Титан богат земной корой, и Китай занимает первое место в мире по запасам титана: доказанные запасы составляют примерно 38,8% от общемировых запасов. Эти ресурсы распределены по более чем 100 горнодобывающим районам в более чем 20 провинциях и регионах, в основном сосредоточенных в юго-западных, центрально-южных и северных регионах Китая. В частности, ванадий-титан-магнетитовые месторождения в регионе Паньси известны во всем мире своими значительными запасами, на которые приходится 92% титановых ресурсов Китая, что обеспечивает прочную основу для титановой промышленности страны. Однако нынешний процесс производства титана характеризуется длительными технологическими циклами, высоким энергопотреблением и сильным загрязнением, что приводит к высоким ценам и ограничивает его широкое использование. Следовательно, разработка новых недорогих методов производства титана имеет первостепенное значение для ускорения перехода Китая из страны с крупными ресурсами титана в центр производства титана.
Традиционный процесс металлургии титана
Традиционный процесс выплавки титана, известный как «процесс Кролла», включает восстановление тетрахлорида титана (TiCl4) металлическим натрием или магнием с получением металлического титана. Поскольку титан производится при температуре ниже его температуры плавления, он существует в губчатой форме, отсюда и название «губчатый титан». Процесс Кролла состоит из трех основных стадий: подготовка материалов с высоким содержанием титана, производство TiCl4, а также восстановление и дистилляция для получения губчатого титана.
Новые титановые металлургические процессы
Чтобы снизить себестоимость производства металлического титана, исследователи изучили множество новых методов экстракции, включая электролиз TiCl4, процесс ITP (Армстронг), процесс FFC, процесс OS, процесс предварительного восстановления (PRP), процесс QT, процесс MER и процесс USTB. .
Электролиз TiCl4 для производства титана
Оксиды и хлориды титана могут служить сырьем для промышленного производства титана. Однако только хлорид титана использовался в качестве прекурсора для производства металлического титана из-за его способности эффективно удалять примеси кислорода и углерода. Текущие исследования сосредоточены на получении и очистке TiCl4 с использованием таких методов, как термическое восстановление натрия, восстановление кислорода, восстановление водорода и прямой электролиз.
Процесс Армстронг/ITP (Международный титановый порошок)
Основанная в 1997 году компания ITP со штаб-квартирой в Чикаго, США, использует газообразный натрий для восстановления TiCl4, что обеспечивает непрерывное производство титанового порошка. Этот метод включает впрыскивание паров TiCl4 в поток газообразного натрия с образованием порошка титана и NaCl, которые впоследствии разделяются путем перегонки, фильтрации и промывки. Этот процесс может похвастаться высокой чистотой продукта и экологичностью, но остаются проблемы в снижении производственных затрат и повышении качества продукции.
Процесс FFC (Кембриджский процесс)
Предложенный в 2000 году профессором DJ Fray и его сотрудниками из Кембриджского университета процесс FFC включает электролиз твердого оксида титана в качестве катода, графита в качестве анода и расплава хлорида щелочноземельного металла в качестве электролита. Этот метод экологически безопасен, имеет короткий производственный цикл, но сталкивается с такими проблемами, как высокое содержание кислорода в продукте и нарушение непрерывности процесса.
Процесс ОС
В этом процессе, разработанном компаниями One и Suzuki в Японии, используется кальций, полученный электролитическим путем, для восстановления TiO2 до металлического титана. Процесс протекает в расплаве Ca/CaO/CaCl2 с порошком оксида титана, помещенным в катодную корзину. Этот метод обещает значительное снижение затрат, но позволяет получить металлический титан с относительно высоким содержанием кислорода.
Процесс PRP
Этот метод, предложенный японскими учеными, смешивает TiO2 с флюсами, такими как CaO или CaCl2, формирует смесь, спекает ее и подвергает воздействию паров кальция при высоких температурах для получения титанового порошка. Полученный порошок может достигать чистоты 99% с пониженным содержанием кислорода.
Процесс обеспечения качества
Этот процесс, разработанный компанией Quebec Iron and Titanium Inc., включает электролиз титанового шлака в среде расплавленной соли для получения металлического титана. Процесс может осуществляться в одну или две стадии в зависимости от содержания титана и уровня примесей в шлаке.
Процесс MER
Этот процесс, разработанный корпорацией MER, использует TiO2 или рутил в качестве анода и смесь хлоридов в качестве электролита. Во время электролиза анод выделяет смесь газов CO и CO2, а на катоде ионы титана восстанавливаются до металлического титана.
Процесс USTB
В 2005 году профессор Чжу Хунмин и его команда из Пекинского университета науки и технологий предложили новый метод извлечения губчатого титана посредством электролиза расплавленной соли — электролиз анода TiO·mTC, растворимого твердого раствора TiO2 и TiC, производить чистый титан.
Этот метод включает смешивание порошков углерода и диоксида титана или карбида титана и диоксида титана в стехиометрических пропорциях, прессование их в форму, а затем при определенных условиях формирование анода TiO·mTC с металлической проводимостью. Используя расплавленную соль галогенидов щелочных или щелочноземельных металлов в качестве электролита, электролиз проводят при определенной температуре. В ходе этого процесса титан растворяется в расплавленной соли в виде низковалентных ионов и откладывается на катоде, а углерод и кислород, содержащиеся в аноде, образуют газообразные оксиды углерода (СО, СО2) или кислород (О2), которые выделяются. . Этот метод позволяет производить порошок металлического титана высокой чистоты с содержанием кислорода менее 300×10-6, соответствующий национальному первоклассному стандарту, и достигая эффективности катодного тока до 89%.
К заметным преимуществам этого метода относятся возможность непрерывного проведения процесса электролиза без образования анодного шлама, простота процесса, дешевизна и экологичность.
Извлечение металлического титана является важной областью исследований в металлургии, а процесс электролиза расплавленных солей считается наиболее многообещающей альтернативой процессу Кролла в металлургии титана. Учитывая огромные запасы и критическое значение ресурсов титана, комплексное использование ванадисодержащего титаномагнетита имеет большое значение. При рассмотрении текущего состояния исследований и разработок процессов экстракции титана процессы с использованием TiCl4 в качестве прекурсора обычно сталкиваются с трудностями в снижении затрат, тогда как прямое получение металлического титана из TiO2 заслуживает дальнейшего углубленного исследования. Если технические проблемы удастся преодолеть, применение в промышленных масштабах может стать возможным.
