Металлический титан, полученный из необработанной руды, называется губчатым титаном из-за его пористого и губчатого внешнего вида. Титан очень распространен как химический элемент. Среди самых распространенных металлических элементов в земной коре титан занимает четвертое место (после Al, Fe и Mg). Первым минералом, используемым для производства титана, является рутил (TiO2) или ильменит (FeTiO3). Получение металлического титана из этих рудных минералов делится на следующие 5 различных этапов или процедур, а именно:
(1) минералы хлорируются с образованием TiCl4;
(2) дистилляционная очистка TiCl;
(3) восстановление TiCl4 с получением металлического титана [процесс Кролла];
(4) удаление побочных продуктов процесса восстановления для очистки металлического титана (губчатого титана);
(5) Дробление и сортировка металлического титана с целью получения продуктов, подходящих для следующего этапа плавки товарного чистого титана (ЧП-титан) и сплавов титана.
Процесс хлорирования не требует высокой чистоты рутила. Если вместо рутила используется ильменит, сырьем является титановый шлак, богатый TiO2, который является побочным продуктом плавки ильменита с углеродом в электрической печи для получения железа. Реакция хлорирования происходит в кипящей печи, содержащей TiO2, примеси и углерод (кокс), которые вместе с рутилом поступают в хлоратор, см. рис. 3.1. При контакте с углеродом продуктами реакции являются хлорид металла (MClx), CO2, CO и газообразный TiCl4 (температура кипения TiCl4 136°С), эти продукты реакции выводятся из верхнего трубопровода реактора и поступают непосредственно на фракционирование ед. (см. рис. 3.2).
Основная формула реакции хлорирования выглядит следующим образом:
TiO2 плюс 2Cl2 плюс C→TiCl4 плюс CO2
а также
TiO2 плюс 2Cl2 плюс 2C→TiCl4 плюс 2CO
Вторым этапом производственного процесса является этап дистилляции, поскольку первичный TiCl4, полученный на этапе хлорирования, нуждается в дальнейшей очистке. Очистка осуществляется фракционной перегонкой TiCl4, как показано на рис. 3.2, на котором показан двухэтапный процесс очистки перегонкой. На первом этапе удаляются низкокипящие примеси, такие как CO и CO2, а на втором этапе удаляются высококипящие примеси, такие как SiCl4 и SnCl4. Очищенный TiC4 до использования хранился под защитой инертного газа.
Следующим этапом производственного процесса является восстановление TiCl4, процесс Кролла. Очищенный TiCl4 добавляют в реактор, заполненный металлическим магнием и заполненный инертным газом. При нагревании до 800~850 градусов происходит следующая общая реакция восстановления:
TiCl4 плюс 2Mg→Ti плюс 2MgCl2
Реакция фактически завершается следующими двумя стадиями:
TiCl4 плюс Mg→TiCl2 плюс MgCl2
с последующим
TiCl2 плюс Mg→Ti плюс MgCl2
Принципиальная схема реактора восстановления Кролла показана на рисунке 3.3. Реактор восстановления слева соединен с вакуумным дистиллятором справа. Реакция восстановления была впервые изучена Кроллом в конце 1930-х годов, и процесс восстановления TiCl4 с помощью Mg до сих пор называется процессом Кролла. Конечный металлический титан, восстановленный по приведенной выше формуле реакции, сам по себе является достаточно чистым, но чистый металлический титан будет смешиваться с MgCl2. По мере развития процесса восстановления Кролла большая часть MgCl2 непрерывно удаляется, но существуют определенные остаточные количества, их удаление будет обсуждаться на последующей стадии очистки металлического титана.
Поскольку реакция восстановления является экзотермической реакцией, скорость добавления TiCl4 в Mg-содержащий реактор должна находиться при контролируемой температуре, что необходимо для предотвращения образования плотных твердых реагентов и затруднения улетучивания других продуктов. Продуктом этой реакции является смесь металлического титана и MgCl2, называемая «блоком губчатого титана», которая является продуктом процесса Кролла.
