Metal tytanowy otrzymywany z surowej rudy nazywany jest tytanem gąbczastym ze względu na jego porowaty i gąbczasty wygląd. Tytan jest bardzo obficie występującym pierwiastkiem chemicznym. Wśród pierwiastków metali najobficiej występujących w skorupie ziemskiej tytan zajmuje czwarte miejsce (po Al, Fe i Mg). Pierwszym minerałem używanym do produkcji tytanu jest rutyl (TiO2) lub ilmenit (FeTiO3), wytwarzanie tytanu metalicznego z tych minerałów rudy dzieli się na 5 różnych etapów lub procedur, a mianowicie:
(1) Minerały są chlorowane z wytworzeniem TiCl4;
(2) destylacji oczyszczania TiCl;
(3) Redukcja TiCl4 w celu wytworzenia metalicznego tytanu [proces Krolla];
(4) Usuń produkty uboczne procesu redukcji w celu oczyszczenia metalicznego tytanu (tytan gąbczasty);
(5) Kruszenie i klasyfikowanie metalicznego tytanu w celu uzyskania produktów odpowiednich do następnego etapu komercyjnego wytopu czystego tytanu (tytanu CP) i wytopu stopu tytanu.
Proces chlorowania nie wymaga wysokiej czystości rutylu. W przypadku zastosowania ilmenitu zamiast rutylu, surowcem jest żużel tytanowy bogaty w TiO2, który jest produktem ubocznym wytapiania ilmenitu z węglem w piecu elektrycznym do produkcji żelaza. Reakcja chlorowania zachodzi w piecu warzelnym zawierającym TiO2, zanieczyszczenia i węgiel (koks), które wchodzą do chloratora wraz z rutylem, patrz Rysunek 3.1. W kontakcie z węglem produktami reakcji są chlorek metalu (MClx), CO2, CO i gazowy TiCl4 (temperatura wrzenia TiCl4 wynosi 136 stopni C), te produkty reakcji są odprowadzane z górnego przewodu reaktora i trafiają bezpośrednio do frakcjonowania jednostki (patrz rysunek 3.2).
Podstawowa formuła reakcji chlorowania jest następująca:
TiO2 plus 2Cl2 plus C→TiCl4 plus CO2
oraz
TiO2 plus 2Cl2 plus 2C→TiCl4 plus 2CO
Drugim etapem procesu produkcyjnego jest etap destylacji, ponieważ pierwotny TiCl4 z etapu chlorowania wymaga dalszego oczyszczenia. Oczyszczanie odbywa się przez frakcyjną destylację TiCl4, jak pokazano na rysunku 3.2, który przedstawia dwuetapowy proces oczyszczania przez destylację. Pierwszym krokiem jest usunięcie niskowrzących zanieczyszczeń, takich jak CO i CO2, a drugim krokiem jest usunięcie wysokowrzących zanieczyszczeń, takich jak SiCl4 i SnCl4. Oczyszczony TiC4 był przechowywany pod osłoną gazu obojętnego do czasu użycia.
Kolejnym krokiem w procesie produkcyjnym jest redukcja TiCl4, proces Kroll. Oczyszczony TiCl4 dodaje się do reaktora wypełnionego metalicznym magnezem i wypełnionego gazem obojętnym. Po podgrzaniu do 800 ~ 850 stopni zachodzi następująca ogólna reakcja redukcji:
TiCl4 plus 2Mg→Ti plus 2MgCl2
W rzeczywistości reakcja jest zakończona następującymi dwoma etapami:
TiCl4 plus Mg→TiCl2 plus MgCl2
śledzony przez
TiCl2 plus Mg→Ti plus MgCl2
Schemat ideowy reaktora redukcji Krolla przedstawiono na rysunku 3.3. Reaktor redukcyjny po lewej jest połączony z destylatorem próżniowym po prawej stronie. Reakcja redukcji została po raz pierwszy zbadana przez Krolla pod koniec lat 30. XX wieku, a proces redukcji TiCl4 za pomocą Mg jest nadal nazywany procesem Krolla. Produkt końcowy, metaliczny tytan zredukowany przez powyższy wzór reakcji, jest dość czysty, ale czysty metaliczny tytan będzie mieszać się z MgCl2. Wraz z postępem procesu redukcji Krolla większość MgCl2 jest w sposób ciągły usuwana, ale są pewne ilości resztkowe, ich usuwanie zostanie omówione w kolejnym etapie oczyszczania metalicznego tytanu.
Ponieważ reakcja redukcji jest reakcją egzotermiczną, szybkość dodawania TiCl4 do reaktora zawierającego Mg powinna być kontrolowana w temperaturze, co jest konieczne, aby zapobiec tworzeniu się gęstych stałych reagentów i utrudniać ulatnianie się innych produktów. Produktem tej reakcji jest mieszanina metalicznego tytanu i MgCl2, zwana „blokiem tytanu gąbkowego”, która jest produktem procesu Krolla.
