El metall de titani obtingut del mineral cru s'anomena titani esponjós pel seu aspecte porós i esponjós. El titani és molt abundant com a element químic. Entre els elements metàl·lics més abundants de l'escorça terrestre, el titani ocupa el quart lloc (després d'Al, Fe i Mg). El primer mineral utilitzat per produir titani és la rútil ( TiO2) o ilmenita (FeTiO3), la preparació de titani metàl·lic a partir d'aquests minerals de mineral es divideix en els següents 5 passos o procediments diferents, a saber:
(1) Els minerals es cloren per formar TiCl4;
(2) la purificació per destil·lació de TiCl;
(3) Reducció de TiCl4 per produir titani metàl·lic [procés Kroll];
(4) Elimineu els subproductes del procés de reducció per purificar el metall de titani (titani esponja);
(5) Trituració i classificació de titani metàl·lic per tal d'obtenir productes adequats per al següent pas comercial de titani pur (cp titani) i fosa d'aliatge de titani.
El procés de cloració no requereix una alta puresa de rútil. Si s'utilitza ilmenita en lloc de rutile, la matèria primera és l'de titani rica en TiO2, que és un subproducte de la fosa ilmenita amb carboni en un forn elèctric per produir ferro. La reacció de cloració té lloc en un forn d'ebullició que conté TiO2, impureses i carboni (coc) que entren al clorador juntament amb rútil, vegeu figura 3.1. En contacte amb el carboni, els productes de reacció són clorur metàl·lic (MClx), CO2, CO i TiCl4 gasós (el punt d'ebullició de TiCl4 és de 136 ° C), aquests productes de reacció es descarreguen des del conducte superior del reactor i entren directament a la unitat de fraccionament (vegeu figura 3.2).
La fórmula bàsica de reacció de cloració és la següent:
TiO2+2Cl2+C→TiCl4+CO2
i
TiO2+2Cl2+2C→TiCl4+2CO
El segon pas en el procés de producció és el pas de destil·lació, ja que cal purificar encara més el TiCl4 primari del pas de cloració. La purificació s'aconsegueix mitjançant la destil·lació fraccionada de TiCl4 tal com es mostra a la figura 3.2, que mostra un procés de purificació de destil·lació en dos passos. El primer pas és eliminar les impureses baixes en ebullició, com el CO i el CO2, i el segon pas és eliminar les impureses d'ebullició alta, com el SiCl4 i el SnCl4. El TiC4 purificat s'ha emmagatzemat sota la protecció de gas inert fins al seu ús.
El següent pas en el procés de producció és la reducció de TiCl4, el procés Kroll. El TiCl4 purificat s'afegeix al reactor ple de metall de magnesi i s'omple de gas inert. Quan s'escalfa a 800 ~ 850 ° C, es produeix la següent reacció general de reducció:
TiCl4+2Mg→Ti+2MgCl2
En realitat, la reacció es completa amb els dos passos següents:
TiCl4+Mg→TiCl2+MgCl2
seguit de
TiCl2+Mg→Ti+MgCl2
El diagrama esquemàtic del reactor de reducció de Kroll es mostra a la figura 3.3. El reactor reductor de l'esquerra està unit al destil·lador de buit de la dreta. La reacció de reducció va ser estudiada per primera vegada per Kroll a finals de la dècada de 1930, i el procés de reducció de TiCl4 amb Mg encara s'anomena procés Kroll. El producte final de titani metàl·lic reduït per la fórmula de reacció anterior en si és bastant pur, però el titani metàl·lic pur es barrejarà amb MgCl2. Amb el progrés del procés de reducció de Kroll, la major part de MgCl2 s'elimina contínuament, però hi ha certes quantitats residuals, la seva eliminació es discutirà en l'etapa posterior de purificació de metalls de titani.
Atès que la reacció de reducció és una reacció exotèrmica, la velocitat d'afegir TiCl4 al reactor que conté Mg ha d'estar sota una temperatura controlable, necessària per evitar la formació de reactius sòlids densos i dificultar la volatilització d'altres productes. El producte d'aquesta reacció és una barreja de titani metàl·lic i MgCl2, anomenat "bloc de titani esponjós", que és el producte del procés Kroll.
