Titāna metālu, kas iegūts no neapstrādātas rūdas, sauc par sūkļa titānu tā porainā un porainā izskata dēļ. Titāna kā ķīmiskais elements ir ļoti daudz. Starp visbiežāk sastopamajiem metāla elementiem zemes garozā titāns ieņem ceturto vietu (pēc Al, Fe un Mg). Pirmais minerāls, ko izmanto titāna ražošanā, ir rutils (TiO2) vai ilmenīts (FeTiO3), metāliskā titāna sagatavošana no šiem rūdas minerāliem ir sadalīta šādos 5 dažādos posmos vai procedūrās, proti:
(1) Minerālvielas tiek hlorētas, veidojot TiCl4;
(2) TiCl destilācijas attīrīšana;
(3) TiCl4 reducēšana, lai iegūtu metālisku titānu [Kroll process];
(4) Noņemiet reducēšanas procesa blakusproduktus, lai attīrītu titāna metālu (titāna sūklis);
(5) Metāliskā titāna smalcināšana un šķirošana, lai iegūtu produktus, kas piemēroti nākamajam komerciālā tīra titāna (CP titāna) un titāna sakausējuma kausēšanas posmam.
Hlorēšanas procesam nav nepieciešama augsta rutila tīrība. Ja rutila vietā izmanto ilmenītu, izejviela ir ar TiO2 bagāti titāna izdedži, kas ir blakusprodukts, kausējot ilmenītu ar oglekli elektriskā krāsnī, lai iegūtu dzelzi. Hlorēšanas reakcija notiek verdošā krāsnī, kurā ir TiO2, piemaisījumi un ogleklis (kokss), kas kopā ar rutilu nonāk hlorētājā, skatīt 3.1. attēlu. Saskaroties ar oglekli, reakcijas produkti ir metāla hlorīds (MClx), CO2, CO un gāzveida TiCl4 (TiCl4 viršanas temperatūra ir 136 grādi C), šie reakcijas produkti tiek izvadīti no reaktora augšējās caurules un tieši nonāk frakcionācijā. vienība (sk. 3.2. attēlu).
Hlorēšanas reakcijas pamata formula ir šāda:
TiO2 plus 2Cl2 plus C→TiCl4 plus CO2
un
TiO2 plus 2Cl2 plus 2C→TiCl4 plus 2CO
Otrais solis ražošanas procesā ir destilācijas posms, jo primārais TiCl4 no hlorēšanas ir jāturpina attīrīt. Attīrīšanu veic ar TiCl4 frakcionētu destilāciju, kā parādīts 3.2. attēlā, kurā parādīts divpakāpju destilācijas attīrīšanas process. Pirmais solis ir noņemt piemaisījumus ar zemu viršanas temperatūru, piemēram, CO un CO2, un otrais solis ir noņemt piemaisījumus ar augstu viršanas temperatūru, piemēram, SiCl4 un SnCl4. Attīrītais TiC4 līdz lietošanai ir glabāts inertas gāzes aizsardzībā.
Nākamais solis ražošanas procesā ir TiCl4 samazināšana, Kroll process. Attīrīto TiCl4 pievieno reaktoram, kas piepildīts ar metālu magniju un piepildīts ar inertu gāzi. Sildot līdz 800–850 grādiem, notiek šāda vispārēja reducēšanās reakcija:
TiCl4 plus 2Mg→Ti plus 2MgCl2
Reakcija faktiski tiek pabeigta ar šādiem diviem posmiem:
TiCl4 plus Mg→TiCl2 plus MgCl2
seko
TiCl2 plus Mg→Ti plus MgCl2
Kroll reducēšanas reaktora shematiskā diagramma ir parādīta 3.3. attēlā. Reducēšanas reaktors kreisajā pusē ir savienots ar vakuuma destilētāju labajā pusē. Reducēšanas reakciju pirmo reizi pētīja Kroll 1930. gadu beigās, un TiCl4 reducēšanas procesu ar Mg joprojām sauc par Krola procesu. Galaprodukts metāla titāns, kas reducēts ar iepriekš minēto reakcijas formulu, ir diezgan tīrs, bet tīrs metāla titāns sajaucas ar MgCl2. Attīstoties Kroll reducēšanas procesam, lielākā daļa MgCl2 tiek nepārtraukti noņemta, taču ir noteikti atlikušie daudzumi, to noņemšana tiks apspriesta nākamajā titāna metāla attīrīšanas posmā.
Tā kā reducēšanas reakcija ir eksotermiska reakcija, TiCl4 pievienošanas ātrumam Mg saturošajam reaktoram jābūt zem kontrolējamās temperatūras, kas ir nepieciešama, lai novērstu blīvu cietu reaģentu veidošanos un kavētu citu produktu iztvaikošanu. Šīs reakcijas produkts ir metāliskā titāna un MgCl2 maisījums, ko sauc par "sūkļa titāna bloku", kas ir Kroll procesa produkts.
