Kim loại titan thu được từ quặng thô được gọi là titan xốp vì bề ngoài xốp và xốp của nó. Titan có rất nhiều như một nguyên tố hóa học. Trong số các nguyên tố kim loại phong phú nhất trong vỏ trái đất, titan đứng thứ tư (sau Al, Fe và Mg). Khoáng sản đầu tiên được sử dụng để sản xuất titan là rutil (TiO2) hoặc ilmenit (FeTiO3), việc điều chế titan kim loại từ các khoáng quặng này được chia thành 5 bước hoặc quy trình khác nhau sau đây, cụ thể là:
(1) Các chất khoáng được clo hóa để tạo thành TiCl4;
(2) tinh chế chưng cất TiCl;
(3) Khử TiCl4 để sản xuất titan kim loại [Quy trình Kroll];
(4) Loại bỏ các sản phẩm phụ của quá trình khử để tinh chế titan kim loại (titan xốp);
(5) Nghiền và phân loại titan kim loại để thu được các sản phẩm phù hợp cho bước tiếp theo của quá trình nấu chảy titan nguyên chất thương mại (CP titan) và hợp kim titan.
Quá trình clo hóa không yêu cầu độ tinh khiết của rutil cao. Nếu ilmenit được sử dụng thay vì rutil thì nguyên liệu thô là xỉ titan giàu TiO2, là sản phẩm phụ của quá trình nấu chảy ilmenit với cacbon trong lò điện để sản xuất sắt. Phản ứng clo hóa diễn ra trong lò đun sôi có chứa TiO2, tạp chất và cacbon (than cốc) đi vào bộ khử clo cùng với rutil, xem Hình 3.1. Khi tiếp xúc với cacbon, sản phẩm phản ứng là clorua kim loại (MClx), CO2, CO và TiCl4 ở thể khí (nhiệt độ sôi của TiCl4 là 136 độ C), các sản phẩm phản ứng này được thải ra khỏi ống dẫn trên cùng của bình phản ứng và trực tiếp đi vào quá trình chưng cất phân đoạn. đơn vị (xem Hình 3.2).
Công thức phản ứng clo hóa cơ bản như sau:
TiO2 cộng 2Cl2 cộng C → TiCl4 cộng CO2
và
TiO2 cộng 2Cl2 cộng 2C → TiCl4 cộng 2CO
Bước thứ hai trong quy trình sản xuất là bước chưng cất, vì TiCl4 sơ cấp từ bước khử trùng bằng clo cần được tinh chế thêm. Quá trình tinh chế được thực hiện bằng cách chưng cất phân đoạn TiCl4 như trong Hình 3.2, cho thấy một quá trình tinh chế chưng cất hai bước. Bước đầu tiên là loại bỏ các tạp chất sôi thấp, chẳng hạn như CO và CO2, và bước thứ hai là loại bỏ các tạp chất sôi cao, chẳng hạn như SiCl4 và SnCl4. TiC4 tinh khiết đã được bảo quản dưới sự bảo vệ của khí trơ cho đến khi sử dụng.
Bước tiếp theo trong quy trình sản xuất là khử TiCl4, quy trình Kroll. TiCl4 tinh khiết được thêm vào bình phản ứng chứa đầy kim loại magiê và chứa đầy khí trơ. Khi đun nóng đến 800 ~ 850 độ, phản ứng khử chung sau đây xảy ra:
TiCl4 cộng 2Mg → Ti cộng 2MgCl2
Phản ứng thực sự được hoàn thành theo hai bước sau:
TiCl4 cộng với Mg → TiCl2 cộng với MgCl2
theo dõi bởi
TiCl2 cộng với Mg → Ti cộng với MgCl2
Sơ đồ nguyên lý của lò phản ứng khử Kroll được thể hiện trong hình 3.3. Thiết bị phản ứng khử ở bên trái được ghép nối với thiết bị chưng cất chân không ở bên phải. Phản ứng khử lần đầu tiên được Kroll nghiên cứu vào cuối những năm 1930, và quá trình khử TiCl4 bằng Mg vẫn được gọi là quá trình Kroll. Sản phẩm cuối cùng titan kim loại được khử theo công thức phản ứng trên bản thân nó khá tinh khiết, nhưng titan kim loại nguyên chất sẽ trộn lẫn với MgCl2. Với sự tiến triển của quá trình khử Kroll, hầu hết MgCl2 liên tục được loại bỏ, nhưng vẫn có một số lượng dư nhất định, việc loại bỏ chúng sẽ được thảo luận trong giai đoạn tinh chế kim loại titan tiếp theo.
