, storstilet produktion ikke kunne gennemføres. Derfor kan det siges, at et system, der er pålideligt nok til at foretage elektrolytisk reduktion i stor skala, ikke er blevet realiseret, og problemet, der skal verificeres, er at forsegle den store elektrolytiske reduktion. Cellens evne til at opretholde et rent driftsmiljø og langtidsstabilitet af elektroden.
Derudover har de seneste bestræbelser på at producere højrent titanium gennem elektroraffinering været meget succesrige både teknisk og økonomisk. Elektrolytisk raffinering opløser først urent titanium i en elektrolyt, og genaflejrer det derefter som titanium med høj renhed. Ved omhyggeligt at kontrollere aflejringsforholdene og elektrolyttens renhed kan der opnås et højrent produkt, og dette højrente metal kan gøres til et sputteringsmål til fremstilling af elektroniske enheder. Den økonomiske gennemførlighed af elektrolytisk raffinering af titanium er, at brugere, der bruger titaniummaterialer med høj renhed, bruger en relativt lille mængde af dette produkt med høj værditilvækst, hvilket er helt anderledes end anvendelsen af strukturelle materialer med hensyn til økonomi.
På nuværende tidspunkt undersøges en ny proces til fremstilling af svampet titanium i dybden, som kaldes Electro-Deoxidation (EDO)TM. EDO-processen bruger en smeltet CaCl2-smeltet pool og en grafitelektrode til at adskille oxygen fra titaniumoxidholdige ioner gennem elektrolyse, hvorved den komprimerede eller sintrede TiO2-katode omdannes til titanium, og det porøse metaltitanium udfældes på den originale katode efter reaktionen . I princippet, hvis iltindholdet i det ønskede legeringselement blandes med katodeoxygen og elektrolytisk reduceres med TiO2, så har denne proces også evnen til at fremstille prælegeret titansvamp, men effekten opnået ved denne proces er meget begrænset, og muligheden for storproduktion mangler stadig at blive analyseret og begrundet, men processen er alligevel spændende af flere grunde. For det første kan den fremstille en prælegeret titansvamp, som vil udelade trinene med fremstilling af titansvamp, blanding af legeringselementer, mekanisk komprimering osv., som alle er til fremstilling af indledende smelteelektroder til smeltning af metalbarrer, hvilket i høj grad vil reducere produktionsomkostningerne; For det andet har processen evnen til at tilføje legeringselementer (såsom W, Cu osv.) til titanium, hvilket er vanskeligt at praktisere for traditionelle metalbarrer, hvilket vil blive diskuteret senere. Den nye proces åbner mulighed for samtidig at vælge flere legeringselementer, hvilket tidligere var umuligt at forestille sig på grund af smeltningens begrænsninger. Den tekniske gennemførlighed af EDO-processen er blevet bekræftet, men mange detaljer efter opskalering, fra reproducerbarhed til produktionsomkostninger, kræver stadig dybtgående forskning og analyse. Selvom det er uklart, om EDO-processen vil være kommercielt tilgængelig i fremtiden, er den nævnt her på grund af dens revolutionerende ændringer.
Kontakt os for mere information. tak skal du have
Nicole
Firma: Baoji Jimiyun Dynamic Co., Ltd
Land: Kina
Tilføj: Baoti Road, Jintai, Baoji city, Shaanxi, Kina
Cel: plus 86 13369210920
Gmail:nicole@jmyunti.com
Hjemmeside: www.jm-titanium.com