Ja el 1910, Hunter va confirmar que TiCl4 es pot reduir mitjançant Na fosa, i aquest mètode de preparació de titani esponjós s'anomena mètode Hunter. Entre 1960 i 1995, es va produir una gran quantitat de titani esponjós mitjançant aquest mètode. En l'actualitat, no hi ha fàbriques per a la producció a gran escala d'esponja de titani mitjançant aquest mètode, principalment perquè l'ús de magnesi com a agent reductor és més atractiu que l'ús de sodi des del punt de vista econòmic.
El següent pas en el procés de producció és la purificació del titani metàl·lic, és a dir, l'eliminació del MgCl2 residual del bloc de titani de l'esponja. El MgCl2 es pot separar per un dels següents mètodes: lixiviació àcida, purga de gasos inerts o destil·lació al buit. El primer mètode explota la solubilitat preferencial de MgCl2 en solucions àcides, i mgCl2 es pot eliminar de l'esponja fragmentada de titani mitjançant un mètode de lixiviació per separació que ja no s'utilitza àmpliament. Altres mètodes tenen l'avantatge d'eliminar MgCl directament al reactor Kroll. Aquests mètodes aprofiten l'alta pressió de vapor de MgCl per eliminar selectivament MgCl per evaporació seguida de condensació per recuperar Mg i Cl de titani esponja , i la regla del gas inert és utilitzar l'argó com a portador per transportar vapor MgCl2.
La figura 3.3 és un diagrama esquemàtic del procés de destil·lació al buit (VDP). En aquest procés, el bloc de titani de l'esponja s'escalfa al buit al reactor Kroll de l'esquerra. En aquest moment, el MgCl2 volàtil i l'excés de Mg metàl·lic són causats per la pressió del vapor i es condensa en un altre recipient (vegeu el vas dret a la figura 3.3) que, després de l'addició fresca de Mg, serveix com a reactor Kroll per al següent període de reducció, mentre que el recipient amb el bloc d'esponja de titani a l'esquerra a la figura 3.3 se substitueix per un dipòsit buit, que és un procés semi-continu amb avantatges econòmics. Entre els tres processos de purificació de l'esponja de titani, el bloc d'esponja de titani tractat pel procés de destil·lació al buit (VDP) té el contingut més baix de substàncies volàtils. A causa de la transferència de massa al reactor en procés de destil·lació al buit (VDP) a alta temperatura (700 ~ 850 ° C), és a dir, l'esponja de titani absorbirà una petita quantitat de Fe i Ni del reactor d'acer inoxidable. Entre els superalloys, Ni especialment Indesitjable perquè el contingut de Ni per sobre del límit redueix la seva força d'arrossegament, cosa que també és cert en la sinterització dels blocs de titani de les esponges.
En ambdós processos (purga de gasos inerts i VDP), el Mg i el Cl2 es recuperen i reciclen. En l'actualitat, la producció d'esponja de titani per reducció de Mg ha aconseguit bàsicament la producció per lots en llaç tancat, però cal "barrejar" una quantitat adequada de Mg i Cl2 entre lots.
L'últim pas en el procés de producció és la trituració i classificació de l'esponja de titani. Després d'eliminar l'excés de Mg i MgCl2, l'esponja de titani a granel es va trencar en titani metàl·lic granular. Després de triturar i classificar, els graus més gruixuts d'esponja de titani es cisallen per reduir encara més la seva mida. Les operacions de trituració i cisallament es realitzen a l'aire, però s'ha de tenir cura perquè el titani és una substància pirofòrica potencial i qualsevol font d'ignició que es produeixi durant l'operació produirà zones riques en nitrogen i contaminarà l'esponja de titani, donant lloc a defectes de fosa posteriors. La temperatura de funcionament més alta del procés VDP dificulta el segment del bloc d'esponja de titani. Tret que hi hagi una sol·licitud especial, els fabricants de titani d'esponges no perseguiran la producció de productes amb una mida mitjana real de partícula inferior a 3 ~ 5 cm, cosa que no només elimina el cost d'operació de triturar i cisellar encara més, sinó que també evita el risc d'incendi al titani de l'esponja durant aquestes operacions. . La mida de partícula d'esponja de titani desitjada o específica depèn del producte final a produir. Els graus de gra gros (fins a 2,5 cm) d'esponja de titani es poden utilitzar per produir titani comercialment pur (titani CP) i la majoria dels graus estàndard d'aliatges de titani. En camps d'alt rendiment, com ara les pales del motor dels avions, es requereix una mida de partícula més petita (màxim 1 cm) d'esponja de titani, que es basa principalment en la consideració de defectes d'estabilitat de buits en l'aplicació de materials de grau de fulla. La mida de les partícules d'aquest titani esponjós és com es mostra a la figura 3.4.
