ไทเทเนียม · ความรู้ทางเทคโนโลยี - การผลิตฟองน้ำไทเทเนียม

โลหะไททาเนียมที่ได้จากแร่ดิบเรียกว่าฟองน้ำไททาเนียมเนื่องจากมีลักษณะเป็นรูพรุนและเป็นรูพรุน ไททาเนียมมีมากเป็นองค์ประกอบทางเคมี ในบรรดาธาตุโลหะที่มีมากที่สุดในเปลือกโลก ไทเทเนียมอยู่ในอันดับที่สี่ (รองจาก Al, Fe และ Mg) แร่ชนิดแรกที่ใช้ในการผลิตไททาเนียมคือ รูไทล์ (TiO2) หรืออิลเมไนต์ (FeTiO3) การเตรียมโลหะไททาเนียมจากแร่แร่เหล่านี้ แบ่งออกเป็น 5 ขั้นตอนหรือขั้นตอนต่างๆ ดังต่อไปนี้

(1) แร่ธาตุถูกคลอรีนเพื่อสร้าง TiCl4;

(2) การกลั่นบริสุทธิ์ของ TiCl;

(3) การลด TiCl4 เพื่อผลิตโลหะไททาเนียม [กระบวนการ Kroll]

(4) ขจัดผลพลอยได้ของกระบวนการลดขนาดเพื่อทำให้โลหะไททาเนียมบริสุทธิ์ (ฟองน้ำไททาเนียม)

(5) การบดและคัดเกรดโลหะไททาเนียมเพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์ที่เหมาะสมสำหรับขั้นตอนต่อไปของไททาเนียมบริสุทธิ์เชิงพาณิชย์ (CP ไททาเนียม) และการถลุงโลหะผสมไททาเนียม

กระบวนการคลอรีนไม่ต้องการรูไทล์ที่มีความบริสุทธิ์สูง หากใช้อิลเมไนต์แทนรูไทล์ วัตถุดิบก็คือตะกรันไทเทเนียมที่อุดมไปด้วย TiO2 ซึ่งเป็นผลพลอยได้จากการหลอมอิลเมไนต์ด้วยคาร์บอนในเตาไฟฟ้าเพื่อผลิตเหล็ก ปฏิกิริยาคลอรีนเกิดขึ้นในเตาเดือดที่มี TiO2 สิ่งเจือปน และคาร์บอน (โค้ก) ที่เข้าสู่คลอรีนร่วมกับรูไทล์ ดูรูปที่ 3.1 เมื่อสัมผัสกับคาร์บอน ผลิตภัณฑ์จากปฏิกิริยาได้แก่ เมทัลคลอไรด์ (MClx), CO2, CO และก๊าซ TiCl4 (จุดเดือดของ TiCl4 คือ 136 องศาเซลเซียส) ผลิตภัณฑ์จากปฏิกิริยาเหล่านี้จะถูกปล่อยออกจากท่อบนสุดของเครื่องปฏิกรณ์และเข้าสู่การแยกส่วนโดยตรง หน่วย (ดูรูปที่ 3.2)

สูตรปฏิกิริยาคลอรีนพื้นฐานมีดังนี้:

TiO2 บวก 2Cl2 บวก C→TiCl4 บวก CO2

และ

TiO2 บวก 2Cl2 บวก 2C → TiCl4 บวก 2CO

ขั้นตอนที่สองในกระบวนการผลิตคือขั้นตอนการกลั่น เนื่องจาก TiCl4 หลักจากขั้นตอนคลอรีนจำเป็นต้องทำให้บริสุทธิ์เพิ่มเติม การทำให้บริสุทธิ์ทำได้โดยการกลั่นแบบเศษส่วนของ TiCl4 ดังแสดงในรูปที่ 3.2 ซึ่งแสดงกระบวนการทำให้บริสุทธิ์ด้วยการกลั่นแบบสองขั้นตอน ขั้นตอนแรกคือการกำจัดสิ่งเจือปนที่มีจุดเดือดต่ำ เช่น CO และ CO2 และขั้นตอนที่สองคือการกำจัดสิ่งเจือปนที่มีจุดเดือดสูง เช่น SiCl4 และ SnCl4 TiC4 บริสุทธิ์ได้รับการจัดเก็บภายใต้การป้องกันก๊าซเฉื่อยจนกว่าจะใช้งาน