Już w 1910 roku Hunter potwierdził, że TiCl4 może być redukowany przez roztopiony Na, a ta metoda przygotowania tytanu gąbczastego nazywana jest metodą Huntera. W latach 1960-1995 tą metodą wyprodukowano dużą ilość tytanu gąbczastego. W chwili obecnej nie ma fabryk do wielkoskalowej produkcji gąbki tytanowej tą metodą, głównie dlatego, że zastosowanie magnezu jako reduktora jest bardziej atrakcyjne niż użycie sodu z ekonomicznego punktu widzenia.
Kolejnym etapem procesu produkcyjnego jest oczyszczenie tytanu metalicznego, czyli usunięcie resztkowego MgCl2 z bloku tytanowego gąbczastego. MgCl2 można oddzielić jedną z następujących metod: ługowanie kwasem, przedmuchiwanie gazem obojętnym lub destylacja próżniowa. Pierwsza metoda wykorzystuje preferencyjną rozpuszczalność MgCl2 w kwaśnych roztworach, a MgCl2 można usunąć z rozdrobnionej gąbki tytanowej metodą ługowania rozdzielającego, która nie jest już powszechnie stosowana. Inne metody mają tę zaletę, że usuwają MgCl bezpośrednio w reaktorze Kroll. Metody te wykorzystują wysokie ciśnienie pary MgCl do selektywnego usuwania MgCl przez odparowanie, a następnie kondensację w celu odzyskania Mg i Cl z tytanu gąbczastego, a zasadą gazu obojętnego jest użycie argonu jako nośnika do transportu par MgCl2.
Rysunek 3.3 przedstawia schemat procesu destylacji próżniowej (VDP). W tym procesie, gąbkowy blok tytanowy jest podgrzewany pod próżnią w reaktorze Kroll po lewej stronie. W tym czasie lotny MgCl2 i nadmiar metalicznego Mg są powodowane przez prężność pary i są kondensowane w innym naczyniu (patrz prawe naczynie na rysunku 3.3), które po świeżym dodaniu Mg służy jako reaktor Krolla do następnego okresu redukcji, podczas gdy zbiornik z blokiem gąbki tytanowej po lewej stronie na rysunku 3.3 zostaje zastąpiony pustym zbiornikiem, co jest procesem półciągłym z korzyściami ekonomicznymi. Spośród trzech procesów oczyszczania gąbki tytanowej, blok gąbki tytanowej poddany destylacji próżniowej (VDP) ma najniższą zawartość substancji lotnych. Ze względu na przenoszenie masy w reaktorze w procesie destylacji próżniowej (VDP) w wysokiej temperaturze (700~850 stopni), to znaczy, że gąbka tytanowa rzeczywiście zaabsorbuje niewielką ilość Fe i Ni z reaktora ze stali nierdzewnej. Wśród nadstopów Ni szczególnie niepożądany, ponieważ zawartość Ni powyżej limitu zmniejsza jego wytrzymałość na pełzanie, co jest również prawdziwe w przypadku spiekania bloków tytanu gąbczastego.
W obu procesach (przedmuchiwanie gazem obojętnym i VDP) Mg i Cl2 są odzyskiwane i poddawane recyklingowi. Obecnie przy produkcji gąbki tytanowej poprzez redukcję Mg w zasadzie osiągnięto produkcję partiami w obiegu zamkniętym, ale konieczne jest „zmieszanie” odpowiedniej ilości Mg i Cl2 pomiędzy partiami.
Ostatnim etapem procesu produkcyjnego jest kruszenie i stopniowanie gąbki tytanowej. Po usunięciu nadmiaru Mg i MgCl2, objętościowa gąbka tytanowa została rozbita na granulowany metaliczny tytan. Po zmiażdżeniu i klasyfikacji grubsze gatunki gąbki tytanowej są ścinane w celu dalszego zmniejszenia ich wielkości. Operacje kruszenia i ścinania są przeprowadzane w powietrzu, ale należy zachować ostrożność, ponieważ tytan jest potencjalną substancją piroforyczną, a każde źródło zapłonu, które pojawia się podczas operacji, spowoduje powstanie obszarów bogatych w azot i zanieczyszczenie gąbki tytanowej, w wyniku czego następuje jej topienie wady. Wyższa temperatura robocza procesu VDP utrudnia segmentację bloku gąbki tytanowej. O ile nie ma specjalnej prośby, producenci tytanu gąbczastego nie będą kontynuować produkcji produktów o rzeczywistej średniej wielkości cząstek mniejszej niż 3 ~ 5 cm, co nie tylko eliminuje koszty operacyjne dalszego kruszenia i ścinania, ale także pozwala uniknąć ryzyka pożaru w gąbce tytanu podczas tych operacji. . Pożądana lub określona wielkość cząstek gąbki tytanowej zależy od wytwarzanego produktu końcowego. Gruboziarniste gatunki (do 2,5 cm) gąbki tytanowej mogą być używane do produkcji komercyjnie czystego tytanu (tytanu CP) i większości standardowych gatunków stopów tytanu. W dziedzinach wymagających wysokiej wydajności, takich jak łopatki silników lotniczych, wymagany jest mniejszy rozmiar cząstek (maksymalnie 1 cm) gąbki tytanowej, co opiera się głównie na uwzględnieniu defektów stabilności szczeliny w zastosowaniu materiałów klasy łopatkowej. Wielkość cząstek takiego tytanu gąbczastego jest taka, jak pokazano na rysunku 3.4.
