Ham cevherden elde edilen titanyum metal, gözenekli ve süngerimsi görünümünden dolayı sünger titanyum olarak adlandırılır. Titanyum bir kimyasal element olarak çok bol miktarda bulunur. Yerkabuğunda en bol bulunan metal elementler arasında titanyum dördüncü sıradadır (Al, Fe ve Mg'den sonra). Titanyum üretmek için kullanılan ilk mineral rutil (TiO2) veya ilmenittir (FeTiO3), bu cevher minerallerinden metalik titanyumun hazırlanması aşağıdaki 5 farklı adım veya prosedüre ayrılmıştır:
(1) Mineraller TiCl4 oluşturmak için klorlanır;
(2) TiCl'nin damıtma ile saflaştırılması;
(3) Metalik titanyum üretmek için TiCl4'ün indirgenmesi [Kroll işlemi];
(4) Titanyum metalini (sünger titanyum) saflaştırmak için indirgeme işleminin yan ürünlerini çıkarın;
(5) Ticari saf titanyum (CP titanyum) ve titanyum alaşımı eritmenin bir sonraki adımına uygun ürünler elde etmek için metalik titanyumun ezilmesi ve derecelendirilmesi.
Klorlama işlemi yüksek saflıkta rutil gerektirmez. Rutil yerine ilmenit kullanılırsa, hammadde, demir üretmek için bir elektrikli fırında ilmenitin karbonla eritilmesinin bir yan ürünü olan TiO2 açısından zengin titanyum cürufudur. Klorlama reaksiyonu, rutil ile birlikte klorlayıcıya giren TiO2, safsızlıklar ve karbon (kok) içeren kaynayan bir fırında gerçekleşir, bakınız Şekil 3.1. Karbon ile temas halinde, reaksiyon ürünleri metal klorür (MClx), CO2, CO ve gaz halindeki TiCl4'tür (TiCl4'ün kaynama noktası 136 derece C'dir), bu reaksiyon ürünleri reaktörün üst kanalından boşaltılır ve doğrudan fraksiyonasyona girer. birim (bkz. Şekil 3.2).
Temel klorlama reaksiyon formülü aşağıdaki gibidir:
TiO2 artı 2Cl2 artı C→TiCl4 artı CO2
ve
TiO2 artı 2Cl2 artı 2C→TiCl4 artı 2CO
Üretim sürecindeki ikinci adım, damıtma adımıdır, çünkü klorlama adımından gelen birincil TiCl4'ün daha fazla saflaştırılması gerekir. Saflaştırma, iki aşamalı bir damıtma saflaştırma işlemini gösteren Şekil 3.2'de gösterildiği gibi TiCl4'ün fraksiyonel damıtılmasıyla gerçekleştirilir. İlk adım, CO ve CO2 gibi düşük kaynama noktalı safsızlıkları gidermek ve ikinci adım, SiCl4 ve SnCl4 gibi yüksek kaynama noktalı safsızlıkları gidermektir. Saflaştırılmış TiC4, kullanılana kadar inert gaz koruması altında saklanmıştır.
Üretim sürecindeki bir sonraki adım, Kroll işlemi olan TiCl4'ün azaltılmasıdır. Saflaştırılmış TiCl4, magnezyum metali ile doldurulmuş ve soy gazla doldurulmuş reaktöre ilave edilir. 800~850 dereceye ısıtıldığında, aşağıdaki genel indirgeme reaksiyonu meydana gelir:
TiCl4 artı 2Mg→Ti artı 2MgCl2
Reaksiyon aslında aşağıdaki iki adımda tamamlanır:
TiCl4 artı Mg→TiCl2 artı MgCl2
bunu takiben
TiCl2 artı Mg→Ti artı MgCl2
Kroll indirgeme reaktörünün şematik diyagramı Şekil 3.3'te gösterilmiştir. Soldaki indirgeme reaktörü, sağdaki vakum damıtıcı ile birleştirilmiştir. İndirgeme reaksiyonu ilk olarak 1930'ların sonlarında Kroll tarafından incelenmiştir ve TiCl4'ün Mg ile indirgenmesi işlemi hala Kroll işlemi olarak adlandırılmaktadır. Yukarıdaki reaksiyon formülüyle indirgenen nihai ürün metal titanyum oldukça saftır, ancak saf metal titanyum MgCl2 ile karışacaktır. Kroll indirgeme işleminin ilerlemesiyle, MgCl2'nin çoğu sürekli olarak çıkarılır, ancak belirli kalıntı miktarları vardır, bunların çıkarılması sonraki titanyum metal saflaştırma aşamasında tartışılacaktır.
