Titaani vanametalli valmistamise meetod

Titaanil ja selle sulamitel on suurepärased omadused, nagu madala tihedusega korrosioonikindlus ja vastupidavus kõrgele temperatuurile. Maailma titaanitööstus kogeb üleminekut ühelt mudelilt, mille põhiturg on lennundus, mitmekesise mudeli peale, mis keskendub metallurgia, energeetika, transpordi, keemiatööstuse, biomeditsiini ja muude tsiviilvaldkondade arendamisele. Praegu saab maailm titaani tööstuslikult toota vaid mõnes riigis, nagu USA, Jaapan, Venemaa, Hiina ja teised riigid, titaani kogutoodang maailmas on vaid mõnikümmend tuhat tonni aastas. Kuid titaani olulise strateegilise väärtuse ja rahvamajanduse staatuse tõttu saab titaanist pärast "kolmandat metalli" raua, alumiiniumi tõus, 21. sajand on titaani sajand.

Praegused titaani tootmismeetodid on praegune titaani tootmine metalli termilise redutseerimise meetodil, mis viitab metalli redutseerija (R) ja metallioksiidide või kloriidide (MX) kasutamisele reaktsioonis metalli M valmistamiseks. Titaani metallurgiliste meetodite tootmine magneesiumi jaoks on juba tööstuslik. termilise redutseerimise meetod (Krolli meetod) ja naatriumi termilise redutseerimise meetod (Hunteri meetod). Kuna Hunteri meetod on kallim kui Krolli meetod, on ainuke tööstuses praegu laialdaselt kasutatav meetod Krolli meetod, mida on alates selle väljatöötamisest 1948. aastal kritiseeritud kõrge hinna ja madala redutseerimise efektiivsuse pärast. Pool sajandit hiljem, protsess ei ole põhimõtteliselt muutunud, on endiselt katkendlik tootmine, ei suutnud realiseerida tootmise pidev.

Titaani metalli tootmismeetod uusi suundumusi maailma titaanitööstuses pärast aastakümneid kestnud arengut, kuigi Krolli meetod ja Hunter meetod on mitmeid täiustusi, kuid need on vahelduv töö, väikesed parandused ei saa oluliselt vähendada titaani hinda. Seetõttu tuleks kõrgete tootmiskulude probleemi põhimõtteliseks lahendamiseks välja töötada uus odav pidev protsess. Selleks on teadlased läbi viinud suure hulga katseid ja uuringuid. Käimasolev uurimistöö keskendub järgmistele meetoditele: elektrokeemiline redutseerimismeetod kulude vähendamiseks, titaanmetalli inimeste otsedeoksüdatsiooniuuringud. Mõned inimesed välismaal kasutavad elektrokeemilisi meetodeid, et vähendada tahke lahustunud hapniku kontsentratsiooni titaanis allpool oleva avastamispiirini (500 ppm). Nad usuvad, et elektrokeemilise deoksüdatsiooni käigus tekib kaltsiumkloriidi sulasoola elektrolüüsil desoksüdeeriv kaltsium ja O2- sadestub anoodil CO2 või CO kujul. Seda uut kõrgpuhastusmeetodit ei kasutata mitte ainult titaani, vaid ka haruldaste muldmetallide, nagu ütrium ja neodüüm, deoksüdeerimiseks ning see võib vähendada hapnikusisaldust 10 ppm-ni.

Katseprotsessi industrialiseerimise elektrokeemiline meetod on: esiteks titaandioksiidi pulber koos valamise või survevaluga, paagutatakse katoodiks, grafiit anoodiks, CaCl2 sulasoolana, grafiidis või titaantiiglis elektrolüüsiks. Rakendatav pinge on 2,8 V kuni 3,2 V, mis on madalam kui CaCl2 lagunemispinge (3,2 V kuni 3,3 V). Pärast teatud elektrolüüsi aega muutus katood valgest halliks ja SEM-i all täheldati 0,25 μm TiO2 muundumist 12 μm titaankäsnaks. Kaltsiumkloriidi sulasoolana kasutamise peamine põhjus on selle madal hind ja lahustuvus O2--s, mistõttu sadestunud titaani ei ole kerge oksüdeeruda; lisaks on CaCl2 mittetoksiline ega saasta keskkonda.

Võrreldes TiCl4 sulasoola elektrolüüsiga, on selle meetodi tooraineks pigem oksiidid kui lenduvad kloriidid, nii et valmistamisprotsessi saab lihtsustada ja toodete kvaliteet on kõrge; titaani valentsioonide vahel ei toimu redoksreaktsiooni; anoodsadestusgaas on puhas hapnik (inertne anood) või CO ja CO2 segu (grafiitanood), mis on kergesti juhitav ja mittesaastav.