Vì phản ứng khử là một phản ứng tỏa nhiệt, tốc độ thêm TiCl4 vào bình phản ứng chứa Mg phải ở nhiệt độ có thể kiểm soát được, điều này cần thiết để ngăn ngừa sự hình thành các chất phản ứng đặc và cản trở sự bay hơi của các sản phẩm khác. Sản phẩm của phản ứng này là hỗn hợp titan kim loại và MgCl2, được gọi là "khối titan xốp", là sản phẩm của quá trình Kroll.
Ngay từ năm 1910, Hunter đã xác nhận rằng TiCl4 có thể bị khử bởi Na nóng chảy, và phương pháp điều chế titan bọt biển này được gọi là phương pháp Hunter. Từ năm 1960 đến 1995, một lượng lớn titan bọt biển đã được sản xuất bằng phương pháp này. Hiện tại, chưa có nhà máy nào sản xuất miếng xốp titan quy mô lớn bằng phương pháp này, chủ yếu là do việc sử dụng magie làm chất khử hấp dẫn hơn so với việc sử dụng natri theo quan điểm kinh tế.
Bước tiếp theo trong quy trình sản xuất là tinh chế titan kim loại, tức là loại bỏ MgCl2 dư ra khỏi khối titan xốp. MgCl2 có thể được tách bằng một trong các phương pháp sau: rửa axit, sục khí trơ hoặc chưng cất chân không. Phương pháp đầu tiên khai thác khả năng hòa tan ưu tiên của MgCl2 trong các dung dịch axit, và MgCl2 có thể được loại bỏ khỏi miếng bọt biển titan phân mảnh bằng phương pháp rửa trôi phân tách không còn được sử dụng rộng rãi. Các phương pháp khác có ưu điểm là loại bỏ MgCl trực tiếp trong lò phản ứng Kroll. Các phương pháp này tận dụng áp suất hơi cao của MgCl để loại bỏ một cách chọn lọc MgCl bằng cách bay hơi, sau đó là ngưng tụ để thu hồi Mg và Cl từ titan bọt biển, và quy tắc khí trơ là sử dụng argon làm chất mang để vận chuyển hơi MgCl2.
Hình 3.3 là một giản đồ của quá trình chưng cất chân không (VDP). Trong quá trình này, khối titan bọt biển được làm nóng dưới chân không trong lò phản ứng Kroll ở bên trái. Tại thời điểm này, MgCl2 dễ bay hơi và Mg kim loại dư do áp suất hơi gây ra và được ngưng tụ trong một bình khác (xem bình bên phải trong Hình 3.3), sau khi bổ sung Mg mới, đóng vai trò là lò phản ứng Kroll cho giai đoạn khử tiếp theo, trong khi Thùng chứa với khối bọt biển titan ở bên trái trong Hình 3.3 được thay thế bằng thùng rỗng, đây là một quá trình bán liên tục với các ưu điểm kinh tế. Trong số ba quy trình tinh chế của bọt biển titan, khối bọt biển titan được xử lý bằng quy trình chưng cất chân không (VDP) có hàm lượng chất dễ bay hơi thấp nhất. Do sự chuyển khối trong lò phản ứng theo quy trình chưng cất chân không (VDP) ở nhiệt độ cao (700 ~ 850 độ), tức là miếng bọt biển titan sẽ thực sự hấp thụ một lượng nhỏ Fe và Ni từ lò phản ứng bằng thép không gỉ. Trong số các siêu hợp kim, Ni đặc biệt là Không mong muốn vì hàm lượng Ni vượt quá giới hạn làm giảm độ rão của nó, điều này cũng đúng trong quá trình thiêu kết các khối titan bọt biển.
