Металевий титан, отриманий із сирої руди, називають губчастим титаном через його пористий і губчастий вигляд. Титан дуже поширений як хімічний елемент. Серед найпоширеніших металевих елементів у земній корі титан займає четверте місце (після Al, Fe і Mg). Першим мінералом, який використовується для виробництва титану, є рутил (TiO2) або ільменіт (FeTiO3). Отримання металевого титану з цих рудних мінералів поділяється на наступні 5 різних етапів або процедур, а саме:
(1) Мінерали хлоруються з утворенням TiCl4;
(2) дистиляційне очищення TiCl;
(3) Відновлення TiCl4 для отримання металевого титану [процес Кролла];
(4) Видалення побічних продуктів процесу відновлення для очищення металевого титану (губчастий титан);
(5) Дроблення та сортування металевого титану з метою отримання продуктів, придатних для наступного етапу виплавки комерційного чистого титану (CP-титану) та титанового сплаву.
Процес хлорування не вимагає високої чистоти рутилу. Якщо замість рутилу використовується ільменіт, сировиною є титановий шлак, багатий TiO2, який є побічним продуктом плавлення ільменіту з вуглецем в електричній печі для отримання заліза. Реакція хлорування відбувається в киплячій печі, що містить TiO2, домішки та вуглець (кокс), які надходять у хлоратор разом із рутилом, див. рисунок 3.1. У контакті з вуглецем продуктами реакції є хлорид металу (MClx), CO2, CO та газоподібний TiCl4 (температура кипіння TiCl4 становить 136 градусів C), ці продукти реакції виводяться з верхнього трубопроводу реактора та безпосередньо надходять у фракціонування. (див. рис. 3.2).
Основна формула реакції хлорування така:
TiO2 плюс 2Cl2 плюс C→TiCl4 плюс CO2
і
TiO2 плюс 2Cl2 плюс 2C→TiCl4 плюс 2CO
Другим етапом виробничого процесу є етап дистиляції, оскільки первинний TiCl4 зі етапу хлорування потребує подальшого очищення. Очищення здійснюється фракційною дистиляцією TiCl4, як показано на малюнку 3.2, який демонструє двоступеневий процес очищення дистиляцією. Першим кроком є видалення низькокиплячих домішок, таких як CO і CO2, а другим кроком є видалення висококиплячих домішок, таких як SiCl4 і SnCl4. Очищений TiC4 зберігається під захистом інертного газу до використання.
Наступним етапом виробничого процесу є відновлення TiCl4, процес Кролла. Очищений TiCl4 додають в реактор, наповнений металевим магнієм і заповнений інертним газом. При нагріванні до 800~850 градусів відбувається така загальна реакція відновлення:
TiCl4 плюс 2Mg→Ti плюс 2MgCl2
Реакція фактично завершується такими двома кроками:
TiCl4 плюс Mg→TiCl2 плюс MgCl2
слідує
TiCl2 плюс Mg→Ti плюс MgCl2
Принципова схема відновного реактора Кролла показана на рисунку 3.3. Реактор відновлення зліва з’єднаний з вакуумним дистилятором справа. Реакція відновлення була вперше вивчена Кроллом наприкінці 1930-х років, і процес відновлення TiCl4 за допомогою Mg досі називається процесом Кролла. Кінцевий продукт металевий титан, відновлений за наведеною вище формулою реакції, сам по собі є досить чистим, але чистий металевий титан змішується з MgCl2. У ході процесу відновлення Кролла більша частина MgCl2 безперервно видаляється, але є певні залишкові кількості, їх видалення буде обговорено на наступній стадії очищення металевого титану.
Оскільки реакція відновлення є екзотермічною реакцією, швидкість додавання TiCl4 до реактора, що містить Mg, повинна бути нижче контрольованої температури, що необхідно для запобігання утворенню щільних твердих реагентів і перешкоджання випаруванню інших продуктів. Продуктом цієї реакції є суміш металевого титану та MgCl2, яка називається «губчастий титановий блок», який є продуктом процесу Кролла.
