Titanium, metallen som är känd för sitt höga styrka-till-vikt-förhållande, exceptionell korrosionsbeständighet och biokompatibilitet, har ett brett utbud av tillämpningar som förlitar sig starkt på processen med effektiv och hög renhet och raffinering från malm råvaror. Titan i naturen existerar främst i form av rutil (tio₂) eller ilmenit (fetio₃), och att konvertera dessa malmer till användbart rent titan är ett komplext och energikrävande projekt, och den kärniga utmaningen är att titan är mycket lätt att reagera med syre, nitrogen, kol och andra element vid höga temperaturer, som gör att det är helt enkelt att tillämpa det traditionella smetan. Därför förlitar sig massproduktionen av rent titan (särskilt titansvamp) i branschen huvudsakligen på Kroll -metoden och dess derivatprocess, och dess kärnidé är att först omvandla titan till en flyktig mellanprodukt - titaniumtetraklorid (TICL₄) och sedan minska och rena den högpaderande intermediet.
The purification journey begins with the enrichment and chlorination of titanium ore. ilmenite or rutile is first enriched by beneficiation to increase the TiO₂ content. Titanium-rich materials (such as natural rutile, artificial rutile or high titanium slag) are then chlorinated in fluidized bed reactors with coke and chlorine at high temperatures (about 900-1000°C). This violent exothermic process converts titanium oxides into gaseous titanium tetrachloride (TiCl₄), and impurities such as iron in the ore also produce corresponding chlorides (such as FeCl₃). The newly produced crude TiCl₄ is a complex mixture containing impurities such as silicon, vanadium, iron, aluminum, magnesium, and chloride, especially vanadium impurities (VOCl₃, VCl₄) that are similar to titanium properties, which are the most difficult to separate, so strict distillation and purification are necessary. Using the differences in the boiling points of various chlorides, the impurities with low boiling points (such as SiCl₄) were first removed, and the impurities with high boiling points (such as FeCl₃ and AlCl₃) were enriched and removed in the subsequent kettles. For vanadium, a key impurity, chemical treatment methods are often used, such as adding a reducing agent (such as mineral oil or hydrogen sulfide) to liquid TiCl₄ to reduce V⁵⁺ to V⁴⁺, and then passing hydrogen sulfide to form an insoluble sulfide precipitate (such as VOS), or adding metal reducing agents such as copper powder to selectively reduce it to a low-valence state and then adsorption and filtration to remove it. This series of fine distillation and chemical treatments results in a colorless transparent liquid titanium tetrachloride with extremely high purity (typically required >99,9%), som är ett kvalificerat råmaterial för efterföljande reduktionssteg.
Efter att ha erhållit hög renhet TICL₄ kommer den in i reduktionsprocessen för att producera titanmetall, och mainstream-processen är magnesium termisk reduktion. En stor stålreaktor (reduktionsugn) skyddad av inert argongas är fylld med en tillräcklig mängd smält magnesium (Mg). Den raffinerade vätskan ticl₄ injiceras långsamt eller sprayas i ett smält magnesiumbad vid en temperatur på cirka 800-900 grader med en tätt kontrollerad hastighet. De viktigaste reaktionerna som inträffar är: tiCl₄ (g) + 2 mg (l) → ti (s) + 2 mgcl₂ (l). Detta är en intensiv exoterm reaktion som kräver exakt kontroll av utfodringshastigheten och temperaturen för att undvika överhettning eller flygtemperaturer. Titanmetallen som produceras genom reaktionen är inte i ett smält tillstånd, utan avsätts i en lös och porös fast form på den inre väggen i reaktorn eller på stålkorgen i mitten, och bildar den så kallade "titan-svampen", och den molen magnesiumkloriden (Mgcl₂) producerade float över molten magnesiumlager på grund av den dytheten är nedre än den magnesiumklorid (Mgcl₂) producerade float ovanför magnesiumskiktet eftersom dess däthet är lägre än den dythet är lägre än den dythet som är nedre än den magnesiumklorid (Mgcl₂) producerade float ovanför molen magnesiumlager eftersom dess däthet är lägre än den dythet är lägre än den dätigheten. Efter reaktionen kyls hela reaktorn långsamt under argonskydd. Den kylda reaktorn innehåller titan cavernosum, rest magnesium (oreagerad) och stelnad magnesiumklorid. För att separera dessa komponenter och ytterligare rena titansvampen krävs vakuumdestillation. Reaktorn som helhet eller de borttagna svampblocken placeras i en speciell vakuumdestillationsugn och bearbetas under lång tid under hög temperatur (ca . 