ขั้นตอนต่อไปในกระบวนการผลิตคือการลด TiCl4 ซึ่งเป็นกระบวนการ Kroll TiCl4 บริสุทธิ์จะถูกเติมลงในเครื่องปฏิกรณ์ที่เติมด้วยโลหะแมกนีเซียมและเติมด้วยก๊าซเฉื่อย เมื่อถูกความร้อนถึง 800~850 องศา จะเกิดปฏิกิริยารีดักชันทั่วไปดังต่อไปนี้:

TiCl4 บวก 2Mg→Ti บวก 2MgCl2

ปฏิกิริยาเสร็จสมบูรณ์โดยสองขั้นตอนต่อไปนี้:

TiCl4 บวก Mg→TiCl2 บวก MgCl2

ติดตามโดย

TiCl2 บวก Mg→Ti บวก MgCl2

แผนผังของเครื่องปฏิกรณ์รีดักชั่น Kroll แสดงในรูปที่ 3.3 เครื่องปฏิกรณ์รีดักชันทางด้านซ้ายควบคู่กับเครื่องกลั่นสุญญากาศทางด้านขวา ปฏิกิริยาการรีดักชันได้รับการศึกษาครั้งแรกโดย Kroll ในช่วงปลายทศวรรษที่ 1930 และกระบวนการในการลด TiCl4 ด้วย Mg ยังคงเรียกว่ากระบวนการ Kroll โลหะไทเทเนียมของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายที่ลดลงโดยสูตรปฏิกิริยาข้างต้นนั้นค่อนข้างบริสุทธิ์ แต่ไทเทเนียมโลหะบริสุทธิ์จะผสมกับ MgCl2 ด้วยความคืบหน้าของกระบวนการลดขนาด Kroll MgCl2 ส่วนใหญ่จะถูกลบออกอย่างต่อเนื่อง แต่มีปริมาณที่เหลือบางส่วน การกำจัดจะถูกกล่าวถึงในขั้นตอนการทำให้บริสุทธิ์ของโลหะไททาเนียมที่ตามมา

เนื่องจากปฏิกิริยารีดักชันเป็นปฏิกิริยาคายความร้อน อัตราการเติม TiCl4 ลงในเครื่องปฏิกรณ์ที่ประกอบด้วย Mg ควรอยู่ภายใต้อุณหภูมิที่ควบคุมได้ ซึ่งจำเป็นในการป้องกันการก่อตัวของสารตั้งต้นที่เป็นของแข็งที่มีความหนาแน่นสูง และขัดขวางการระเหยของผลิตภัณฑ์อื่นๆ ผลคูณของปฏิกิริยานี้คือส่วนผสมของโลหะไททาเนียมและ MgCl2 ที่เรียกว่า "บล็อกฟองน้ำไททาเนียม" ซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์ของกระบวนการ Kroll

ในช่วงต้นปี 1910 ฮันเตอร์ยืนยันว่า TiCl4 สามารถลดลงได้ด้วย Na ที่หลอมละลาย และวิธีการเตรียมฟองน้ำไททาเนียมนี้เรียกว่าวิธีฮันเตอร์ ระหว่างปี 1960 ถึง 1995 ฟองน้ำไทเทเนียมจำนวนมากถูกผลิตขึ้นโดยใช้วิธีนี้ ปัจจุบันยังไม่มีโรงงานผลิตไทเทเนียมฟองน้ำขนาดใหญ่ที่ใช้วิธีนี้ สาเหตุหลักมาจากการใช้แมกนีเซียมเป็นตัวรีดิวซ์มีความน่าดึงดูดใจมากกว่าการใช้โซเดียมในมุมมองทางเศรษฐกิจ

ขั้นตอนต่อไปในกระบวนการผลิตคือการทำให้ไทเทเนียมโลหะบริสุทธิ์ ซึ่งก็คือการกำจัด MgCl2 ที่ตกค้างออกจากบล็อกฟองน้ำไททาเนียม สามารถแยก MgCl2 ออกได้ด้วยวิธีใดวิธีหนึ่งต่อไปนี้: การชะล้างด้วยกรด การล้างก๊าซเฉื่อย หรือการกลั่นด้วยสุญญากาศ วิธีแรกใช้ประโยชน์จากความสามารถในการละลายพิเศษของ MgCl2 ในสารละลายที่เป็นกรด และสามารถขจัด MgCl2 ออกจากฟองน้ำไททาเนียมที่กระจัดกระจายได้โดยใช้วิธีการชะแยกซึ่งไม่ได้ใช้กันอย่างแพร่หลายอีกต่อไป วิธีอื่นๆ มีข้อได้เปรียบในการกำจัด MgCl ในเครื่องปฏิกรณ์ Kroll โดยตรง วิธีการเหล่านี้ใช้ประโยชน์จากความดันไอสูงของ MgCl ในการคัดเลือกเอา MgCl ออกโดยการระเหยตามด้วยการควบแน่นเพื่อนำ Mg และ Cl กลับคืนมาจากฟองน้ำไททาเนียม และกฎของก๊าซเฉื่อยคือการใช้อาร์กอนเป็นตัวพาในการขนส่งไอของ MgCl2

