INTRODUÇÃO
Titânio, conhecido como "metal espacial" e "metal oceânico", é leve, forte e resistente-à corrosão. É um material chave nas indústrias aeroespacial, médica e química. Mas você sabe o que? O titânio é abundante na crosta terrestre (classificado em 10º), mas devido às suas propriedades químicas altamente reativas e fácil oxidação em altas temperaturas, a extração é extremamente difícil. O método Kroll é o principal método de produção industrial, que requer “cinco passagens e seis cortes” ao longo de todo o processo, com etapas complexas e alto consumo de energia. Abaixo está o processo completo de fabricação do titânio, desde o minério até o produto acabado
1. Processamento mineral
O titânio “bruto” extraído das rochas não existe na forma metálica pura, mas é armazenado principalmente emilmenita(FeTiO₃) erutilo(TiO₂), sendo que o rutilo tem maior teor de titânio e é uma matéria-prima de{0}alta qualidade. Primeiro, esmague e moa o minério até formar um pó fino; Em seguida, use separação magnética, reseleção e outros métodos para separar concentrados com alto teor de titânio (concentrado de ilmenita ou concentrado de rutilo) e remover impurezas como ferro e silício.
2. Cloração
A etapa principal da conversão do titânio em um "intermediário líquido" (tetracloreto de titânio) é transformar o óxido de titânio sólido em tetracloreto de titânio líquido (TiCl ₄) - um líquido incolor, volátil e altamente corrosivo que facilita a purificação e redução subsequentes. Misture concentrado de titânio (TiO ₂) com coque (carbono) e coloque em forno de cloração; Aqueça até cerca de 1000 graus e introduza gás cloro (Cl ₂) ao mesmo tempo; Sob alta temperatura, a reação gera vapor de tetracloreto de titânio, que é resfriado para obter tetracloreto de titânio bruto líquido misturado com impurezas como o cloreto férrico.
3.Purificação
O tetracloreto de titânio bruto requer purificação por destilação. Este método depende de diferenças de ponto de ebulição. TiCl₄ ferve a 136,4 graus, enquanto o cloreto de ferro ferve a 315 graus. O líquido bruto é aquecido. A fração que ferve a 136,4 graus é coletada como TiCl₄ de alta pureza. Impurezas mais pesadas permanecem como resíduo.
4.Redução
O magnésio "competiu" pelo cloro, dando origem ao titânio esponjoso (etapa central). Esta é a etapa mais crítica na produção de titânio e também o núcleo do processo Kroll - reduzindo o tetracloreto de titânio com magnésio metálico para obter titânio puro. Bombeie tetracloreto de titânio puro em um recipiente de reação fechado de aço inoxidável, encha o recipiente com gás argônio (gás inerte) e isole o ar (para evitar a oxidação de titânio e magnésio); Coloque um lingote de magnésio e aqueça-o a 800-850 graus para derreter o magnésio em estado líquido; O magnésio reage violentamente com o tetracloreto de titânio para substituir o titânio puro; Após a conclusão da reação, o produto é resfriado para obter uma esponja porosa semelhante ao titânio (comumente conhecida como "esponja de titânio") misturada com cloreto de magnésio e magnésio não reagido.
5.Separação: Destilação a vácuo, purificação de esponja de titânio
O cloreto de magnésio e as impurezas de magnésio no titânio esponjoso devem ser removidos, caso contrário, afetarão o processamento subsequente:
- Coloque a mistura de esponja de titânio em um forno de destilação a vácuo e aqueça-a em alta temperatura;
- Num ambiente de vácuo, o magnésio e o cloreto de magnésio vaporizarão e serão condensados para reciclagem (o magnésio pode ser reciclado);
- O resultado final é um titânio esponja com pureza superior a 99,7%, apresentando uma estrutura cinza preta e porosa.
6. Derretimento
Do titânio esponja aos lingotes de titânio. O titânio esponja é poroso e solto e não pode ser processado diretamente em peças. Deve ser derretido em densos lingotes de titânio. O titânio esponja é pressionado em eletrodos e colocado em um forno de fusão a arco a vácuo (ou forno de fusão por feixe de elétrons); A eletricidade é aplicada em um ambiente de vácuo, e o arco gera altas temperaturas (excedendo 1.668 graus, o ponto de fusão do titânio), fazendo com que o titânio esponjoso derreta em titânio líquido; Após o resfriamento, o titânio líquido é fundido em lingotes de titânio - esta é a matéria-prima básica que pode ser usada para forjamento, laminação e processamento.
7. Processamento
Lingotes de titânio podem ser transformados em diversos produtos. Os lingotes de titânio precisam passar por processamento subsequente antes de serem transformados nos materiais de titânio que vemos.
- Forjamento/laminação: Aquecimento de lingotes de titânio e forjamento deles em hastes, placas ou enrolados em tubos e folhas usando uma prensa;
- Liga: Adicionar elementos como alumínio e vanádio para fazer ligas de titânio (como TC4) para aumentar a resistência e resistência a altas temperaturas;
- Tratamento de superfície: polimento, anodização, etc. para aumentar a resistência à corrosão e a estética.
Por que o titânio é tão caro?
Depois de ler o processo, você entenderá: alta temperatura durante todo o processo, proteção contra vácuo/gás inerte, reação intermitente em várias-etapas, consumo de energia extremamente alto e alto limite técnico e custo de equipamentos principais (como fornos a vácuo e vasos de reação). Além disso, o titânio possui forte atividade química e está sujeito à oxidação e sucata durante o processamento, aumentando ainda mais os custos.
Conclusão
Para resumir a fabricação de titânio, é essencialmente uma difícil transformação de óxido em cloreto e depois em metal puro: ilmenita/rutilo → cloreto (tetracloreto de titânio) → purificação por destilação → redução de magnésio (titânio esponja) → destilação a vácuo → fusão (lingote de titânio) → processamento e modelagem. Este processo (método Kroll) tem sido usado há mais de 80 anos e ainda é o principal na indústria. É justamente por isso que o titânio se tornou um “metal raro” que combina alto desempenho e alto valor.