920-1010 grad) och högt vakuum (mindre än 0,1 Pa). I denna miljö är det återstående magnesium och magnesiumklorid företrädesvis flyktiga på grund av deras höga ångtryck och kondenseras och fångas i ugns kylzon, medan titan har ett mycket lågt ångtryck och är nästan icke-flyktigt, så att det kan hållas och renas. Vakuumdestillation kan effektivt ta bort kvarvarande magnesium, magnesiumklorid, väte adsorberad i porerna i den kavernösa kroppen och slutligen erhålla massiv porös titansvamp med en renhet av vanligtvis 99,5% till 99,7%. Som ett alternativ är natriumtermisk reduktion i princip liknande, med hjälp av metallnatrium för att minska TiCl₄ med reaktionen av Ticl₄ + 4 na → Ti + 4 naCl. Natriummetoden har en låg reaktionstemperatur (cirka 550-600 grader), och den producerade natriumkloriden är mer löslig i vatten och tvättas bort, men den måste behandla en stor mängd natriumsaltavloppsvatten, och operationen med hög natriumaktivitet kräver mer försiktighet.
Titansvamp erhållet genom crower -processen (magnesium eller natriumreduktion) och vakuumdestillation, även om renheten är mycket hög, innehåller fortfarande spårgapföroreningar (syre, kväve, kol) och restklorid och är i ett poröst och löst tillstånd. För att erhålla industriella titangöt med täthet, enhetlig sammansättning, lägre föroreningsinnehåll och utmärkta mekaniska egenskaper är det nödvändigt att smälta och rena dem. Vakuum självkonsumtiva elektrodbågsugnar används vanligtvis för smältning. Först krossas och screenas titansvampen, och de legeringselementen (såsom Al, V, etc.) matchas exakt enligt den nödvändiga legeringskompositionen, blandas jämnt och pressas till elektrodblock under enormt tryck, och sedan svetsas flera elektrodblock i tillräckligt länge självkonsumtiva elektroder. Elektroden placeras i ett vakuum eller inert gas (argon eller helium) skyddad atmosfärsugnskammare i en vattenkyld kopparkerkibel, och bågen antänds mellan elektroden och götplattan vid botten av degeln. Den kraftfulla bågvärmen smälter elektrodspetsen och de smälta dropparna faller in i degeln för att bilda en smältpool och stelna till göt. Hela processen utförs i ett vakuum eller inert atmosfär, vilket effektivt förhindrar oxidation och nitrering av titan. Ännu viktigare är att i det smälta tillståndet kommer vissa föroreningar med högt ångtryck (såsom resterande Mgcl₂, partiellt syre, väte, etc.) att flyktas ytterligare och avlägsnas, och stelningsprocessen för smältpoolen är också gynnsam för segregering och borttagning av föroreningar. För avancerade applikationer som kräver extrem renhet och enhetlighet, såsom aero-motorblad, krävs vanligtvis två eller till och med tre vakuum-självkonsumtiva bågsmältning, var och en smälter ytterligare renhet, enhetlighet och densitet för titaningröt, och slutligen erhålls och slutligen har det stora titan-legering med extremt låg föroreningar (såsom oxyy-innehåll kan kontrolleras under 0. Material för efterföljande rullning, smide och andra bearbetningsprocesser.
Sammanfattningsvis är rening av titan en komplex systemteknik som innehåller tvärvetenskapliga tekniker såsom hög temperaturkemi, precisionsseparation, vakuummetallurgi och elektrometallurgi. Från malmens klorering till att erhålla ren Ticl₄, till magnesium/natriumreduktion i kombination med vakuumdestillation för att producera titansvamp, till den multipla vakuumbågen som smälter till att gjuta titan i titan, varje steg syftar till att tämja den höga kemiska aktiviteten i titan, eliminera den intrång av impurites såsom syften, och det slutliga omvandlingen i slutändan. "Space Metals", "Marine Metals" och "Biofilic Metals" som stöder banbrytande fält som flyg-, marinteknik och biomedicin och visar dess unika värde som en modern industriell pärla. Om du vill veta mer titaninformation, PLS-kontaktcatherine@hiriger.com.