W przypadku procesu produkcyjnego innych metali tytanowych badania prowadzone są od wielu lat, a większość badań poświęcona jest obniżeniu kosztów produkcji tytanu gąbczastego, ale generalnie kończą się niepowodzeniem. Atrakcyjnym przykładem jest elektrolityczna (zwana także elektrolitycznego) produkcja tytanu, a firma Dow-Howmet z powodzeniem zbudowała pilotażową fabrykę demonstracyjną w Stanach Zjednoczonych w latach 1975-1985 [3.3 ]. produkcja na dużą skalę nie mogła zostać przeprowadzona. Dlatego można powiedzieć, że w rzeczywistości nie zrealizowano układu wystarczająco niezawodnego do przeprowadzenia redukcji elektrolitycznej na dużą skalę, a problemem do zweryfikowania jest uszczelnienie dużej redukcji elektrolitycznej. Zdolność ogniwa do utrzymania czystego środowiska pracy i długoterminowej stabilności elektrody.
Ponadto, ostatnie wysiłki zmierzające do wytworzenia tytanu o wysokiej czystości poprzez elektrorafinację okazały się bardzo udane zarówno pod względem technicznym, jak i ekonomicznym. Rafinacja elektrolityczna najpierw rozpuszcza zanieczyszczony tytan w elektrolicie, a następnie ponownie osadza go jako tytan o wysokiej czystości. Dzięki starannej kontroli warunków osadzania i czystości elektrolitu można uzyskać produkt o wysokiej czystości, a ten metal o wysokiej czystości można przekształcić w cel rozpylania do produkcji urządzeń elektronicznych. Ekonomiczna wykonalność rafinacji elektrolitycznej tytanu polega na tym, że użytkownicy stosujący materiały tytanowe o wysokiej czystości zużywają stosunkowo niewielką ilość tego produktu o wysokiej wartości dodanej, co pod względem ekonomicznym całkowicie różni się od zastosowania materiałów konstrukcyjnych.
Obecnie dogłębnie badany jest nowy proces przygotowania tytanu gąbczastego, który nazywa się Elektroodtlenianiem (EDO)TM. Proces EDO wykorzystuje roztopiony roztopiony CaCl2 i elektrodę grafitową do oddzielania tlenu od jonów zawierających tlenek tytanu poprzez elektrolizę, przekształcając w ten sposób zagęszczoną lub spiekaną katodę TiO2 w tytan, a porowaty metalowy tytan wytrąca się na pierwotnej katodzie po reakcji . W zasadzie, jeśli zawartość tlenu w pożądanym pierwiastku stopowym jest mieszana z tlenem katodowym i elektrolitycznie redukowana za pomocą TiO2, to ten proces ma również możliwość przygotowania wstępnie stopionej gąbki tytanowej, ale efekt osiągnięty przez ten proces jest bardzo ograniczony, i możliwość produkcji na dużą skalę wciąż wymaga analizy i uzasadnienia, proces ten jest jednak ekscytujący z kilku powodów. Po pierwsze, może przygotować gąbkę tytanową ze stopu wstępnego, która pominie etapy przygotowania gąbki tytanowej, mieszania pierwiastków stopowych, zagęszczania mechanicznego itp., Z których wszystkie służą do przygotowania elektrod do wstępnego topienia do topienia wlewków metalowych, co znacznie zmniejszyć koszty produkcji; Po drugie, proces ma możliwość dodawania pierwiastków stopowych (takich jak W, Cu itp.) do tytanu, co jest trudne do wykonania w przypadku tradycyjnych wlewków metalowych, co zostanie omówione później. Nowy proces otwiera możliwość jednoczesnego wyboru wielu pierwiastków stopowych, co wcześniej było niemożliwe do przewidzenia ze względu na ograniczenia wytapiania. Techniczna wykonalność procesu EDO została potwierdzona, ale wiele szczegółów po zwiększeniu skali, od odtwarzalności po koszty produkcji, nadal wymaga dogłębnych badań i analiz. Chociaż nie jest jasne, czy proces EDO będzie w przyszłości dostępny na rynku, wspomniano o nim tutaj ze względu na jego rewolucyjne zmiany.
Skontaktuj się z nami, aby uzyskać więcej informacji. Dziękuję Ci
Nicole
Firma: Baoji Jimiyun Dynamic Co., Ltd
Kraj: chiny
Dodaj: droga Baoti, Jintai, miasto Baoji, Shaanxi, Chiny!
Cel: plus 86 13369210920
Gmail:nicole@jmyunti.com
Strona internetowa: www.jm-titanium.com
