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钛加工技术

Apr 22, 2016

钛加工技术


钛具有低密度,高比强度,高温强度,耐腐蚀性强等特点。


作为一种钛金属结构,第四排地壳中的含量仅次于铁,铝,镁,镍,多于铜,铬,铅,锡和锌的总和。


然而,目前的钛生产体系非常复杂,成本高。 钛是昂贵的,因为从矿石到精炼过程的金属是多步分批工艺,高温。


本文将首先描述当前的钛技术,然后讨论降低钛成本的四种最有希望的方法。 这些方法包括Kroll,Hunter和Cambridge Armstrong方法。


1目前钛提取方法


钛金属的生产从金红石(TiO2)开始。 金红石和石油焦在一起,在


1000℃(1830华氏度)的温度,在流化床反应器中通过氯化处理


生产TiCl4。


TiO 2 + 2Cl 2 + C,TiCl 4 + CO 2


钛的生产也可以从其他低成本材料开始,如钛铁矿石或矿渣,


但它们含有更多的铁和其他杂质。 纯化液体TiCl4,约90%


氧化TiCl4至TiO2,用于色素工业。



TiCl4是所有业务流程的起点。 TiCl4起始的两个主要原因是TiCl4与


高纯度,钛和氧分离。



2 Kroll方法


克罗尔与杜邦公司在1948年开发的相比目前使用的并没有太大的变化,它主要是


包括以下步骤。 干燥和干净的不锈钢真空蒸发器和氩气。 然后减少

的TiCl4镁进入蒸笼。 将蒸汽加热至800-900℃(华氏1470度)


到1650华氏度),然后TiCl4缓慢进入蒸笼。 TiCl4的还原镁还原反应:


TiCl4 + 2Mg,Ti + 2MgCl2


随着MgCl 2的还原逐渐减少。 几天后,火轮停靠取决于大小,

反应,蒸汽压力上升。


此时,约30%的镁反应。 形成类似的海绵钛金属多孔材料。


现在在蒸笼钛(海门台),未反应的镁和一些MgCl2。 这些杂质可以是


通过浸取或真空蒸馏除去。 通过增加蒸发器温度并在真空下真空蒸馏除去未反应的mg和MgCl 2,其余的钛海绵。


然后打开反应器,取出钛。 将钛海绵切成0.6厘米(0.25“)块,加入合金金属,可能会有一些钛屑,然后熔化成锭,为了保证渣和锭的均匀性和去除重熔至一次或两次以上。



有些人从一开始就批评了Kroll的高成本和低效率的方法。 这是一批步骤,其中很多劳动强度很高。 不过,50年来尽管生产了各种新技术,但没有人可以取而代之。 其实,Kroll做了一点改变。 主要区别在于蒸发器的大小,用于在同一反应器中进行镁还原和减压蒸馏。



Huntfa和Kroll非常相似,但被钠镁替代。 即使方法相似,但是猎人方法的成本略高,所以猎人方法只用于小批量,特殊的高纯度粉末生产。



关于克罗尔法律的理论研究很少,人们想要学习的东西很多。 Okabe等人最近的工作 显示Kroll和Hunter反应可以解释为电化学反应。 更好地了解克罗尔的法律将有助于人们改善他们的生活。


可以进行改进,其可以包括减少过量的镁的量,或减少由于壁的污染导致的钛等级的数量,或者更好地控制氮化物。 甚至可以改进Kroll方法或者Hunter方法,以使它们能够持续。



如果你想对克罗尔法案进行革命性的改进,似乎不大可能显着降低价格,但也可以通过逐渐做一些小的改变来降低钛的成本。



3电解法



1953年,Kroll预测,15年后,电解过程将用于生产钛。 但为什么经过五十多年的时间,还没有建成商业化的电解钛厂?


