Toormaagist saadud titaanmetalli nimetatakse käsna titaaniks selle poorse ja spoonilise välimuse tõttu. Titaan on keemilise elemendina väga rikkalik. Maapõue kõige rikkalikumate metallelementide hulgas on titaan neljandal kohal (Al, Fe ja Mg järel). Esimene titaani tootmiseks kasutatav mineraal on rutiil ( TiO2) või ilmeniit (FeTiO3), metallilise titaani valmistamine nendest maagi mineraalidest jaguneb järgmisteks 5 erinevaks etapiks või protseduuriks, nimelt:
(1) Mineraalid klooritakse TiCl4-ks;
2) TiCl destilleerimise puhastamine;
(3) TiCl4 redutseerimine metallilise titaani tootmiseks [Krolli protsess];
(4) Titaanmetalli (käsn-titaani) puhastamiseks eemaldage redutseerimisprotsessi kõrvalsaadused;
(5) Metallilise titaani purustamine ja liigitamine, et saada tooteid, mis sobivad kaubandusliku puhta titaani (CP titaan) ja titaanisulami sulatamise järgmiseks etapiks.
Kloorimisprotsess ei nõua rutiili kõrget puhtust. Kui rutiili asemel kasutatakse ilmeniiti, on tooraineks TiO2 rikas titaanräbu, mis on raua tootmiseks elektriahjus süsinikuga sulatamise kõrvalsaadus. Kloorimisreaktsioon toimub keemisahjus, mis sisaldab TiO2, lisandeid ja süsinikku (koksi), mis sisenevad kloorijasse koos rutiiliga, vt joonis 3.1. Kokkupuutel süsinikuga on reaktsioonisaadused metallkloriid (MClx), CO2, CO ja gaasiline TiCl4 (TiCl4 keemistemperatuur on 136 ° C), need reaktsioonisaadused juhitakse reaktori ülemisest kanalist välja ja sisenevad otse fraktsioneerimisseadmesse (vt joonis 3.2).
Kloorimisreaktsiooni põhivalem on järgmine:
TiO2 + 2Cl2 + C→TiCl4 + CO2
ja
TiO2+2Cl2+2C→TiCl4+2CO
Tootmisprotsessi teine etapp on destilleerimise etapp, sest kloorimise etapist pärit esmane TiCl4 tuleb täiendavalt puhastada. Puhastamine toimub TiCl4 fraktsioneeriva destilleerimise teel, nagu on näidatud joonisel 3.2, mis näitab kaheastmelist destilleerimisprotsessi. Esimene samm on madala keemistemperatuuriga lisandite, nagu CO ja CO2, eemaldamine ning teine samm on kõrge keemistemperatuuriga lisandite, näiteks SiCl4 ja SnCl4 eemaldamine. Puhastatud TiC4 on kuni kasutamiseni ladustatud inertgaasi kaitse all.
Järgmine samm tootmisprotsessis on Krolli protsessi TiCl4 vähendamine. Puhastatud TiCl4 lisatakse magneesiummetalliga täidetud reaktorisse ja täidetakse inertgaasiga. Kuumutamisel temperatuurini 800 ~ 850 ° C toimub järgmine üldine redutseerimisreaktsioon:
TiCl4+2Mg→Ti+2MgCl2
Reaktsioon lõpeb tegelikult kahe järgmise sammuga:
TiCl4+Mg→TiCl2+MgCl2
Järgneb
TiCl2+Mg→Ti+MgCl2
Krolli redutseerimisreaktori skemaatiline diagramm on esitatud joonisel 3.3. Vasakpoolne reduktorreaktor on ühendatud paremal asuva vaakumdestillaatoriga. Redutseerimisreaktsiooni uuris Kroll esmakordselt 1930. aastate lõpus ja TiCl4 redutseerimise protsessi Mg-ga nimetatakse endiselt Krolli protsessiks. Ülaltoodud reaktsioonivalemiga redutseeritud lõpptoode metall titaan ise on üsna puhas, kuid puhas metall titaan seguneb MgCl2-ga. Krolli redutseerimisprotsessi edenedes eemaldatakse suurem osa MgCl2-st pidevalt, kuid on teatud jääkkoguseid, nende eemaldamist arutatakse järgnevas titaanmetallide puhastamise etapis.
Kuna redutseerimisreaktsioon on eksotermiline reaktsioon, peaks TiCl4 lisamise kiirus Mg-d sisaldavasse reaktorisse olema kontrollitaval temperatuuril, mis on vajalik tihedate tahkete reaktiivide moodustumise vältimiseks ja teiste toodete lendumise takistamiseks. Selle reaktsiooni saaduseks on metallilise titaani ja MgCl2 segu, mida nimetatakse "käsna titaanplokiks", mis on Krolli protsessi tulemus.