Ще в 1910 році Хантер підтвердив, що TiCl4 можна відновити розплавленим Na, і цей метод отримання губчастого титану називається методом Хантера. Між 1960 і 1995 роками цим методом було виготовлено велику кількість губчастого титану. В даний час немає заводів для великомасштабного виробництва титанової губки за допомогою цього методу, головним чином тому, що використання магнію як відновника є більш привабливим, ніж використання натрію з економічної точки зору.
Наступним етапом виробничого процесу є очищення металевого титану, тобто видалення залишків MgCl2 з губчастого титанового блоку. MgCl2 можна відокремити одним із таких методів: кислотним вилуговуванням, продуванням інертним газом або вакуумною дистиляцією. Перший метод використовує переважну розчинність MgCl2 у кислих розчинах, і MgCl2 можна видалити з фрагментованої титанової губки методом роздільного вилуговування, який більше не використовується широко. Інші методи мають перевагу видалення MgCl безпосередньо в реакторі Кролла. Ці методи використовують переваги високого тиску пари MgCl для вибіркового видалення MgCl шляхом випаровування з наступною конденсацією для відновлення Mg і Cl з губчастого титану, а правило інертного газу передбачає використання аргону як носія для транспортування парів MgCl2.
На рисунку 3.3 наведено принципову схему процесу вакуумної дистиляції (VDP). У цьому процесі губчастий титановий блок нагрівається під вакуумом у реакторі Кролла зліва. У цей час летючий MgCl2 і надлишок металевого Mg спричинені тиском пари та конденсуються в іншій посудині (див. праву посудину на малюнку 3.3), яка після свіжого додавання Mg служить реактором Кролла для наступного періоду відновлення, тоді як контейнер із титановим губчастим блоком ліворуч на малюнку 3.3 замінено порожнім резервуаром, що є напівбезперервним процесом з економічними перевагами. Серед трьох процесів очищення титанової губки, титановий губчастий блок, оброблений процесом вакуумної дистиляції (VDP), має найнижчий вміст летючих речовин. Завдяки масопереносу в реакторі під час процесу вакуумної дистиляції (VDP) при високій температурі (700~850 градусів), тобто титанова губка справді поглинає невелику кількість Fe та Ni з реактора з нержавіючої сталі. Серед суперсплавів Ni особливо небажаний, тому що вміст Ni вище межі знижує його міцність на повзучість, що також вірно для спікання губчастих титанових блоків.
В обох процесах (продування інертним газом і VDP) Mg і Cl2 відновлюються та переробляються. В даний час виробництво титанової губки шляхом відновлення Mg в основному досягає серійного замкнутого циклу, але необхідно «змішувати» відповідну кількість Mg і Cl2 між партіями.
Останнім етапом виробничого процесу є подрібнення та сортування титанової губки. Після видалення надлишку Mg і MgCl2 об’ємну титанову губку розбивали на гранульований металевий титан. Після подрібнення та класифікації більш грубі сорти титанової губки ріжуть для подальшого зменшення їхнього розміру. Операції дроблення та зсуву проводяться на повітрі, але слід бути обережним, оскільки титан є потенційно пірофорною речовиною, і будь-яке джерело займання, яке виникає під час операції, призведе до утворення багатих азотом ділянок і забруднення титанової губки, що призведе до подальшої плавки дефекти. Вища робоча температура процесу VDP ускладнює сегментування титанового губчастого блоку. Якщо немає особливого запиту, виробники губчастого титану не займатимуться виробництвом продуктів із фактичним середнім розміром частинок менше ніж 3~5 см, що не тільки усуває експлуатаційні витрати на подальше дроблення та зрізання, але й запобігає ризику пожежі в губчастому титані під час цих операцій. . Бажаний або конкретний розмір частинок титанової губки залежить від кінцевого продукту, який буде виготовлено. Грубозернисті сорти (до 2,5 см) губчастого титану можна використовувати для виробництва комерційно чистого титану (CP-титану) і більшості стандартних марок титанових сплавів. У високопродуктивних областях, таких як лопаті авіаційних двигунів, потрібен менший розмір частинок (максимум 1 см) титанової губки, що в основному базується на розгляді дефектів стабільності зазору при застосуванні матеріалів класу лопатей. Розмір частинок такого губчастого титану такий, як показано на малюнку 3.4.