人们一直在指望电解产生与引入Hall-Heroult方法相同的效果,这大大降低了铝的生产成本。 在Hall-Heroult之前,铝钠还原,成本比黄金贵。 然而,由于钛和铝之间的差异较大,因此通过电解生产钛更加困难。



一方面,钛的熔点为1000度(华氏1800度),高于铝的熔点。 因此,到目前为止,固体钛的所有电解生产方法都是分支的,并且由于延迟而丧失电解液损失。


在铝电解槽中,只有一个稳定的状态,有两价钛。 这种多价态由电子效率损失引起。


但主要问题是电解可能不如Kroll方法便宜,因为两者都是以TiCl4开始的。


一些经济分析表明,Kroll应该比电解方法节省。 但有些公司无法证明这一点。



电解法已成为电力提取的主要研究领域。 但从来没有过



工业化生产。 现实是我们花了几十万美元建厂,然后放弃了这个项目。



部分原因是由于开发时间长于钛市场周期,而不是一个


试点工厂在市场低迷的情况下可以幸免。 钛市场增长的另一个可能原因是

比较慢 事实上,商业生产者也减少了。 1958年,美国至少6岁


公司生产钛海绵,但目前只有一个时刻表。 还有人认为,电解是


从不超过Kroll方法低成本。



钛可以通过电解生产,问题是经济。 GTT Marco Ginatta继续使用


氯化,并在意大利都灵设有一个大型实验生产厂。 也许有一天


取代了Kroll工业电解厂生产厂房,但是在开始采用TiCl4电解法大大降低了钛价格似乎不太可能。


4剑桥FFC


另一个是剑桥大学,德雷克·弗雷(Derek Fray)宣布了一个更为激进的减少方法。


在该方法中,将TiO 2压制成颗粒,然后在950℃(17.4华氏度)的浴中,


和氯化钙(CaCl2)作为阴极和石墨电极作为阳极。 当电流被施加时,


将氧气离子化并溶解在CaCl 2浴中。 因为溶液中的氧气价格,消除了两个


钛离子问题。 这种生产钛的方法只含氧60ppm,体积kg。


该方法由金红石开始,所以理论应该大大降低钛的生产成本。



但金红石不是纯TiO2。 必须找到替代氯化物净化方法。


另外,其中一个原因是与氧化钛的氯化分离。 很多的


旧的氧化钛生产工作失败了。


为了使工艺顺利进行,不仅需要TiO2电解成功,


而且还要找到一种较便宜的纯TiO2光源。 从生产规模到过程


工业化还有很长的路要走。 因为这种方法大大降低了成本


钛的潜力,值得研究。



5钛粉



阿姆斯壮方法(由国际钛粉在芝加哥开发)被认为是


亨特法改善。 钛粉是以连续的方法生产的,而不是间歇法。


阿姆斯壮方法是通过还原钠和四氯化钛生产钛。


在这种方法中,TiCl4蒸汽注入熔融钠。 钠流量超过TiCl4钠的化学计量下降。 过量的钠冷却反应产物,并使其进入分离阶段,除去过量的盐和钠。 反应产物是连续流动的粉末。


该方法用于生产铝/钛合金。



国际钛粉使用这种方法生产了大量的钛。 奥尔巴尼能源研究中心的分析表明,氧含量低至0.2%,符合Gr2钛标准。 一些钛粉已经熔化成带有拉伸试样的按钮,也满足了Gr2钛的强度和延展性。



阿姆斯壮方法的优点是生产钛粉是比较简单的方法。 现在可以将氧含量降低到小于0.2%,足以用于钛的一些应用。 一些工厂的新要求和严格要求的内容可以降低氧气。



目前,国际钛粉公司正在建设工程设施进行更多的测试。 该系统将允许每次测试产生约5kg(11lb)的钛,而且在中试规模工厂的建设中,每次测试可以生产约120kg(265lb)的钛。



国际钛粉公司的做法接近商业化。 但是还是有的


一些需要提出的问题。 产品的氧气含量是多少? 通过阿尔姆斯通生产成本的方法将会是? 因为它也从TiCl4开始,原材料的成本与Hunter方法相同。 但国际钛粉公司比猎人方法有更多的优势:



国际钛粉生产工艺是连续的,在低温下运行,从而大大降低了资金和劳动力的成本。

产品不需要额外的净化,需要生产海绵钛猎人法。

粉末适用于各种应用,如粉末冶金,溅射等快速加工方法。


直接生产小直径,高纯度粉末,无浪费。



盐是唯一可以分解成钠和氯的副产物,可以再次使用。



有许多开发和改进过程可以转换成板,杆或更复杂的形状,如齿轮。 但是,目前,从粉末到钛零件的生产很少。 或粉末掺杂,价格降到可接受的范围(生产部件较低); 或高纯度,昂贵的粉末,生产高强度零件,价格非常高。




国际钛粉公司生产的高品质零件成本仅占当前加工或粉末成型工艺成本的一小部分。 该粉末可用作选择近净成形技术,例如激光沉积和金属注射成型。