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鈦金屬工業(yè)化實(shí)驗(yàn)流程有哪些?

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鈦金屬工業(yè)化實(shí)驗(yàn)流程有哪些?

發(fā)布日期:2017-03-14 作者: 點(diǎn)擊:

鈦是地殼中含量最豐富的元素之一,但是,自從鈦在200多年前被發(fā)現(xiàn)以來,因提煉困難一直被列為稀有金屬的行列。鈦及其合金具有密度小耐腐蝕、耐高溫等優(yōu)異性能。世界鈦工業(yè)正經(jīng)歷著以航空航天為主要市場的單一模式,向冶金、能源、交通、化工、生物醫(yī)藥等民用領(lǐng)域?yàn)橹攸c(diǎn)發(fā)展的多元模式過渡。從20世紀(jì)后半葉起,隨著航空工業(yè)的發(fā)展,鈦冶煉才受到人們的關(guān)注。鈦是高熔點(diǎn)金屬,其密度較小,鈦合金的強(qiáng)度可與高強(qiáng)度鋼相媲美,同時具有很好的耐腐蝕能力,鈦合金的這些優(yōu)點(diǎn),使其當(dāng)之無愧地被稱為“太空金屬”,又具有“海洋金屬”的美譽(yù)。然而,至今為止,全球金屬鈦的產(chǎn)量還不到原鋁產(chǎn)量的1%,也不到鈦白粉產(chǎn)量的1/10。造成這一現(xiàn)象的主要原因在于現(xiàn)行的鈦金屬生產(chǎn)方式的缺陷。目前世界上能進(jìn)行鈦工業(yè)化生產(chǎn)的國家只有美國、日本、俄羅斯、中國等少數(shù)國家,鈦的世界年總產(chǎn)量僅有幾萬噸。但是由于鈦的重大戰(zhàn)略價值和在國民經(jīng)濟(jì)中的地位,鈦將成為繼鐵、鋁之后崛起的“第三金屬”,21世紀(jì)將是鈦的世紀(jì)。

鈦板廠家

鈦板廠家了解到當(dāng)前鈦的生產(chǎn)方法當(dāng)前鈦的生產(chǎn)采用金屬熱還原法,其是指利用金屬還原劑(R)與金屬氧化物或氯化物(M X)的反應(yīng)制備金屬M。已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的鈦冶金方法為鎂熱還原法(Kroll)和鈉熱還原法(Hunter)。因?yàn)?/span>Hunter法比Kroll法生產(chǎn)成本高,所以目前在工業(yè)中廣泛應(yīng)用的方法只有Kroll法。Kroll法從1948年開發(fā)當(dāng)初就因其成本高、還原效率低而受到批評。半個世紀(jì)過去了,該工藝并沒有根本的改變,仍然是間歇式生產(chǎn),未能實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的連續(xù)化。目前,國內(nèi)外鈦金屬主要是以鎂熱還原TiCl4來生產(chǎn)的,稱為Kroll法。其基本流程是:裝有金屬鎂的不銹鋼反應(yīng)器被升溫到950℃,注入精制過的TiCl4,發(fā)生反應(yīng)并放熱,反應(yīng)結(jié)束后副產(chǎn)品MgCl2和剩余的鎂用真空抽走,循環(huán)使用,待反應(yīng)器冷卻后,打開反應(yīng)器獲得海綿鈦。Kroll法自一開始就因其成本高、還原效率低而受到批評。

該法生產(chǎn)成本高的原因主要有:

(1)耗時,全過程從TiO2的氯化開始到生產(chǎn)出海綿鈦需要17天;(2)耗能,吸熱的化學(xué)還原與放熱的化學(xué)還原分別在不同的反應(yīng)器中完成,潛能未能利用,生產(chǎn)1噸鈦耗能6945kW·h;(3)耗力:勞動強(qiáng)度大,反應(yīng)需要在真空及保護(hù)氣氛下進(jìn)行,而且過程非連續(xù),間歇操作;(4)原料貴:MgTiCl4約占成本的71%(5)環(huán)境負(fù)荷大:TiCl4Cl2具有強(qiáng)腐蝕性,生產(chǎn)過程需要在密閉體系中進(jìn)行,不允許有任何泄漏,也因此設(shè)備投資比較大。半個世紀(jì)過去了,該工藝并沒有發(fā)生根本性的改變,仍然是間歇式生產(chǎn),未能實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的連續(xù)化,故生產(chǎn)成本很高。

金屬鈦生產(chǎn)方法的新動向世界鈦工業(yè)經(jīng)過幾十年的發(fā)展,盡管對Kroll法和Hunter法進(jìn)行了一系列的改進(jìn),但它們均是間歇操作,小的改進(jìn)并不能大幅度降低鈦的價格。因此應(yīng)開發(fā)新的、低成本的連續(xù)化工藝才能從根本上解決高生產(chǎn)成本這一問題。為此,研究人員進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)和研究。當(dāng)前研究的重點(diǎn)有以下幾種方法:電化學(xué)還原法為了降低成本,人們對金屬鈦直接除氧進(jìn)行了研究。國外有人用電化學(xué)的方法使鈦中固溶氧的濃度降低到檢出界限(500 ppm)以下。他們認(rèn)為在電化學(xué)除氧的過程中,除氧劑鈣在電解氯化鈣熔鹽時產(chǎn)生,O2-在陽極以CO2CO的形式析出。這種新型高純化方法,不僅用于鈦的脫氧,而且適用于釔、釹等稀土金屬,并且可使氧含量降低到10ppm。 

電化學(xué)的方法的工業(yè)化實(shí)驗(yàn)的流程是:首先將二氧化鈦粉末用澆注或壓力成形,燒結(jié)后作陰極,以石墨為陽極,以CaCl2為熔鹽,在石墨或鈦坩堝中進(jìn)行電解。所加電壓2.8V3.2V,低于CaCl2的分解電壓(3.2V3.3V)。電解一定時間后,陰極由白色變?yōu)榛疑?,?/span>SEM下觀察,0.25μmTiO2轉(zhuǎn)變?yōu)?/span>12μm的海綿鈦。以氯化鈣為熔鹽,最主要的原因是其價格低,并且對O2-具有一定的溶解度,使析出的鈦不易被氧化;另外, CaCl2無毒,對環(huán)境無污染。 TiCl4熔鹽電解相比,此方法所用原料是氧化物而不是易揮發(fā)的氯化物,所以制備過程可以簡化,而且產(chǎn)品質(zhì)量高;不會發(fā)生鈦的各價離子間的氧化還原反應(yīng);陽極析出氣體為純氧氣(惰性陽極)CO、CO2的混合氣體 (石墨陽極),易于控制,無污染。


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