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当金属钛的制取方法术

发布时间:2021-09-11 19:38:34 阅读: 来源:成型模厂家

金属钛的制取方法术

  钛及其合金具有密度小耐腐蚀、耐高温等优异性能。世界钛工业正经历着以航空航天为主要市场的单一模式,向冶金、能源、交通、化工、生物医药等民用领域为重点发展的多元模式过渡。目前世界上能进行钛工业化生产的国家只有美国、日本、俄罗斯、中国等少数国家,钛的世界年总产量仅有几万吨。但是由于钛的重大战略价值和在国民经济中的地位,钛将成为继铁、铝之后崛起的“第三金属”,21世纪将是钛的世纪。

    当前钛的生产方法当前钛的生产采用金属热还原法,其是指利用金属还原剂(R)与金属氧化物或氯化物(MX)的反应制备金属M。已经实现工业化生产的钛冶金方法为镁热还原法(Kroll法)和钠热还原法(Hunter法)。因为Hunter法比Kroll法生产成本高,所以目前在工业中广泛应用的方法只有Kroll法。Kroll法从1948年开发当初就因其成本高、还原效率低而受到批评。半个世纪过去了,该工艺并没有根本的改变,仍然是间歇式生产,未能实现生产的连续化。

    金属钛生产方法的新动向世界钛工业经过几十年的发展,尽管对Kroll法和Hunter法进行了一系列的改进,但它们均是间歇操作,小的改进并不能大幅度降低钛的价格。因此应开发新的、低成本的连续化工艺才能从根本上解决高生产成本这一问题。为此,研究人员进行了大量的实验和研究。当前研究的重点有以下几种方法:电化学还原法为了降低成本,人们对金属钛直接除氧进行了研究。国外有人用电化学的方法使钛中固溶氧的浓度降低到检出界限(500ppm)以下。他们认为在电化学除氧的过程中,除氧剂钙在电解氯化钙熔盐时产生,O2-在阳极以CO2或CO的形式析出。这种新型高纯化方法,不仅用于钛的脱氧,而且适用于钇使指针回零、钕等稀土金属,并税收到达15亿元且可使氧含量降低到10ppm。

    电化学的方法的工业化实验的流程是:首先将二氧化钛粉末用浇注或压力成形,烧结后作阴极,以石墨为阳极,以CaCl2为熔盐,在石墨或钛坩埚中进行电解。所加电压2.8V3.起落导轮调理不正~3.2V,低于CaCl2的分解电压(3.2V~3.3V)。电解一定时间后,阴极由白色变为灰色,在SEM下观察,0.25μm的TiO2转变为12μm的海绵钛。以氯化钙为熔盐,最主要的原因是其价格低,并且对O2-具有一定是行业的幸事的溶解度,使析出的钛不易被氧化;另外,CaCl2无毒,对环境无污染。

    与TiCl4熔盐电解相比,此方法所用原料是氧化物而不是易挥发的氯化物,所以制备过程可以简化,而且产品质量高;不会发生钛的各价离子间的氧化还原反应;阳极析出气体为纯氧气(惰性阳极)或CO、CO2的混合气体(石墨阳极),易于控制,无污染。

    该法不仅促进了阴极附近的还原反应,同时使还原得到的钛脱氧。这种方法将氧化物的直接电解还原和电化学脱氧法相结合,是制备钛的一种新型方法,成为钛提取工艺中最引人注目的方法。根据2000年英国自然杂志发表论文的数据估算,采用该方法,每吨海绵钛降低生产成本13000美元左右,目前全球五六万吨的总产量如果改由该电化学方法生产,每年将节省7.7亿美元的生产成本。

    Armstrong法Amstrong等对Hunter法进行改进,使之成为连续化生产工艺。其流程是:首先将TiCl4气体注入过量熔融的钠中,过量的钠起冷却还原产物并携带产物进入分离工序的作用。除去钠和盐即可得到产品钛粉。产品中氧含量最低为0.2%,达到二级钛的标准。对工艺略加改进,可生产VTi、AlTi合金。与Hunter法相比,该方法的具有连续化生产、投资少、产品应用范围广、副产物分解为钠和氯气可循环利用的优点。

   

    该方法已经接近了工业化生产,但仍然存在几个问题,如怎样进一步降低氧含量,产品成本如何等。

    TiCl4电解还原法从电解工艺过程角度看,采用TiCl4电解法比Kroll法和Hunter法均具有优越性。因此,从Kroll开发热还原法当初就有将钛的冶炼过程转变为电解法的想法。

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