รูปที่ 3.3 เป็นแผนผังของกระบวนการกลั่นด้วยสุญญากาศ (VDP) ในกระบวนการนี้ บล็อกฟองน้ำไททาเนียมถูกทำให้ร้อนภายใต้สุญญากาศในเครื่องปฏิกรณ์ Kroll ทางด้านซ้าย ในขณะนี้ MgCl2 ที่ระเหยได้และ Mg ของโลหะส่วนเกินเกิดจากแรงดันไอและถูกควบแน่นในภาชนะอื่น (ดูภาชนะด้านขวาในรูปที่ 3.3) ซึ่งหลังจากการเติม Mg ใหม่จะทำหน้าที่เป็นเครื่องปฏิกรณ์ Kroll สำหรับช่วงการลดถัดไป ในขณะที่ คอนเทนเนอร์ที่มีบล็อกฟองน้ำไททาเนียมทางด้านซ้ายในรูปที่ 3.3 ถูกแทนที่ด้วยถังเปล่าซึ่งเป็นกระบวนการกึ่งต่อเนื่องที่มีข้อได้เปรียบที่ประหยัด ในบรรดากระบวนการทำให้บริสุทธิ์ทั้งสามของฟองน้ำไทเทเนียม บล็อกฟองน้ำไทเทเนียมที่บำบัดด้วยกระบวนการกลั่นด้วยสุญญากาศ (VDP) มีปริมาณสารระเหยต่ำที่สุด เนื่องจากการถ่ายโอนมวลในเครื่องปฏิกรณ์ภายใต้กระบวนการกลั่นด้วยสุญญากาศ (VDP) ที่อุณหภูมิสูง (700~850 องศา ) นั่นคือ ฟองน้ำไทเทเนียมจะดูดซับ Fe และ Ni จำนวนเล็กน้อยจากเครื่องปฏิกรณ์สแตนเลส ในบรรดา superalloys Ni โดยเฉพาะอย่างยิ่ง Undesirable เนื่องจากปริมาณ Ni ที่เกินขีดจำกัดจะลดความแข็งแรงของการคืบ ซึ่งเป็นจริงในการเผาผนึกบล็อคฟองน้ำไททาเนียม

ในทั้งสองกระบวนการ (การกำจัดก๊าซเฉื่อยและ VDP) Mg และ Cl2 จะถูกนำกลับมาใช้ใหม่และนำกลับมาใช้ใหม่ ในปัจจุบัน การผลิตฟองน้ำไททาเนียมโดยการลดระดับ Mg ได้บรรลุถึงการผลิตแบบวงปิดแบบแบทช์ แต่จำเป็นต้อง "ผสม" ปริมาณ Mg และ Cl2 ที่เหมาะสมระหว่างแบทช์

