تیتانیوم ، فلز معروف به نسبت قدرت به وزن بالا ، مقاومت در برابر خوردگی استثنایی و زیست سازگاری ، دارای طیف گسترده ای از کاربردهای است که به شدت به فرآیند استخراج کارآمد و با خستگی زیاد و پالایش از مواد اولیه سنگ معدن متکی است. تیتانیوم در طبیعت عمدتاً به صورت روتیل (Tio₂) یا ایلمنیت (جنینی) وجود دارد و تبدیل این سنگ معدن به تیتانیوم خالص قابل استفاده یک پروژه پیچیده و انرژی است و اصلی ترین چالش این است که تیتانیوم به طور مستقیم با اکسیژن ، نیتروژن ، کربن و سایر عناصر موجود در دمای سنتی در فرمت های زیاد به شکل و دما در حال کاهش است. بنابراین ، تولید انبوه تیتانیوم خالص (به ویژه اسفنج تیتانیوم) در صنعت عمدتاً به روش Kroll و فرآیند مشتق آن متکی است ، و ایده اصلی آن این است که ابتدا تیتانیوم را به یک ترکیب میانی بی ثبات تبدیل کند - تیتانیوم تتراکلرید (Ticl₄) ، و سپس میانگین با امنیت بالا را کاهش و تصفیه می کند.
The purification journey begins with the enrichment and chlorination of titanium ore. ilmenite or rutile is first enriched by beneficiation to increase the TiO₂ content. Titanium-rich materials (such as natural rutile, artificial rutile or high titanium slag) are then chlorinated in fluidized bed reactors with coke and chlorine at high temperatures (about 900-1000°C). This violent exothermic process converts titanium oxides into gaseous titanium tetrachloride (TiCl₄), and impurities such as iron in the ore also produce corresponding chlorides (such as FeCl₃). The newly produced crude TiCl₄ is a complex mixture containing impurities such as silicon, vanadium, iron, aluminum, magnesium, and chloride, especially vanadium impurities (VOCl₃, VCl₄) that are similar to titanium properties, which are the most difficult to separate, so strict distillation and purification are necessary. Using the differences in the boiling points of various chlorides, the impurities with low boiling points (such as SiCl₄) were first removed, and the impurities with high boiling points (such as FeCl₃ and AlCl₃) were enriched and removed in the subsequent kettles. For vanadium, a key impurity, chemical treatment methods are often used, such as adding a reducing agent (such as mineral oil or hydrogen sulfide) to liquid TiCl₄ to reduce V⁵⁺ to V⁴⁺, and then passing hydrogen sulfide to form an insoluble sulfide precipitate (such as VOS), or adding metal reducing agents such as copper powder to selectively reduce it to a low-valence state and then adsorption and filtration to remove it. This series of fine distillation and chemical treatments results in a colorless transparent liquid titanium tetrachloride with extremely high purity (typically required >99.9 ٪) ، که یک ماده اولیه واجد شرایط برای مراحل کاهش بعدی است.
پس از به دست آوردن Ticl₄ با خلوص بالا ، برای تولید فلز تیتانیوم وارد فرآیند کاهش می شود و فرآیند اصلی کاهش حرارتی منیزیم است. یک راکتور بزرگ فولادی (کوره کاهش) که توسط گاز آرگون بی اثر محافظت می شود با مقدار کافی منیزیم مذاب (MG) پر می شود. Ticl₄ مایع تصفیه شده به آرامی تزریق می شود یا در یک حمام منیزیم مذاب با دمای حدود 800-900 درجه با سرعت کنترل شده اسپری می شود. واکنشهای کلیدی که رخ می دهد عبارتند از: ticl₄ (g)+ 2 mg (l) → ti (s) + 2 mgcl₂ (l). این یک واکنش شدید دفع گرمسیری است که برای جلوگیری از گرمای بیش از حد یا دمای پرواز ، نیاز به کنترل دقیق میزان تغذیه و درجه حرارت دارد. فلز تیتانیوم تولید شده توسط واکنش در حالت مذاب قرار نمی گیرد ، اما به شکل جامد شل و متخلخل بر روی دیواره داخلی راکتور یا روی سبد فولادی در مرکز قرار می گیرد و به اصطلاح "اسفنج تیتانیوم" و کلرید منیزیم مذاب (MgCl₂) تشکیل می شود. پس از واکنش ، کل راکتور به آرامی تحت محافظت از آرگون خنک می شود. راکتور خنک شده حاوی Cavernosum تیتانیوم ، منیزیم باقیمانده (بدون واکنش) و کلرید منیزیم جامد است. برای جدا کردن این مؤلفه ها و تصفیه بیشتر اسفنج تیتانیوم ، تقطیر خلاء مورد نیاز است. راکتور به عنوان یک کل یا بلوک های اسفنجی برداشته شده در یک کوره ویژه تقطیر خلاء قرار می گیرد و برای مدت طولانی در دمای بالا (درجه 14 {}}) و خلاء زیاد (کمتر از 0.1 Pa) پردازش می شود. در این محیط ، منیزیم باقیمانده و کلرید منیزیم به دلیل فشار بخار زیاد ترجیحاً از بین می روند و در ناحیه خنک کننده کوره متراکم و به دام می افتند ، در حالی که تیتانیوم دارای فشار بخار بسیار کمی است و تقریباً غیر فرار است ، بنابراین می توان آن را حفظ و تصفیه کرد. تقطیر خلاء می تواند به طور موثری منیزیم باقیمانده ، کلرید منیزیم ، هیدروژن را در منافذ بدن غاری جذب کند و در نهایت اسفنج تیتانیوم متخلخل عظیم را با خلوص معمولاً 99.5 ٪ تا 99.7 ٪ بدست آورد. به عنوان یک گزینه دیگر ، کاهش حرارتی سدیم در اصل مشابه است ، با استفاده از سدیم فلزی برای کاهش Ticl₄ با واکنش ticl₄+ 4 na → ti+ 4 naCl. روش سدیم دمای واکنش کم (حدود 550-600 درجه) دارد و کلرید سدیم تولید شده در آب محلول تر است و شسته می شود ، اما نیاز به تصفیه مقدار زیادی فاضلاب نمک سدیم دارد و عمل با فعالیت سدیم زیاد نیاز به احتیاط بیشتری دارد.