Per al procés de producció d'altres metalls de titani, la investigació s'ha dut a terme durant molts anys i la majoria de les investigacions es dediquen a reduir el cost de producció del titani esponjós, però generalment no tenen èxit. La producció electrolítica (també anomenada electrowinning) de titani és un exemple atractiu, i Dow-Howmet va construir amb èxit una planta de demostració a escala pilot als Estats Units entre 1975 i 1985 [3.3 ], A causa de la caiguda del mercat del titani en aquell moment, no es va poder dur a terme la producció a gran escala. Per tant, es pot dir que, de fet, no s'ha realitzat un sistema prou fiable per dur a terme una reducció electrolítica a gran escala, i el problema a verificar és segellar la gran reducció electrolítica. La capacitat de la cel·la per mantenir un entorn de funcionament net i l'estabilitat a llarg termini de l'elèctrode.
A més, els esforços recents per produir titani d'alta puresa mitjançant electrorefining han tingut un gran èxit tant a nivell tècnic com econòmic. El refinament electrolític primer dissol el titani impur en un electròlit i després el redeposi com a titani d'alta puresa. Controlant acuradament les condicions de deposició i la puresa de l'electròlit, es pot obtenir un producte d'alta puresa i aquest metall d'alta puresa es pot convertir en un objectiu de polvorització per a la producció de dispositius electrònics. La viabilitat econòmica del refinament electrolític del titani és que els usuaris que utilitzen materials de titani d'alta puresa utilitzen una quantitat relativament petita d'aquest producte d'alt valor afegit, que és completament diferent de l'aplicació de materials estructurals en termes d'economia.
En l'actualitat, s'està estudiant en profunditat un nou procés de preparació del titani esponjós, que s'anomena Electro-Deoxidació (EDO)TM. El procés EDO utilitza una piscina fosa CaCl2 fosa i un elèctrode de grafit per separar l'oxigen dels ions que contenen òxid de titani mitjançant electròlisi, convertint així el càtode TiO2 compactat o sinteritzat en titani, i el titani metàl·lic porós es precipita sobre el càtode original després de la reacció. En principi, si el contingut d'oxigen de l'element d'aliatge desitjat es barreja amb oxigen càtode i es redueix electrolíticament amb TiO2, aquest procés també té la capacitat de preparar esponja de titani pre-aliada, però l'efecte aconseguit per aquest procés és molt limitat, i encara cal analitzar i justificar la possibilitat de producció a gran escala, el procés és emocionant, però, per diverses raons. En primer lloc, pot preparar esponja de titani pre-aliada, que ometrà els passos de preparació d'esponges de titani, barreja d'elements d'aliatge, compactació mecànica, etc., tots ells per a la preparació d'elèctrodes de fusió inicials per fondre lingots metàl·lics, cosa que reduirà considerablement el cost de fabricació; En segon lloc, el procés té la capacitat d'afegir elements d'aliatge (com W, Cu, etc.) al titani, cosa difícil de practicar per als lingots metàl·lics tradicionals, que es discutiran més endavant. El nou procés obre la possibilitat de seleccionar simultàniament múltiples elements d'aliatge, que abans era impossible de preveure a causa de les limitacions de la fosa. S'ha confirmat la viabilitat tècnica del procés EDO, però molts detalls després de l'ampliació, des de la reproductibilitat fins als costos de producció, encara requereixen una investigació i anàlisi en profunditat. Tot i que no està clar si el procés EDO estarà disponible comercialment en el futur, s'esmenta aquí a causa dels seus canvis revolucionaris.
Contacta amb nosaltres per a més informació. Gràcies
Nicole
Empresa: Baoji Jimiyun Dynamic Co, Ltd
Cuntry:Xina
Afegeix:Carretera de Baoti, Jintai, ciutat de Baoji, Shaanxi, Xina
Cel:+86 13369210920
Gmail:nicole@jmyunti.com
Lloc web:www.jm-titanium.com