Еще в 1910 году Хантер подтвердил, что TiCl4 можно восстановить расплавленным Na, и этот метод получения губчатого титана получил название метода Хантера. В период с 1960 по 1995 год этим методом было произведено большое количество губчатого титана. В настоящее время отсутствуют заводы по крупнотоннажному производству губчатого титана этим способом, главным образом потому, что использование магния в качестве восстановителя более привлекательно, чем использование натрия, с экономической точки зрения.
Следующим этапом производственного процесса является очистка металлического титана, то есть удаление остаточного MgCl2 из блока губчатого титана. MgCl2 можно выделить одним из следующих методов: кислотным выщелачиванием, продувкой инертным газом или вакуумной перегонкой. Первый метод использует предпочтительную растворимость MgCl2 в кислых растворах, и MgCl2 может быть удален из фрагментированной титановой губки с помощью метода разделительного выщелачивания, который больше не используется широко. Преимущество других методов заключается в удалении MgCl непосредственно в реакторе Кролла. В этих методах используется высокое давление паров MgCl для селективного удаления MgCl путем выпаривания с последующей конденсацией для извлечения Mg и Cl из губчатого титана, а правило инертного газа заключается в использовании аргона в качестве носителя для переноса паров MgCl2.
На рис. 3.3 представлена схема процесса вакуумной перегонки (ВДП). В этом процессе блок губчатого титана нагревается в вакууме в реакторе Кролла слева. В это время летучий MgCl2 и избыток металлического Mg образуются под действием давления паров и конденсируются в другом сосуде (см. правый сосуд на рис. 3.3), который после добавления свежего Mg служит реактором Кролла для следующего периода восстановления, в то время как контейнер с титановым губчатым блоком слева на рис. 3.3 заменяется пустым баком, что представляет собой полунепрерывный процесс с экономическими преимуществами. Среди трех процессов очистки титановой губки блок титановой губки, обработанный процессом вакуумной перегонки (ВДП), имеет самое низкое содержание летучих веществ. Из-за массообмена в реакторе в процессе вакуумной перегонки (ВДП) при высокой температуре (700~850 градусов), то есть титановая губка действительно поглощает небольшое количество Fe и Ni из реактора из нержавеющей стали. Среди жаропрочных сплавов Ni особенно нежелателен, поскольку содержание Ni выше предела снижает его сопротивление ползучести, что также верно при спекании блоков губчатого титана.
В обоих процессах (продувка инертным газом и VDP) Mg и Cl2 извлекаются и рециркулируются. В настоящее время производство титановой губки восстановлением Mg в основном достигло серийного производства с замкнутым циклом, но необходимо «смешивать» соответствующее количество Mg и Cl2 между партиями.
Последним этапом производственного процесса является дробление и сортировка титановой губки. После удаления избытка Mg и MgCl2 объемная титановая губка была разбита на гранулированный металлический титан. После дробления и классификации более грубые сорта титановой губки измельчаются для дальнейшего уменьшения их размера. Операции дробления и резки выполняются на воздухе, но следует соблюдать осторожность, поскольку титан является потенциально пирофорным веществом, и любой источник воспламенения, возникающий во время операции, будет образовывать участки, богатые азотом, и загрязнять титановую губку, что приведет к последующему плавлению. дефекты. Более высокая рабочая температура процесса VDP затрудняет сегментацию блока титановой губки. Если нет особого запроса, производители губчатого титана не будут заниматься производством продуктов с фактическим средним размером частиц менее 3 ~ 5 см, что не только устраняет эксплуатационные расходы на дальнейшее дробление и резку, но также позволяет избежать риска возгорания. в губчатом титане при этих операциях. . Желаемый или конкретный размер частиц титановой губки зависит от конечного продукта, который необходимо произвести. Крупнозернистые марки титановой губки (до 2,5 см) могут быть использованы для получения технически чистого титана (титан ЧП) и большинства стандартных марок титановых сплавов. В высокопроизводительных областях, таких как лопатки авиационных двигателей, требуется меньший размер частиц (максимум 1 см) титановой губки, что в основном основано на учете дефектов стабильности зазора при применении материалов для лопаток. Размер частиц такого губчатого титана такой, как показано на рисунке 3.4.