ขั้นตอนสุดท้ายในกระบวนการผลิตคือการบดและคัดเกรดของฟองน้ำไทเทเนียม หลังจากขจัด Mg และ MgCl2 ส่วนเกินออกไป ฟองน้ำไทเทเนียมจำนวนมากก็แตกออกเป็นไททาเนียมที่เป็นโลหะ หลังจากการบดและการจำแนกประเภทแล้ว เกรดที่หยาบกว่าของฟองน้ำไททาเนียมจะถูกตัดออกเพื่อลดขนาดลงอีก การบดและการตัดจะดำเนินการในอากาศ แต่ควรระมัดระวังเพราะไททาเนียมเป็นสารที่อาจลุกไหม้ได้ และแหล่งกำเนิดประกายไฟใดๆ ที่เกิดขึ้นระหว่างการทำงานจะทำให้เกิดพื้นที่ที่มีไนโตรเจนสูงและทำให้ฟองน้ำไททาเนียมปนเปื้อน ส่งผลให้เกิดการหลอมเหลวตามมา ข้อบกพร่อง อุณหภูมิการทำงานที่สูงขึ้นของกระบวนการ VDP ทำให้ยากต่อการแบ่งส่วนบล็อคฟองน้ำไทเทเนียม เว้นแต่จะมีคำขอพิเศษ ผู้ผลิตฟองน้ำไททาเนียมจะไม่ดำเนินการผลิตผลิตภัณฑ์ที่มีขนาดอนุภาคเฉลี่ยจริงน้อยกว่า 3 ~ 5 ซม. ซึ่งไม่เพียงช่วยลดต้นทุนการดำเนินการในการบดและตัดเพิ่มเติม แต่ยังหลีกเลี่ยงความเสี่ยงจากไฟไหม้ ในฟองน้ำไททาเนียมระหว่างการดำเนินการเหล่านี้ . ขนาดอนุภาคฟองน้ำไทเทเนียมที่ต้องการหรือเฉพาะเจาะจงขึ้นอยู่กับผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายที่จะผลิต ฟองน้ำไทเทเนียมเกรดหยาบ (สูงถึง 2.5 ซม.) สามารถใช้เพื่อผลิตไทเทเนียมบริสุทธิ์เชิงพาณิชย์ (ไทเทเนียม CP) และเกรดมาตรฐานส่วนใหญ่ของโลหะผสมไทเทเนียม ในสาขาที่มีประสิทธิภาพสูง เช่น ใบพัดเครื่องยนต์อากาศยาน ต้องใช้ฟองน้ำไททาเนียมที่มีขนาดอนุภาคเล็กกว่า (สูงสุด 1 ซม.) ซึ่งพิจารณาจากข้อบกพร่องด้านความเสถียรของช่องว่างในการใช้งานวัสดุเกรดใบมีดเป็นหลัก ขนาดอนุภาคของฟองน้ำไททาเนียมดังกล่าวเป็นดังแสดงในรูปที่ 3.4

สำหรับกระบวนการผลิตของโลหะไททาเนียมอื่นๆ การวิจัยได้ดำเนินการมาหลายปีแล้ว และการวิจัยส่วนใหญ่ทุ่มเทเพื่อลดต้นทุนการผลิตฟองน้ำไททาเนียม แต่โดยทั่วไปแล้วจะไม่ประสบผลสำเร็จ การผลิตไททาเนียมด้วยไฟฟ้า (หรือที่เรียกว่า electrowinning) เป็นตัวอย่างที่น่าสนใจ และ Dow-Howmet ประสบความสำเร็จในการสร้างโรงงานสาธิตขนาดนำร่องในสหรัฐอเมริการะหว่างปี 1975 และ 1985 [3.3 ] เนื่องจากภาวะตกต่ำของตลาดไททาเนียมในขณะนั้น ไม่สามารถดำเนินการผลิตขนาดใหญ่ได้ ดังนั้นจึงอาจกล่าวได้ว่า ในความเป็นจริง ระบบที่มีความน่าเชื่อถือเพียงพอที่จะดำเนินการลดปริมาณอิเล็กโทรไลต์ขนาดใหญ่นั้นยังไม่เกิดขึ้นจริง และปัญหาที่ต้องตรวจสอบคือการปิดผนึกการลดปริมาณอิเล็กโทรไลต์ขนาดใหญ่ ความสามารถของเซลล์ในการรักษาสภาพแวดล้อมการทำงานที่สะอาดและความเสถียรในระยะยาวของอิเล็กโทรด

นอกจากนี้ ความพยายามล่าสุดในการผลิตไททาเนียมที่มีความบริสุทธิ์สูงผ่านการกลั่นด้วยไฟฟ้าก็ประสบความสำเร็จอย่างมากทั้งในด้านเทคนิคและในเชิงเศรษฐกิจ ขั้นแรกการกลั่นด้วยไฟฟ้าจะละลายไททาเนียมที่ไม่บริสุทธิ์ในอิเล็กโทรไลต์ จากนั้นจึงนำไทเทเนียมที่มีความบริสุทธิ์สูงมาสะสมใหม่ ด้วยการควบคุมสภาวะการสะสมตัวและความบริสุทธิ์ของอิเล็กโทรไลต์อย่างระมัดระวัง คุณจะได้ผลิตภัณฑ์ที่มีความบริสุทธิ์สูง และโลหะที่มีความบริสุทธิ์สูงนี้สามารถทำให้เป็นเป้าหมายการสปัตเตอร์สำหรับการผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ความเป็นไปได้ทางเศรษฐกิจของการกลั่นด้วยไฟฟ้าของไททาเนียมคือผู้ใช้ที่ใช้วัสดุไททาเนียมที่มีความบริสุทธิ์สูงใช้ผลิตภัณฑ์ที่มีมูลค่าเพิ่มสูงในปริมาณที่ค่อนข้างน้อย ซึ่งแตกต่างอย่างสิ้นเชิงจากการใช้วัสดุโครงสร้างในแง่ของความประหยัด

