O titânio, o metal conhecido por sua alta taxa de resistência / peso, resistência a corrosão excepcional e biocompatibilidade, possui uma ampla gama de aplicações que dependem fortemente do processo de extração eficiente e de alta pureza e refino de matérias-primas de minério. O titânio na natureza existe principalmente na forma de ruttil (TiO₂) ou ilmenita (fetio₃), e converter esses minérios em titânio puro utilizável é um projeto complexo e intensivo em energia, e o desafio central é que o titânio é muito fácil de reagir violentamente com o oxigênio, o nitrogênio, o carbono e os outros elementos em altos temperaturas para formar a formação de formaturas que se destacam, com o nitrogênio, o carbono e os outros elementos em formaturas de alta temperatura para formar a formatação para formar a formação de formas de formato, que se aplica a nitrogênio, o carbono e outros elementos em formaturas de alta temperatura para formar a formatação a formar a formatação, a seqüestrar a forma de oxigênio, o nitrogênio, o carbono e os outros elementos em formaturas de alta temperatura para formatem Portanto, a produção em massa de titânio puro (especialmente esponja de titânio) na indústria depende principalmente do método Kroll e de seu processo derivado, e sua idéia principal é primeiro converter o titânio em um composto intermediário volátil - tetracloreto de titânio (Ticl₄) e depois reduzir e purificar a alta pureza intermediária.
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%), que é uma matéria -prima qualificada para as etapas de redução subsequentes.
Depois de obter ticl₄ de alta pureza, ele entra no processo de redução para produzir metal de titânio, e o processo convencional é a redução térmica do magnésio. Um grande reator de aço (forno de redução) protegido pelo gás argônio inerte é preenchido com uma quantidade suficiente de magnésio fundido (mg). O ticl₄ líquido refinado é injetado lentamente ou pulverizado em um banho de magnésio fundido a uma temperatura de cerca de 800 a 900 graus a uma taxa fortemente controlada. As principais reações que ocorrem são: ticl₄ (g) + 2 mg (l) → ti (s) + 2 mgcl₂ (l). Esta é uma reação exotérmica intensa que requer controle preciso da taxa e temperatura de alimentação para evitar o superaquecimento ou temperaturas de vôo. O metal de titânio produzido pela reação não está em estado fundido, mas é depositado em uma forma sólida solta e porosa na parede interna do reator ou na cesta de aço no centro, formando a chamada "esponja de titânio", e o magnésio do magnésio que é um pouco mais de fólios-fóliose. Após a reação, todo o reator é resfriado lentamente sob proteção de argônio. O reator resfriado contém titânio cavernosum, magnésio residual (não reagido) e cloreto de magnésio solidificado. Para separar esses componentes e purificar ainda mais a esponja de titânio, é necessária a destilação a vácuo. O reator como um todo ou os blocos de esponja removido é colocado em um forno de destilação de vácuo especial e processado por um longo tempo sob alta temperatura (aprox . 920-1010 grau) e alto vácuo (menor que 0,1 pA). Nesse ambiente, o magnésio residual e o cloreto de magnésio são preferencialmente volatilizados devido à sua alta pressão de vapor e são condensados e presos na zona de resfriamento do forno, enquanto o titânio tem uma pressão de vapor muito baixa e é quase não volátil, para que possa ser retida e purificada. A destilação a vácuo pode remover efetivamente o magnésio residual, cloreto de magnésio, hidrogênio adsorvido nos poros do corpo cavernoso e, finalmente, obter uma esponja de titânio porosa maciça com uma pureza de geralmente 99,5% a 99,7%. Como alternativa, a redução térmica de sódio é semelhante em princípio, usando o sódio metálico para reduzir o ticl₄ com a reação de ticl₄ + 4 na → ti + 4 nacl. O método de sódio tem uma baixa temperatura da reação (cerca de 550-600 graus), e o cloreto de sódio produzido é mais solúvel em água e lavado, mas precisa tratar uma grande quantidade de águas residuais de sal de sódio, e a operação com alta atividade de sódio requer mais cautela.
A esponja de titânio obtida pelo processo do Crower (redução de magnésio ou sódio) e destilação a vácuo, embora a pureza seja muito alta, ainda contém impurezas de lacunas de rastreamento (oxigênio, nitrogênio, carbono) e cloreto residual e estão em um estado poroso e solto. Para obter lingotes industriais de titânio com densidade, composição uniforme, menor conteúdo de impureza e excelentes propriedades mecânicas, é necessário derreter e purificá -los. Os fornos de arco de eletrodo autocompensos a vácuo são geralmente usados para fusão. Primeiro, a esponja de titânio é esmagada e rastreada, e os elementos de liga (como Al, V, etc.) são correspondidos com precisão de acordo com a composição de liga necessária, misturados uniformemente e pressionados em blocos de eletrodo sob pressão enorme e, em seguida, vários blocos de eletrodo são soldados em eletrodos autoconsumantes suficientemente longos. O eletrodo é colocado em um atmosfera de vácuo ou gás inerte (argônio ou hélio), câmara de forno protegido de um cadinho de cobre resfriado a água, e o arco é inflamado entre o eletrodo e a placa de lingote na parte inferior do cadinho. O poderoso calor do arco derrete a ponta do eletrodo e as gotículas fundidas caem no cadinho para formar uma piscina de fusão e solidificar -se em lingotes. Todo o processo é realizado em uma atmosfera a vácuo ou inerte, impedindo efetivamente a oxidação e a nitragem do titânio. Mais importante, no estado fundido, algumas impurezas com alta pressão de vapor (como MGCL₂ residual, oxigênio parcial, hidrogênio etc.) serão volatilizadas e removidas ainda mais, e o processo de solidificação do pool de fusão também é propício à segregação e remoção de impulsos. Para aplicações de ponta que requerem extrema pureza e uniformidade, como lâminas de motor aero, geralmente são necessárias duas ou até três arco autoconsumador de vácuo, cada um derretendo melhora ainda mais a pureza, uniformidade e densidade do titânio e, finalmente, o rodopto de titânio e, finalmente, o excelente titânio e o rionte de altura e o conteúdo de oxigenação e o conteúdo de oxilo pode ser um grande titânio. Matérias -primas para rolamentos subsequentes, forjamentos e outros processos de processamento.
Em resumo, a purificação do titânio é uma engenharia complexa do sistema que incorpora técnicas multidisciplinares, como química de alta temperatura, separação de precisão, metalurgia a vácuo e eletrometalurgia. From the chlorination of ore to obtain pure TiCl₄, to the magnesium/sodium reduction combined with vacuum distillation to produce titanium sponge, to the multiple vacuum arc melting to cast high-purity dense titanium ingots, each step aims to tame the high chemical activity of titanium, eliminate the intrusion of impurities such as oxygen, nitrogen and carbon, and finally transform the potential contained in the ore into "Metals espaciais", "metais marinhos" e "metais biofílicos" que suportam campos de ponta, como aeroespacial, engenharia marinha e biomedicina, mostrando seu valor único como uma pérola industrial moderna.catherine@hiriger.com.