Juba 1910. aastal kinnitas Hunter, et TiCl4 saab vähendada sulanud Na abil ja seda käsna titaani valmistamise meetodit nimetatakse Hunteri meetodiks. Aastatel 1960–1995 toodeti selle meetodi abil suur hulk käsna titaani. Praegu ei ole selle meetodi abil titaankäsna suuremahuliseks tootmiseks tehaseid, peamiselt seetõttu, et magneesiumi kasutamine redutseerijana on majanduslikust seisukohast atraktiivsem kui naatriumi kasutamine.
Järgmine samm tootmisprotsessis on metallilise titaani puhastamine, st MgCl2 jääkide eemaldamine käsna titaanplokist. MgCl2 saab eraldada ühega järgmistest meetoditest: happe leostamine, inertgaasi puhastamine või vaakumdestilleerimine. Esimene meetod kasutab ära MgCl2 eelistatud lahustuvust happelistes lahustes ja MgCl2 saab killustunud titaankäsnast eemaldada eraldusleostusmeetodiga, mida enam laialdaselt ei kasutata. Teiste meetodite eeliseks on MgCl eemaldamine otse Krolli reaktoris. Need meetodid kasutavad MgCl kõrget aururõhku MgCl selektiivseks eemaldamiseks aurustamise teel, millele järgneb kondensatsioon Mg ja Cl saamiseks käsna titaanist , ja inertgaasi reegel on kasutada argooni kandjana MgCl2 auru transportimiseks.
Joonisel 3.3 on kujutatud vaakumdestillatsiooniprotsessi (VDP) skemaatiline diagramm. Selles protsessis kuumutatakse käsna titaanplokki vaakumis vasakul asuvas Krolli reaktoris. Sel ajal on lenduv MgCl2 ja liigne metall Mg põhjustatud aururõhust ja kondenseeruvad teises anumas (vt paremat anumat joonisel 3.3), mis pärast Mg värsket lisamist toimib järgmisel redutseerimisperioodil Krolli reaktorina, samas kui joonisel 3.3 vasakul asuva titaankäsna plokiga mahuti asendatakse tühja mahutiga, mis on majanduslike eelistega poolpidev protsess. Titaankäsna kolme puhastusprotsessi hulgas on vaakumdestillatsiooniprotsessiga (VDP) töödeldud titaankäsna plokil madalaim lenduvate ainete sisaldus. Tänu massiülekandele reaktoris vaakumdestillatsiooniprotsessi (VDP) all kõrgel temperatuuril (700 ~ 850 ° C), see tähendab, et titaankäsn neelab roostevabast terasest reaktorist tõepoolest väikese koguse Fe ja Ni. Supersulamite hulgas on Ni eriti ebasoovitav, sest Ni sisaldus üle piiri vähendab selle libisemistugevust, mis kehtib ka käsna titaanplokkide paagutamisel.
Mõlemas protsessis (inertgaasi puhastamine ja VDP) taaskasutatakse ja võetakse ringlusse Mg ja Cl2. Praegu on titaankäsna tootmine Mg vähendamise teel põhimõtteliselt saavutanud partii suletud ahelaga tootmise, kuid partiide vahel on vaja "segada" sobiv kogus Mg ja Cl2.
Tootmisprotsessi viimane etapp on titaankäsna purustamine ja liigitamine. Pärast liigse Mg ja MgCl2 eemaldamist purustati lahtine titaankäsn granuleeritud metalliliseks titaaniks. Pärast purustamist ja klassifitseerimist lõigatakse titaankäsna jämedamad klassid, et nende suurust veelgi vähendada. Purustamis- ja lõikamistoimingud viiakse läbi õhus, kuid tuleb olla ettevaatlik, sest titaan on potentsiaalne pürofoorne aine ja mis tahes süüteallikas, mis tekib operatsiooni ajal, tekitab lämmastikurikkaid alasid ja saastab titaankäsna, mille tulemuseks on järgnevad sulatusvead. VDP protsessi kõrgem töötemperatuur raskendab titaankäsna ploki segmenteerimist. Kui ei ole eritaotlust, ei jätka käsna titaani tootjad selliste toodete tootmist, mille tegelik keskmine osakeste suurus on alla 3 ~ 5 cm, mis mitte ainult ei kõrvalda edasise purustamise ja lõikamise kulusid, vaid väldib ka käsna titaani tulekahju ohtu nende toimingute ajal. . Soovitud või spetsiifiline titaankäsna osakeste suurus sõltub toodetavast lõpptootest. Titaankäsna jämedateralisi (kuni 2,5 cm) saab kasutada kaubanduslikult puhta titaani (CP titaan) ja enamiku titaanisulamite standardklasside tootmiseks. Suure jõudlusega valdkondades, näiteks lennukimootori labades, on vaja titaankäsna väiksemat osakeste suurust (maksimaalselt 1 cm), mis põhineb peamiselt lõhe stabiilsuse defektide arvestamisel tera-kvaliteediga materjalide kasutamisel. Sellise käsna titaani osakeste suurus on selline, nagu on näidatud joonisel 3.4.