See meetod mitte ainult ei soodusta redutseerimisreaktsiooni katoodi lähedal, vaid deoksüdeerib ka redutseerimisel saadud titaani. See meetod ühendab oksiidide otsese elektrolüütilise redutseerimise ja elektrokeemilise deoksügeenimise, mis on uus titaani valmistamise meetod ja millest on saanud titaani ekstraheerimise protsessis kõige tähelepanuväärsem meetod. 2000 Briti ajakirjas Nature avaldatud artikli andmete kohaselt vähendab selle meetodi kasutamine titaankäsna tootmiskulusid umbes 13,000 USA dollari võrra tonni kohta. , ja praegune ülemaailmne kogutoodang 50,000 kuni 60 000 tonni säästab tootmiskuludelt 770 miljonit USA dollarit aastas, kui minnakse üle selle elektrokeemilise meetodi tootmisele.

Armstrongi meetod Amstrong et al. Hunteri meetodi täiustamiseks, muutes selle pidevaks tootmisprotsessiks. Protsess on järgmine: TiCl4 gaas süstitakse esmalt sulanaatriumi liiasse, mis toimib jahutusagensina, redutseerides produkti ja suunates selle eraldusprotsessi. Toote titaanipulbri saamiseks eemaldage naatrium ja sool. Toote hapnikusisaldus on vaid 0,2%, saavutades sekundaarse titaani standardi. Protsessi kerge täiustamine võib toota VTi ja AlTi sulameid. Võrreldes Hunteri meetodiga on selle meetodi eeliseks pidev tootmine, madal investeeringute maht, lai valik toote rakendusi ning naatriumiks ja klooriks lagunenud kõrvalsaadusi saab taaskasutada.

TiCl4 elektrolüütilise redutseerimise meetod Elektrolüütilise protsessi seisukohast on TiCl4 elektrolüütilise meetodi kasutamine parem nii Krolli kui Hunteri meetoditest. Seetõttu on Krolli termilise redutseerimise meetodi väljatöötamise algusest peale olnud idee muuta titaani sulatusprotsess elektrolüütiliseks meetodiks.

TiCl4 elektrolüütiline redutseerimismeetod on ainus, mida kunagi peeti Krolli protsessi võimalikuks asendajaks. USA, endine Nõukogude Liit, Jaapan, Prantsusmaa, Itaalia, Hiina ja nii edasi on läbi viinud pikaajalisi ja põhjalik uurimine selle kohta. TiCl4 elektrolüütilise redutseerimise meetod on tehniliselt vajalik TiCl4 muutmiseks madalavalentseks titaankloriidiks ja sulatis lahustamiseks ning samal ajal on vaja eraldada katoodi piirkond anoodialast ja sulgeda elektrolüütipaak. .

Itaallased on tegelenud TiCl4 elektrolüüsiga, analüüsides kloorimiselektrolüüsi andmeid ja avastanud, et kui temperatuur on üle 900 kraadi, ei ole elektrolüüdis Ti2+ ega Ti3+, vaid ainult Ti. 4+ ja Ti. Selle alusel loodud elektrolüüsiprotsess on järgmine: TiCl4 gaas süstitakse mitmekihilisse elektrolüüti ja absorbeeritakse. See mitmefaasiline kiht koosneb kaaliumi, kaltsiumi, titaani, kloori ja fluori ioonidest ning kaaliumi ja kaltsiumi ioonidest ning eraldab titaankatoodi grafiidianoodist. Alumises kihis tekkiv vedel titaan vajub vesijahutusega vanni põhja vasest tiiglisse, moodustades valuplokid. Selle meetodiga saadud titaani puhtus ei ole aga kõrge ja efektiivsus madal.

Outlookil on suurepärane jõudlus ja rikkalikud titaanivarud 20. sajandi teisest poolest, mis on ideaalseks materjaliks tähelepanuks, kuid siiani pole haruldastest metallidest pärit maailma aastane titaanitoodang on vaid kümneid tuhandeid tonne. Kuna Krolli meetod on titaantetrakloriidi redutseerimine magneesiummetalliga, et saada käsnjas titaanmetall, millele lisandub pikk protsess, mitme protsessi iteratsioon ja muud tegurid, mille tulemuseks on titaankäsna kõrge hind, mis mõjutab titaani kasutamist erinevates tööstusharudes, nii et seda pole paljudes rakendusvaldkondades veel populaarseks tehtud. Usume siiski, et teaduse ja tehnoloogia arengu, titaanmetalli uue tootmisprotsessi arendamise, tootmiskulude vähendamise ja tootmismahu laienemisega saab 21. sajandist tõeliselt titaani sajand.