Для процесса производства других титановых металлов исследования проводились в течение многих лет, и большинство исследований посвящено снижению себестоимости производства губчатого титана, но они, как правило, безуспешны. Электролитическое (также называемое электролизом) производство титана является привлекательным примером, и Dow-Howmet успешно построила экспериментальную демонстрационную установку в Соединенных Штатах между 1975 и 1985 годами [3.3]. Из-за спада на рынке титана в то время, крупносерийное производство не могло быть осуществлено. Следовательно, можно сказать, что на самом деле система, достаточно надежная для проведения крупномасштабного электролитического восстановления, не реализована, и проблема, которую необходимо проверить, состоит в том, чтобы герметизировать крупномасштабное электролитическое восстановление. Способность ячейки поддерживать чистую рабочую среду и долговременную стабильность электрода.
Кроме того, недавние усилия по производству высокочистого титана путем электрорафинирования оказались очень успешными как с технической, так и с экономической точки зрения. Электролитическое рафинирование сначала растворяет нечистый титан в электролите, а затем повторно осаждает его в виде высокочистого титана. Тщательно контролируя условия осаждения и чистоту электролита, можно получить продукт высокой чистоты, и этот металл высокой чистоты можно превратить в мишень для распыления для производства электронных устройств. Экономическая целесообразность электролитического рафинирования титана заключается в том, что пользователи, использующие высокочистые титановые материалы, используют относительно небольшое количество этого продукта с высокой добавленной стоимостью, что совершенно отличается от применения конструкционных материалов с точки зрения экономии.
В настоящее время подробно изучается новый процесс получения губчатого титана, который называется электрораскислением (EDO)TM. В процессе EDO используется расплавленный расплав CaCl2 и графитовый электрод для отделения кислорода от ионов, содержащих оксид титана, посредством электролиза, тем самым превращая уплотненный или спеченный катод TiO2 в титан, а пористый металлический титан осаждается на исходном катоде после реакции. . В принципе, если содержание кислорода в желаемом легирующем элементе смешивается с катодным кислородом и электролитически восстанавливается с помощью TiO2, то этот процесс также позволяет получать предварительно легированную титановую губку, но эффект, достигаемый этим процессом, очень ограничен, и возможность крупномасштабного производства еще нуждается в анализе и обосновании, тем не менее этот процесс является захватывающим по нескольким причинам. Во-первых, он может приготовить предварительно легированную титановую губку, что позволит исключить этапы подготовки титановой губки, смешивания легирующих элементов, механического уплотнения и т. Д., Все из которых предназначены для подготовки начальных плавильных электродов для плавки металлических слитков, что значительно снизить себестоимость изготовления; Во-вторых, в процессе можно добавлять легирующие элементы (такие как W, Cu и т. д.) к титану, что трудно осуществить для традиционных металлических слитков, что будет обсуждаться позже. Новый процесс открывает возможность одновременного подбора нескольких легирующих элементов, что ранее было невозможно предусмотреть из-за ограничений плавки. Техническая осуществимость процесса EDO была подтверждена, но многие детали после масштабирования, от воспроизводимости до производственных затрат, по-прежнему требуют глубоких исследований и анализа. Хотя неясно, будет ли процесс EDO коммерчески доступен в будущем, он упоминается здесь из-за его революционных изменений.
Для получения более подробной информации свяжитесь с нами. Спасибо
Николь
Компания: Baoji Jimiyun Dynamic Co., Ltd.
Страна: Китай
Добавить: Баоти-роуд, Цзиньтай, город Баоцзи, Шэньси, Китай
Цел.: плюс 86 13369210920
Gmail:nicole@jmyunti.com
Веб-сайт: www.jm-titanium.com