Teiste titaanmetallide tootmisprotsessi jaoks on uuringuid läbi viidud juba aastaid ja enamik uuringuid on pühendatud käsna titaani tootmiskulude vähendamisele, kuid need on üldiselt ebaõnnestunud. Titaani elektrolüütiline (nimetatakse ka elektrolüürimiseks) tootmine on atraktiivne näide ja Dow-Howmet ehitas aastatel 1975–1985 Ameerika Ühendriikides edukalt piloot-mastaabis näidistehase [3.3 ], Titaanituru languse tõttu sel ajal ei saanud suuremahulist tootmist teostada. Seetõttu võib öelda, et tegelikult ei ole realiseeritud süsteemi, mis on piisavalt usaldusväärne suuremahulise elektrolüütilise redutseerimise läbiviimiseks, ja probleem, mida tuleb kontrollida, on suure elektrolüütilise redutseerimise tihendamine. Raku võime säilitada puhas töökeskkond ja elektroodi pikaajaline stabiilsus.
Lisaks on hiljutised jõupingutused kõrge puhtusastmega titaani tootmiseks elektrorafineerimise teel olnud väga edukad nii tehniliselt kui ka majanduslikult. Elektrolüütiline rafineerimine lahustab kõigepealt ebapuhta titaani elektrolüüdis ja seejärel hoiustab selle kõrge puhtusastmega titaanina. Sadestumise tingimuste ja elektrolüüdi puhtuse hoolika kontrollimisega on võimalik saada kõrge puhtusastmega toode ja sellest kõrge puhtusastmega metallist saab teha elektroonikaseadmete tootmise pritsiva sihtmärgi. Titaani elektrolüütilise rafineerimise majanduslik teostatavus seisneb selles, et kasutajad, kes kasutavad kõrge puhtusastmega titaanmaterjale, kasutavad suhteliselt väikest kogust seda kõrge lisandväärtusega toodet, mis on majanduse seisukohast täiesti erinev struktuurimaterjalide kasutamisest.
Praegu uuritakse põhjalikult uut käsna titaani valmistamise protsessi, mida nimetatakse elektro-desoksüdatsiooniks (EDO)TM. EDO protsessis kasutatakse sulanud CaCl2 sulabasseini ja grafiitelektroodi hapniku eraldamiseks titaanoksiidi sisaldavatest ioonidest elektrolüüsi teel, muutes seeläbi tihendatud või paagutatud TiO2 katoodi titaaniks ja poorne metall titaan sadestatakse pärast reaktsiooni algsele katoodile. Põhimõtteliselt, kui soovitud legeeritud elemendi hapnikusisaldus segatakse katoodi hapnikuga ja vähendatakse elektrolüütiliselt TiO2-ga, siis on sellel protsessil ka võime valmistada eelnevalt legeeritud titaankäsna, kuid selle protsessiga saavutatud mõju on väga piiratud ning suuremahulise tootmise võimalust tuleb veel analüüsida ja põhjendada, protsess on põnev sellegipoolest mitmel põhjusel. Esiteks võib see valmistada eelnevalt legeeritud titaankäsna, mis jätab välja titaankäsna ettevalmistamise, legeeritud elementide segamise, mehaanilise tihendamise jne etapid, mis kõik on mõeldud esialgsete sulavate elektroodide valmistamiseks metallist valuplokkide sulatamiseks, mis vähendab oluliselt tootmiskulusid; Teiseks on protsessil võime lisada titaanile legeeritud elemente (nagu W, Cu jne), mida on traditsiooniliste metallist valuplokkide puhul raske harjutada, mida arutatakse hiljem. Uus protsess avab võimaluse valida samaaegselt mitu legeeritud elementi, mida varem oli sulatamise piirangute tõttu võimatu ette näha. EDO protsessi tehniline teostatavus on kinnitatud, kuid paljud üksikasjad pärast laiendamist, alates reprodutseeritavusest kuni tootmiskuludeni, vajavad endiselt põhjalikku uurimist ja analüüsi. Kuigi on ebaselge, kas EDO protsess on tulevikus kaubanduslikult kättesaadav, mainitakse seda siin revolutsiooniliste muutuste tõttu.
Lisateabe saamiseks võtke meiega ühendust. Täname
Nicole
Ettevõte: Baoji Jimiyun Dynamic Co., Ltd.
Cuntry: Hiina
Lisa: Baoti tee, Jintai, Baoji linn, Shaanxi, Hiina
Cel:+86 13369210920
Gmail:nicole@jmyunti.com
Veebisait:www.jm-titanium.com