Jau 1910. gadā Hanters apstiprināja, ka TiCl4 var reducēt ar izkausētu Na, un šo sūkļa titāna sagatavošanas metodi sauc par Hantera metodi. Laikā no 1960. līdz 1995. gadam, izmantojot šo metodi, tika ražots liels daudzums sūkļa titāna. Pašlaik nav rūpnīcu liela mēroga titāna sūkļa ražošanai, izmantojot šo metodi, galvenokārt tāpēc, ka magnija kā reducētāja izmantošana ir pievilcīgāka nekā nātrija izmantošana no ekonomiskā viedokļa.
Nākamais solis ražošanas procesā ir metāliskā titāna attīrīšana, tas ir, MgCl2 atlikuma noņemšana no sūkļa titāna bloka. MgCl2 var atdalīt ar vienu no šādām metodēm: skābes izskalošana, inertās gāzes attīrīšana vai vakuumdestilācija. Pirmajā metodē tiek izmantota MgCl2 preferenciālā šķīdība skābos šķīdumos, un MgCl2 var noņemt no sadrumstalotā titāna sūkļa, izmantojot atdalīšanas izskalošanās metodi, kas vairs netiek plaši izmantota. Citu metožu priekšrocība ir MgCl noņemšana tieši Kroll reaktorā. Šīs metodes izmanto MgCl augsto tvaika spiedienu, lai selektīvi noņemtu MgCl, iztvaicējot, kam seko kondensācija, lai atgūtu Mg un Cl no sūkļa titāna, un inertās gāzes noteikums ir izmantot argonu kā nesēju MgCl2 tvaiku transportēšanai.
3.3. attēlā ir vakuumdestilācijas procesa (VDP) shematiska diagramma. Šajā procesā sūkļa titāna bloks tiek karsēts vakuumā Kroll reaktorā kreisajā pusē. Šobrīd gaistošo MgCl2 un metāla Mg pārpalikumu izraisa tvaika spiediens, un tas tiek kondensēts citā traukā (sk. labo tvertni 3.3. attēlā), kas pēc svaigas Mg pievienošanas kalpo kā Kroll reaktors nākamajam reducēšanas periodam. konteiners ar titāna sūkļa bloku kreisajā pusē 3.3. attēlā tiek aizstāts ar tukšu tvertni, kas ir daļēji nepārtraukts process ar ekonomiskām priekšrocībām. No trim titāna sūkļa attīrīšanas procesiem titāna sūkļa blokam, kas apstrādāts ar vakuumdestilācijas procesu (VDP), ir viszemākais gaistošo vielu saturs. Sakarā ar masas pārnesi reaktorā vakuumdestilācijas procesā (VDP) augstā temperatūrā (700–850 grādi), tas ir, titāna sūklis patiešām absorbēs nelielu Fe un Ni daudzumu no nerūsējošā tērauda reaktora. Supersakausējumu vidū Ni ir īpaši nevēlams, jo Ni saturs virs robežvērtības samazina tā šļūdes izturību, kas attiecas arī uz sūkļa titāna bloku saķepināšanu.
Abos procesos (inertās gāzes attīrīšana un VDP) Mg un Cl2 tiek reģenerēti un pārstrādāti. Šobrīd titāna sūkļa ražošana ar Mg reducēšanu pamatā ir sasniegusi sērijveida slēgtā cikla ražošanu, taču starp partijām nepieciešams "sajaukt" atbilstošu Mg un Cl2 daudzumu.
Pēdējais posms ražošanas procesā ir titāna sūkļa sasmalcināšana un šķirošana. Pēc liekā Mg un MgCl2 noņemšanas lielapjoma titāna sūklis tika sadalīts granulētā metāliskā titānā. Pēc sasmalcināšanas un klasifikācijas rupjākas titāna sūkļa kategorijas tiek nogrieztas, lai vēl vairāk samazinātu to izmēru. Smalcināšanas un griešanas darbības tiek veiktas gaisā, taču jāievēro piesardzība, jo titāns ir potenciāli pirofora viela, un jebkurš aizdegšanās avots, kas rodas darbības laikā, veidos ar slāpekli bagātas zonas un piesārņos titāna sūkli, kā rezultātā notiks kausēšana. defektiem. VDP procesa augstāka darba temperatūra apgrūtina titāna sūkļa bloka segmentēšanu. Ja vien nav īpaša pieprasījuma, sūkļa titāna ražotāji neražo produktus, kuru faktiskais vidējais daļiņu izmērs ir mazāks par 3–5 cm, kas ne tikai novērš turpmākas drupināšanas un griešanas darbības izmaksas, bet arī novērš aizdegšanās risku. titāna sūklī šo darbību laikā. . Vēlamais vai specifiskais titāna sūkļa daļiņu izmērs ir atkarīgs no ražojamā galaprodukta. Rupjgraudainus (līdz 2,5 cm) titāna sūkli var izmantot, lai ražotu komerciāli tīru titānu (CP titānu) un lielāko daļu standarta titāna sakausējumu. Augstas veiktspējas jomās, piemēram, lidmašīnu dzinēju lāpstiņās, ir nepieciešams mazāks titāna sūkļa daļiņu izmērs (maksimums 1 cm), kas galvenokārt ir balstīts uz spraugas stabilitātes defektu ņemšanu vērā, izmantojot lāpstiņas kvalitātes materiālus. Šāda sūkļa titāna daļiņu izmērs ir tāds, kā parādīts 3.4. attēlā.