اسفنج تیتانیوم به دست آمده توسط فرآیند خرج (منیزیم یا سدیم) و تقطیر خلاء ، اگرچه خلوص بسیار زیاد است ، اما هنوز هم حاوی ناخالصی های شکاف ردیابی (اکسیژن ، نیتروژن ، کربن) و کلرید باقیمانده است و در حالت متخلخل و گشاد قرار دارد. به منظور به دست آوردن شمش های تیتانیوم صنعتی با تراکم ، ترکیب یکنواخت ، محتوای ناخالصی پایین تر و خصوصیات مکانیکی عالی ، لازم است که آنها را ذوب و تصفیه کنید. کوره های قوس الکترود خلاء معمولاً برای ذوب استفاده می شود. اول ، اسفنج تیتانیوم خرد شده و غربالگری می شود ، و عناصر آلیاژ (مانند Al ، V و غیره) با توجه به ترکیب آلیاژ مورد نیاز ، به طور مساوی مخلوط می شوند و به صورت یکنواخت مخلوط می شوند و تحت فشار زیادی قرار می گیرند ، و سپس چندین بلوک الکترود به اندازه کافی طولانی به الکترودهای خود تحسین می شوند. الکترود در یک خلاء یا گاز بی اثر (آرگون یا هلیوم) محفظه کوره جو محافظت شده از یک مس خنک شده با آب قرار می گیرد و قوس بین الکترود و صفحه شمش در انتهای قابلمه قرار می گیرد. گرمای قوس قدرتمند نوک الکترود را ذوب می کند ، و قطرات مذاب در داخل کارد و چنگال قرار می گیرند تا یک استخر ذوب ایجاد کنند و به شمش ها محکم شوند. کل فرآیند در یک فضای خلاء یا بی اثر انجام می شود و به طور موثری از اکسیداسیون و نیترایدیت تیتانیوم جلوگیری می کند. از همه مهمتر ، در حالت مذاب ، برخی از ناخالصی ها با فشار بخار زیاد (مانند MGCL₂ باقیمانده ، اکسیژن جزئی ، هیدروژن و غیره) از بین می روند و از بین می روند و روند جامد سازی استخر ذوب نیز منجر به تفکیک و حذف ناخالصی ها می شود. برای کاربردهای سطح بالا که نیاز به خلوص شدید و یکنواختی دارند ، مانند تیغه های موتور Aero ، دو یا حتی سه ذوب قوس خود خلاء معمولاً مورد نیاز است ، هر یک از ذوب بیشتر باعث بهبود خلوص ، یکنواختی و چگالی شمشهای تیتانیوم می شود و در نهایت با ارائه محتوای ناسازگاری بسیار کم ، می توان ساختار را کنترل کرد (مانند محتوای اکسیژن در زیر آکسینه ها ، مواد اولیه با کیفیت بالا برای نورد ، جعل و سایر فرآیندهای پردازش.
به طور خلاصه ، تصفیه تیتانیوم یک مهندسی سیستم پیچیده است که شامل تکنیک های چند رشته ای مانند شیمی با دمای بالا ، جداسازی دقیق ، متالورژی خلاء و الکترومتری است. از کلریت سنگ معدن برای به دست آوردن تیکل خالص ، به منیزیم/سدیم کاهش یافته با تقطیر خلاء برای تولید اسفنج تیتانیوم ، تا ذوب قوس خلاء چندگانه برای ریخته گری های تیتانیوم متراکم با خستگی بالا ، هر مرحله به منظور ایجاد طعم و مزه شیمیایی بالا تیتانیوم ، و در نهایت تحریکات مانند پتانسیل هایی مانند نیتروژن و کربن را از بین می برد. فلزات "،" فلزات دریایی "و" فلزات بیوفیلی "که از زمینه های برش مانند هوافضا ، مهندسی دریایی و زیست پزشکی پشتیبانی می کنند و ارزش منحصر به فرد خود را به عنوان یک مروارید صنعتی مدرن نشان می دهند. اگر می خواهید اطلاعات تیتانیوم بیشتری را بدانید ، تماس تلفنیcatherine@hiriger.com.