İndirgeme reaksiyonu ekzotermik bir reaksiyon olduğundan, Mg içeren reaktöre TiCl4 ekleme hızı, yoğun katı reaktanların oluşumunu önlemek ve diğer ürünlerin uçmasını engellemek için gerekli olan kontrol edilebilir bir sıcaklıkta olmalıdır. Bu reaksiyonun ürünü, Kroll işleminin ürünü olan "sünger titanyum blok" olarak adlandırılan metalik titanyum ve MgCl2 karışımıdır.
1910 gibi erken bir tarihte Hunter, TiCl4'ün erimiş Na ile indirgenebileceğini doğruladı ve bu sünger titanyum hazırlama yöntemine Hunter yöntemi adı verildi. 1960 ve 1995 yılları arasında bu yöntem kullanılarak büyük miktarda sünger titanyum üretildi. Şu anda, bu yöntemi kullanarak büyük ölçekli titanyum sünger üretimi için fabrikalar bulunmamaktadır, çünkü esas olarak indirgeyici madde olarak magnezyum kullanımı, ekonomik açıdan sodyum kullanımından daha çekicidir.
Üretim sürecindeki bir sonraki adım, metalik titanyumun saflaştırılması, yani sünger titanyum bloğundan kalıntı MgCl2'nin çıkarılmasıdır. MgCl2, aşağıdaki yöntemlerden biri ile ayrılabilir: asit liçi, soy gaz temizleme veya vakumlu damıtma. İlk yöntem, asidik çözeltilerde MgCl2'nin tercihli çözünürlüğünden yararlanır ve MgCl2, artık yaygın olarak kullanılmayan bir ayırma liç yöntemi ile parçalanmış titanyum süngerden çıkarılabilir. Diğer yöntemler, MgCl'yi doğrudan Kroll reaktöründe çıkarma avantajına sahiptir. Bu yöntemler, sünger titanyumdan Mg ve Cl'yi geri kazanmak için buharlaştırma ve ardından yoğunlaştırma yoluyla MgCl'yi seçici olarak çıkarmak için MgCl'nin yüksek buhar basıncından yararlanır ve soy gaz kuralı, MgCl2 buharını taşımak için bir taşıyıcı olarak argon kullanmaktır.
Şekil 3.3, vakum damıtma işleminin (VDP) şematik bir diyagramıdır. Bu işlemde sünger titanyum blok soldaki Kroll reaktöründe vakum altında ısıtılır. Bu sırada, uçucu MgCl2 ve aşırı metal Mg buhar basıncından kaynaklanır ve Mg'nin yeni eklenmesinden sonra bir sonraki indirgeme periyodu için Kroll reaktörü olarak hizmet eden başka bir kapta (Şekil 3.3'teki sağ kaba bakınız) yoğunlaşır. Şekil 3.3'te solda titanyum sünger blok bulunan kap, ekonomik avantajları olan yarı sürekli bir işlem olan boş bir tankla değiştirilmiştir. Titanyum süngerin üç saflaştırma işlemi arasında, vakum damıtma işlemi (VDP) ile işlenen titanyum sünger bloğu, en düşük uçucu madde içeriğine sahiptir. Yüksek sıcaklıkta (700 ~ 850 derece) vakum damıtma işlemi (VDP) altında reaktördeki kütle aktarımı nedeniyle, yani titanyum sünger gerçekten paslanmaz çelik reaktörden az miktarda Fe ve Ni emecektir. Süper alaşımlar arasında Ni, özellikle İstenmez çünkü limitin üzerindeki Ni içeriği, sünger titanyum blokların sinterlenmesinde de geçerli olan sürünme mukavemetini azaltır.