ปัจจุบันกำลังศึกษากระบวนการใหม่ในการเตรียมฟองน้ำไทเทเนียมแบบเจาะลึก ซึ่งเรียกว่า Electro-Deoxidation (EDO)TM กระบวนการ EDO ใช้สระหลอมเหลว CaCl2 และอิเล็กโทรดกราไฟต์เพื่อแยกออกซิเจนออกจากไอออนที่ประกอบด้วยไททาเนียมออกไซด์ผ่านอิเล็กโทรลิซิส ซึ่งจะเปลี่ยนแคโทด TiO2 ที่อัดแน่นหรือเผาให้เป็นไททาเนียม และไททาเนียมโลหะที่มีรูพรุนจะตกตะกอนบนแคโทดเดิมหลังปฏิกิริยา . โดยหลักการแล้ว หากปริมาณออกซิเจนขององค์ประกอบโลหะผสมที่ต้องการผสมกับออกซิเจนแคโทดและลดค่าอิเล็กโทรไลต์ด้วย TiO2 กระบวนการนี้ยังมีความสามารถในการเตรียมฟองน้ำไททาเนียมที่ผสมไว้ล่วงหน้า แต่ผลที่ได้จากกระบวนการนี้มีข้อจำกัดมาก และ ความเป็นไปได้ของการผลิตขนาดใหญ่ยังคงต้องได้รับการวิเคราะห์และให้เหตุผล กระบวนการนี้น่าตื่นเต้น อย่างไรก็ตาม ด้วยเหตุผลหลายประการ ขั้นแรก มันสามารถเตรียมฟองน้ำไทเทเนียมที่ผสมไว้ล่วงหน้าได้ ซึ่งจะละเว้นขั้นตอนของการเตรียมฟองน้ำไทเทเนียม การผสมองค์ประกอบโลหะผสม การบดอัดทางกล ฯลฯ ซึ่งทั้งหมดนี้มีไว้สำหรับการเตรียมอิเล็กโทรดหลอมเริ่มต้นสำหรับการหลอมโลหะแท่ง ซึ่งจะมาก ลดต้นทุนการผลิต ประการที่สอง กระบวนการนี้มีความสามารถในการเพิ่มองค์ประกอบโลหะผสม (เช่น W, Cu ฯลฯ) ลงในไทเทเนียม ซึ่งยากต่อการปฏิบัติสำหรับแท่งโลหะแบบดั้งเดิม ซึ่งจะกล่าวถึงในภายหลัง กระบวนการใหม่นี้เปิดโอกาสให้สามารถเลือกองค์ประกอบโลหะผสมหลายตัวพร้อมกัน ซึ่งก่อนหน้านี้ไม่สามารถทำได้เนื่องจากข้อจำกัดของการหลอม ความเป็นไปได้ทางเทคนิคของกระบวนการ EDO ได้รับการยืนยันแล้ว แต่รายละเอียดมากมายหลังจากการปรับขนาด ตั้งแต่ความสามารถในการทำซ้ำไปจนถึงต้นทุนการผลิต ยังคงต้องมีการวิจัยและวิเคราะห์เชิงลึก แม้ว่าจะยังไม่ชัดเจนว่ากระบวนการ EDO จะวางจำหน่ายในเชิงพาณิชย์ในอนาคตหรือไม่ แต่มีการกล่าวถึงที่นี่เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงที่ปฏิวัติวงการ

ติดต่อเราสำหรับข้อมูลเพิ่มเติม. ขอขอบคุณ

นิโคล

บริษัท: Baoji Jimiyun Dynamic Co., Ltd

ประเทศ:จีน

เพิ่ม: ถนนเป่าติ จินไถ เมืองเป่าจี ส่านซี ประเทศจีน

เซลล์: บวก 86 13369210920

Gmail:nicole@jmyunti.com

เว็บไซต์:www.jm-titanium.com