Par citu titāna metālu ražošanas procesu pētījumi tiek veikti jau daudzus gadus, un lielākā daļa pētījumu ir veltīti sūkļa titāna ražošanas izmaksu samazināšanai, taču tie kopumā ir nesekmīgi. Pievilcīgs piemērs ir titāna elektrolītiskā (saukta arī par elektrolītu) ražošana, un Dow-Howmet veiksmīgi uzbūvēja izmēģinājuma mēroga demonstrācijas rūpnīcu Amerikas Savienotajās Valstīs laikā no 1975. līdz 1985. gadam [3.3]. Tā kā tajā laikā titāna tirgū bija lejupslīde, liela apjoma ražošanu nevarēja veikt. Tāpēc var teikt, ka patiesībā sistēma, kas ir pietiekami uzticama, lai veiktu liela mēroga elektrolītisko reducēšanu, nav realizēta, un pārbaudāmā problēma ir lielās elektrolītiskās reducēšanas aizzīmogošana. Šūnas spēja uzturēt tīru darbības vidi un elektroda ilgtermiņa stabilitāti.
Turklāt nesenie centieni ražot augstas tīrības pakāpes titānu, izmantojot elektrorafinēšanu, ir bijuši ļoti veiksmīgi gan tehniski, gan ekonomiski. Elektrolītiskā attīrīšana vispirms izšķīdina netīro titānu elektrolītā un pēc tam atkārtoti nogulsnē kā augstas tīrības pakāpes titānu. Rūpīgi kontrolējot nogulsnēšanās apstākļus un elektrolīta tīrību, var iegūt augstas tīrības pakāpes produktu, un šo augstas tīrības pakāpes metālu var padarīt par izsmidzināšanas mērķi elektronisko ierīču ražošanai. Titāna elektrolītiskās attīrīšanas ekonomiskā iespējamība ir tāda, ka lietotāji, kuri izmanto augstas tīrības titāna materiālus, izmanto salīdzinoši nelielu daudzumu šī augstas pievienotās vērtības produkta, kas ekonomijas ziņā pilnīgi atšķiras no strukturālo materiālu pielietojuma.
Šobrīd padziļināti tiek pētīts jauns sūkļa titāna sagatavošanas process, ko sauc par Electro-Deoxidation (EDO)TM. EDO procesā tiek izmantots izkausēta CaCl2 kausētais baseins un grafīta elektrods, lai elektrolīzes ceļā atdalītu skābekli no titāna oksīdu saturošiem joniem, tādējādi pārvēršot saspiesto vai saķepināto TiO2 katodu titānā, un porainais metāla titāns pēc reakcijas tiek nogulsnēts uz sākotnējā katoda. . Principā, ja vēlamā leģējošā elementa skābekļa saturu sajauc ar katoda skābekli un elektrolītiski reducē ar TiO2, tad šim procesam ir arī iespēja sagatavot iepriekš leģētu titāna sūkli, taču ar šo procesu panāktais efekts ir ļoti ierobežots, un liela apjoma ražošanas iespēja vēl jāanalizē un jāpamato, tomēr process ir aizraujošs vairāku iemeslu dēļ. Pirmkārt, tas var sagatavot iepriekš leģētu titāna sūkli, kurā tiks izlaisti titāna sūkļa sagatavošanas, leģējošā elementa sajaukšanas, mehāniskās sablīvēšanas utt. soļi, kas visi ir paredzēti sākotnējo kausēšanas elektrodu sagatavošanai metāla lietņu kausēšanai, kas ievērojami palielinās. samazināt ražošanas izmaksas; Otrkārt, šim procesam ir iespēja pievienot titānam leģējošus elementus (piemēram, W, Cu utt.), ko ir grūti praktizēt tradicionālajiem metāla lietņiem, par ko tiks runāts vēlāk. Jaunais process paver iespēju vienlaikus atlasīt vairākus leģējošus elementus, ko iepriekš nebija iespējams paredzēt kausēšanas ierobežojumu dēļ. EDO procesa tehniskā iespējamība ir apstiprināta, taču daudzas detaļas pēc apjoma palielināšanas, sākot no reproducējamības līdz ražošanas izmaksām, joprojām prasa padziļinātu izpēti un analīzi. Lai gan nav skaidrs, vai EDO process nākotnē būs komerciāli pieejams, tas šeit ir minēts tā revolucionāro izmaiņu dēļ.
Sazinieties ar mums, lai iegūtu vairāk informācijas. Paldies
Nikola
Uzņēmums: Baoji Jimiyun Dynamic Co., Ltd
Cuntry: Ķīna
Pievienot: Baoti ceļš, Jintai, Baoji pilsēta, Shaanxi, Ķīna
Cel: plus 86 13369210920
Gmail:nicole@jmyunti.com
Vietne: www.jm-titanium.com