Her iki proseste de (inert gaz tahliyesi ve VDP), Mg ve Cl2 geri kazanılır ve geri dönüştürülür. Şu anda, Mg indirgeme ile titanyum sünger üretimi temel olarak toplu kapalı döngü üretimi sağlamıştır, ancak partiler arasında uygun miktarda Mg ve Cl2 "karıştırılması" gereklidir.
Üretim sürecindeki son adım, titanyum süngerin ezilmesi ve derecelendirilmesidir. Fazla Mg ve MgCl2'yi çıkardıktan sonra, dökme titanyum sünger, granüler metalik titanyuma bölündü. Ezme ve sınıflandırmadan sonra, titanyum süngerin daha kaba dereceleri, boyutlarını daha da küçültmek için kesilir. Kırma ve kesme işlemleri havada gerçekleştirilir, ancak titanyum potansiyel bir piroforik madde olduğundan ve işlem sırasında meydana gelen herhangi bir tutuşma kaynağı nitrojen açısından zengin alanlar üretecek ve titanyum süngeri kirletecek ve daha sonra eritme ile sonuçlanacağı için dikkatli olunmalıdır. kusurlar. VDP işleminin daha yüksek çalışma sıcaklığı, titanyum sünger bloğunu segmentlere ayırmayı zorlaştırır. Özel bir talep olmadıkça, sünger titanyum üreticileri, gerçek ortalama parçacık boyutu 3~5 cm'den daha az olan ürünlerin üretimine devam etmeyeceklerdir; bu, yalnızca daha fazla kırma ve kesme işletme maliyetini ortadan kaldırmakla kalmaz, aynı zamanda yangın riskini de ortadan kaldırır. Bu işlemler sırasında sünger titanyumda. . İstenilen veya spesifik titanyum sünger partikül boyutu, üretilecek nihai ürüne bağlıdır. İri taneli sınıflarda (2,5 cm'ye kadar) titanyum sünger ticari olarak saf titanyum (CP titanyum) ve çoğu standart titanyum alaşımı sınıfı üretmek için kullanılabilir. Uçak motoru bıçakları gibi yüksek performanslı alanlarda, daha küçük parçacık boyutunda (maksimum 1 cm) titanyum sünger gereklidir, bu esas olarak bıçak sınıfı malzemelerin uygulanmasında boşluk stabilitesi kusurlarının dikkate alınmasına dayanır. Bu tür sünger titanyumun parçacık boyutu, Şekil 3.4'te gösterildiği gibidir.
Diğer titanyum metallerinin üretim süreci için uzun yıllardır araştırmalar yapılmaktadır ve araştırmaların çoğu sünger titanyumun üretim maliyetini düşürmeye yöneliktir, ancak bunlar genellikle başarısızdır. Titanyumun elektrolitik (elektrolitik kazanım olarak da adlandırılır) üretimi çekici bir örnektir ve Dow-Howmet, 1975 ve 1985 yılları arasında Amerika Birleşik Devletleri'nde başarılı bir şekilde pilot ölçekli bir gösteri tesisi kurdu [3.3 ], o dönemde titanyum pazarındaki gerileme nedeniyle, büyük ölçekli üretim yapılamaz. Bu nedenle, aslında, büyük ölçekli elektrolitik indirgemeyi üstlenecek kadar güvenilir bir sistemin gerçekleştirilmediği ve doğrulanması gereken sorunun büyük elektrolitik indirgemeyi kapatmak olduğu söylenebilir. Hücrenin temiz bir çalışma ortamı ve elektrotun uzun vadeli stabilitesini koruma yeteneği.