Trong cả hai quá trình (lọc khí trơ và VDP), Mg và Cl2 được thu hồi và tái chế. Hiện nay, việc sản xuất xốp titan bằng phương pháp khử Mg về cơ bản đã đạt được sản xuất khép kín từng mẻ, tuy nhiên cần phải “trộn” một lượng Mg và Cl2 thích hợp giữa các mẻ.
Bước cuối cùng trong quá trình sản xuất là nghiền và phân loại bọt biển titan. Sau khi loại bỏ Mg và MgCl2 dư thừa, miếng bọt biển titan số lượng lớn được chia thành titan kim loại dạng hạt. Sau khi nghiền và phân loại, các loại xốp titan thô hơn sẽ được cắt để giảm kích thước của chúng. Các hoạt động nghiền và cắt được thực hiện trong không khí, nhưng cần cẩn thận vì titan là chất pyrophoric tiềm năng và bất kỳ nguồn bắt lửa nào xảy ra trong quá trình hoạt động sẽ tạo ra các khu vực giàu nitơ và làm ô nhiễm bọt biển titan, dẫn đến quá trình nấu chảy tiếp theo khuyết tật. Nhiệt độ hoạt động cao hơn của quy trình VDP gây khó khăn cho việc phân đoạn khối bọt biển titan. Trừ khi có yêu cầu đặc biệt, các nhà sản xuất titan bọt biển sẽ không theo đuổi việc sản xuất các sản phẩm có kích thước hạt trung bình thực tế nhỏ hơn 3 ~ 5cm, điều này không chỉ giúp loại bỏ chi phí vận hành nghiền và cắt thêm mà còn tránh nguy cơ cháy trong titan bọt biển trong các hoạt động này. . Kích thước hạt xốp titan mong muốn hoặc cụ thể phụ thuộc vào sản phẩm cuối cùng được sản xuất. Các cấp hạt thô (lên đến 2,5 cm) của bọt biển titan có thể được sử dụng để sản xuất titan tinh khiết thương mại (CP titan) và hầu hết các cấp tiêu chuẩn của hợp kim titan. Trong các lĩnh vực hiệu suất cao, chẳng hạn như cánh động cơ máy bay, cần có kích thước hạt nhỏ hơn (tối đa 1 cm) của miếng bọt biển titan, chủ yếu dựa trên việc xem xét các khuyết tật về độ ổn định khe hở trong ứng dụng vật liệu cấp lưỡi. Kích thước hạt của titan xốp như thể hiện trong Hình 3.4.
Đối với quy trình sản xuất các kim loại titan khác, nghiên cứu đã được thực hiện trong nhiều năm, và hầu hết các nghiên cứu đều nhằm giảm giá thành sản xuất titan xốp, nhưng nhìn chung đều không thành công. Sản xuất titan bằng phương pháp điện phân (còn gọi là điện phân) là một ví dụ hấp dẫn, và Dow-Howmet đã xây dựng thành công một nhà máy trình diễn quy mô thí điểm ở Hoa Kỳ từ năm 1975 đến năm 1985 [3.3], do thị trường titan suy thoái vào thời điểm đó, không thể thực hiện sản xuất quy mô lớn. Vì vậy, có thể nói rằng, trên thực tế, một hệ thống đủ tin cậy để thực hiện khử điện phân quy mô lớn vẫn chưa được thực hiện, và vấn đề cần xác minh là niêm phong khử điện ly lớn. Khả năng của tế bào để duy trì một môi trường hoạt động sạch và sự ổn định lâu dài của điện cực.