Для процесу виробництва інших титанових металів дослідження проводилися протягом багатьох років, і більшість досліджень присвячені зниженню вартості виробництва губчастого титану, але вони, як правило, невдалі. Привабливим прикладом є електролітичне (також зване електролітичне) виробництво титану, і компанія Dow-Howmet успішно побудувала експериментально-демонстраційний завод у Сполучених Штатах між 1975 і 1985 роками [3.3]. Через спад ринку титану в той час, великомасштабне виробництво не могло бути здійснено. Таким чином, можна сказати, що фактично система, яка є достатньо надійною для здійснення великомасштабного електролітичного відновлення, не була реалізована, і проблема, яку необхідно перевірити, полягає в тому, щоб герметизувати велике електролітичне відновлення. Здатність осередку підтримувати чисте робоче середовище і тривалу стабільність електрода.
Крім того, нещодавні зусилля з виробництва титану високої чистоти шляхом електрорафінування були дуже успішними як з технічної, так і з економічної точки зору. Електролітичне рафінування спочатку розчиняє нечистий титан в електроліті, а потім повторно відкладає його як титан високої чистоти. Ретельно контролюючи умови осадження та чистоту електроліту, можна отримати продукт високої чистоти, і з цього металу високої чистоти можна зробити мішень для розпилення для виробництва електронних пристроїв. Економічна доцільність електролітичного рафінування титану полягає в тому, що користувачі, які використовують титанові матеріали високої чистоти, використовують відносно невелику кількість цього продукту з високою доданою вартістю, що повністю відрізняється від застосування конструкційних матеріалів з точки зору економії.
В даний час поглиблено вивчається новий процес отримання губчастого титану, який називається електророзкисленням (EDO)TM. Процес EDO використовує пул розплавленого CaCl2 і графітовий електрод для відділення кисню від іонів, що містять оксид титану, шляхом електролізу, таким чином перетворюючи ущільнений або спечений TiO2 катод на титан, а пористий металевий титан осідає на вихідному катоді після реакції. . В принципі, якщо вміст кисню бажаного легуючого елемента змішується з катодним киснем і електролітично відновлюється TiO2, тоді цей процес також має можливість отримати попередньо леговану титанову губку, але ефект, досягнутий цим процесом, дуже обмежений, і можливість великомасштабного виробництва все ще потребує аналізу та обґрунтування, тим не менш цей процес захоплюючий з кількох причин. По-перше, він може підготувати попередньо леговану титанову губку, яка опустить етапи підготовки титанової губки, змішування легуючих елементів, механічне ущільнення тощо, усі з яких призначені для підготовки початкових плавких електродів для плавлення металевих зливків, що значно покращить знизити собівартість виробництва; По-друге, процес має можливість додавати легуючі елементи (такі як W, Cu тощо) до титану, що важко практикувати для традиційних металевих злитків, які будуть обговорюватися пізніше. Новий процес відкриває можливість одночасного вибору кількох легуючих елементів, що раніше було неможливо передбачити через обмеження плавлення. Технічна здійсненність процесу EDO була підтверджена, але багато деталей після масштабування, від відтворюваності до витрат на виробництво, все ще потребують глибоких досліджень і аналізу. Хоча незрозуміло, чи буде процес EDO комерційно доступним у майбутньому, він згадується тут через його революційні зміни.
Зв'яжіться з нами для отримання додаткової інформації. Дякую
Ніколь
Компанія: Baoji Jimiyun Dynamic Co., Ltd
Країна: Китай
Додати: дорога Баоті, Цзіньтай, місто Баодзі, Шеньсі, Китай
Cel: плюс 86 13369210920
Gmail:nicole@jmyunti.com
Веб-сайт: www.jm-titanium.com