Ek olarak, elektro rafinasyon yoluyla yüksek saflıkta titanyum üretmeye yönelik son çabalar hem teknik hem de ekonomik olarak çok başarılı olmuştur. Elektrolitik arıtma önce saf olmayan titanyumu bir elektrolit içinde çözer ve ardından onu yüksek saflıkta titanyum olarak yeniden biriktirir. Biriktirme koşullarını ve elektrolitin saflığını dikkatli bir şekilde kontrol ederek, yüksek saflıkta bir ürün elde edilebilir ve bu yüksek saflıkta metal, elektronik cihazların üretimi için bir püskürtme hedefi haline getirilebilir. Titanyumun elektrolitik rafine edilmesinin ekonomik fizibilitesi, yüksek saflıkta titanyum malzemeleri kullanan kullanıcıların, ekonomik açıdan yapısal malzemelerin uygulanmasından tamamen farklı olan bu yüksek katma değerli üründen nispeten az miktarda kullanmasıdır.
Şu anda, Elektro-Deoksidasyon (EDO)TM olarak adlandırılan, sünger titanyum hazırlamak için yeni bir süreç derinlemesine çalışılmaktadır. EDO işlemi, elektroliz yoluyla oksijeni titanyum oksit içeren iyonlardan ayırmak için erimiş bir CaCl2 erimiş havuzu ve bir grafit elektrot kullanır, böylece sıkıştırılmış veya sinterlenmiş TiO2 katodunu titanyuma dönüştürür ve gözenekli metal titanyum, reaksiyondan sonra orijinal katot üzerinde çökeltilir. . Prensip olarak, arzu edilen alaşım elementinin oksijen içeriği katot oksijeni ile karıştırılır ve TiO2 ile elektrolitik olarak indirgenirse, bu işlem ayrıca önceden alaşımlı titanyum sünger hazırlama yeteneğine de sahiptir, ancak bu işlemle elde edilen etki çok sınırlıdır ve büyük ölçekli üretim olasılığının hala analiz edilmesi ve gerekçelendirilmesi gerekiyor, ancak süreç birkaç nedenden dolayı heyecan verici. İlk olarak, titanyum sünger hazırlama, alaşım elementi karıştırma, mekanik sıkıştırma vb. adımlarını atlayacak olan önceden alaşımlı titanyum sünger hazırlayabilir; bunların tümü, büyük ölçüde metal külçelerini eritmek için ilk eritme elektrotlarının hazırlanması içindir. Üretim maliyetini azaltmak; İkincisi, işlem, daha sonra tartışılacak olan geleneksel metal külçeler için uygulaması zor olan titanyuma alaşım elementleri (W, Cu vb.) ekleme yeteneğine sahiptir. Yeni süreç, daha önce ergitme sınırlamaları nedeniyle tasavvur edilmesi imkansız olan birden fazla alaşım elementinin aynı anda seçilmesi olasılığını ortaya çıkarıyor. EDO sürecinin teknik fizibilitesi onaylandı, ancak ölçek büyütmeden sonra, yeniden üretilebilirlikten üretim maliyetlerine kadar birçok ayrıntı hala derinlemesine araştırma ve analiz gerektiriyor. EDO sürecinin gelecekte ticari olarak kullanılabilir olup olmayacağı belli olmasa da devrim niteliğindeki değişiklikleri nedeniyle burada bahsedilmektedir.
Daha fazla bilgi için bizimle iletişime geçin. Teşekkürler
Nicole
Şirket: Baoji Jimiyun Dynamic Co., Ltd
Ülke:Çin
Ekle: Baoti yolu, Jintai, Baoji şehri, Shaanxi, Çin
Cel: artı 86 13369210920
Gmail:nicole@jmyunti.com
Web sitesi:www.jm-titanium.com