Ngoài ra, những nỗ lực gần đây để sản xuất titan có độ tinh khiết cao thông qua quá trình điện phân đã rất thành công cả về mặt kỹ thuật và kinh tế. Tinh chế điện phân trước tiên hòa tan titan không tinh khiết trong chất điện phân, sau đó chuyển hóa nó thành titan có độ tinh khiết cao. Bằng cách kiểm soát cẩn thận các điều kiện lắng đọng và độ tinh khiết của chất điện phân, có thể thu được sản phẩm có độ tinh khiết cao và kim loại có độ tinh khiết cao này có thể được chế tạo thành mục tiêu phún xạ để sản xuất các thiết bị điện tử. Tính khả thi về kinh tế của quá trình tinh luyện titan bằng phương pháp điện phân là những người sử dụng vật liệu titan có độ tinh khiết cao sử dụng một lượng tương đối nhỏ sản phẩm có giá trị gia tăng cao này, điều này hoàn toàn khác với việc ứng dụng vật liệu kết cấu về mặt kinh tế.
Hiện tại, một quy trình mới để điều chế titan bọt biển đang được nghiên cứu chuyên sâu, được gọi là Electro-Deoxidation (EDO) TM. Quy trình EDO sử dụng hồ CaCl2 nóng chảy và điện cực graphit để tách oxy khỏi các ion chứa oxit titan thông qua quá trình điện phân, do đó chuyển catot TiO2 nén hoặc thiêu kết thành titan, và titan kim loại xốp được kết tủa trên catot ban đầu sau phản ứng . Về nguyên tắc, nếu hàm lượng oxy của nguyên tố hợp kim mong muốn được trộn với oxy catốt và khử bằng điện phân với TiO2, thì quá trình này cũng có khả năng điều chế miếng bọt biển titan hợp kim trước, nhưng hiệu quả đạt được của quá trình này là rất hạn chế, và khả năng sản xuất quy mô lớn vẫn cần được phân tích và chứng minh, dù sao thì quá trình này vẫn thú vị vì một số lý do. Đầu tiên, nó có thể chuẩn bị miếng bọt biển titan hợp kim trước, sẽ bỏ qua các bước chuẩn bị miếng bọt biển titan, trộn nguyên tố hợp kim, đầm nén cơ học, v.v., tất cả đều để chuẩn bị điện cực nóng chảy ban đầu để nấu chảy thỏi kim loại, điều này sẽ rất giảm chi phí sản xuất; Thứ hai, quy trình này có khả năng thêm các nguyên tố hợp kim (như W, Cu, v.v.) vào titan, điều này rất khó thực hành đối với các thỏi kim loại truyền thống, sẽ được thảo luận ở phần sau. Quy trình mới mở ra khả năng lựa chọn đồng thời nhiều nguyên tố hợp kim, điều mà trước đây không thể hình dung được do những hạn chế của quá trình nấu chảy. Tính khả thi về mặt kỹ thuật của quy trình EDO đã được xác nhận, nhưng nhiều chi tiết sau khi mở rộng quy mô, từ khả năng tái sản xuất đến chi phí sản xuất, vẫn cần nghiên cứu và phân tích sâu. Mặc dù không rõ liệu quy trình EDO có được thương mại hóa trong tương lai hay không, nhưng nó được đề cập ở đây vì những thay đổi mang tính cách mạng của nó.
Liên hệ với chúng tôi để biết thêm thông tin. Cảm ơn bạn
Nicole
Công ty: Baoji Jimiyun Dynamic Co., Ltd
Cuntry: Trung Quốc
Add: Baoti road, Jintai, Baoji city, Thiểm Tây, Trung Quốc
Cel: cộng với 86 13369210920
Gmail:nicole@jmyunti.com
Trang web: www.jm-titanium.com