INTRODUCCIÓN
Titanio, conocido como "metal espacial" y "metal oceánico", es liviano, fuerte y{0}resistente a la corrosión. Es un material clave en las industrias aeroespacial, médica y química. ¿Pero sabes qué? El titanio abunda en la corteza terrestre (ocupa el décimo lugar), pero debido a sus propiedades químicas altamente reactivas y su fácil oxidación a altas temperaturas, su extracción es extremadamente difícil. El método Kroll es el principal método de producción industrial, que requiere "cinco pasadas y seis cortes" a lo largo de todo el proceso, con pasos complejos y un alto consumo energético. A continuación se muestra el proceso completo de fabricación del titanio, desde el mineral hasta el producto terminado.
1.Procesamiento de minerales
El titanio "en bruto" extraído de las rocas no existe en forma metálica pura, sino que se almacena principalmente enilmenita(FeTiO₃) yrutilo(TiO₂), siendo el rutilo un mayor contenido de titanio y siendo una materia prima de alta-calidad. Primero, triture y muela el mineral hasta obtener un polvo fino; Luego utilice separación magnética, reselección y otros métodos para separar concentrados con alto contenido de titanio (concentrado de ilmenita o concentrado de rutilo) y eliminar impurezas como hierro y silicio.
2.cloración
El paso central para convertir el titanio en un "intermedio líquido" (tetracloruro de titanio) es transformar el óxido de titanio sólido en tetracloruro de titanio líquido (TiCl ₄) - un líquido incoloro, volátil y altamente corrosivo que facilita la posterior purificación y reducción. Mezclar concentrado de titanio (TiO ₂) con coque (carbón) y colocarlo en un horno de cloración; Calentar a unos 1000 grados e introducir cloro gaseoso (Cl ₂) al mismo tiempo; A alta temperatura, la reacción genera vapor de tetracloruro de titanio, que se enfría para obtener tetracloruro de titanio crudo líquido mezclado con impurezas como cloruro férrico.
3.Purificación
El tetracloruro de titanio crudo requiere purificación mediante destilación. Este método se basa en diferencias de puntos de ebullición. El TiCl₄ hierve a 136,4 grados, mientras que el cloruro de hierro hierve a 315 grados. Se calienta el líquido bruto. La fracción que hierve a 136,4 grados se recoge como TiCl₄ de alta-pureza. Las impurezas más pesadas quedan como residuos.
4.Reducción
El magnesio "compite" por el cloro, dando origen al titanio esponjoso (paso central). Este es el paso más crítico en la producción de titanio y también el núcleo del proceso Kroll - que reduce el tetracloruro de titanio con magnesio metálico para obtener titanio puro. Bombear tetracloruro de titanio puro a un recipiente de reacción cerrado de acero inoxidable, llenar el recipiente con gas argón (gas inerte) y aislar el aire (para evitar la oxidación del titanio y el magnesio); Coloque un lingote de magnesio y caliéntelo a 800-850 grados para derretir el magnesio en estado líquido; El magnesio reacciona violentamente con el tetracloruro de titanio para desplazar al titanio puro; Una vez completada la reacción, el producto se enfría para obtener titanio esponjoso poroso (comúnmente conocido como "titanio esponja") mezclado con cloruro de magnesio y magnesio sin reaccionar.
5.Separación: destilación al vacío, purificación de titanio esponjoso.
Se deben eliminar el cloruro de magnesio y las impurezas de magnesio en la esponja de titanio; de lo contrario, afectará el procesamiento posterior:
- Coloque la mezcla de esponja de titanio en un horno de destilación al vacío y caliéntela a alta temperatura;
- En un ambiente de vacío, el magnesio y el cloruro de magnesio se vaporizarán y se condensarán para su reciclaje (el magnesio se puede reciclar);
- El resultado final es titanio esponjoso con una pureza superior al 99,7%, presentando una estructura gris negra y porosa.
6.Derretimiento
Desde titanio esponjoso hasta lingotes de titanio. El titanio esponjoso es poroso y suelto y no se puede procesar directamente en piezas. Debe fundirse en densos lingotes de titanio. El titanio esponjoso se prensa en electrodos y se coloca en un horno de fusión por arco al vacío (u horno de fusión por haz de electrones); La electricidad se aplica en un entorno de vacío y el arco genera altas temperaturas (que superan los 1668 grados, el punto de fusión del titanio), lo que hace que el titanio esponjoso se funda en titanio líquido; Después del enfriamiento, el titanio líquido se funde en lingotes de titanio -, que es la materia prima básica que se puede utilizar para forjar, laminar y procesar.
7.Procesamiento
Los lingotes de titanio se pueden transformar en diversos productos. Los lingotes de titanio deben someterse a un procesamiento posterior antes de poder transformarlos en los materiales de titanio que vemos.
- Forjar/laminar: calentar lingotes de titanio y forjarlos en varillas, placas o enrollarlos en tubos y láminas mediante una prensa;
- Aleación: Agregar elementos como aluminio y vanadio para fabricar aleaciones de titanio (como TC4) para mejorar la resistencia y la resistencia a altas temperaturas;
- Tratamiento superficial: pulido, anodizado, etc. para mejorar la resistencia a la corrosión y la estética.
¿Por qué el titanio es tan caro?
Después de leer el proceso, comprenderá: alta temperatura durante todo el proceso, protección al vacío/gas inerte, reacción intermitente de múltiples-pasos, consumo de energía extremadamente alto y umbral técnico y costo elevados de los equipos principales (como hornos de vacío y recipientes de reacción). Además, el titanio tiene una fuerte actividad química y es propenso a oxidarse y desecharse durante el procesamiento, lo que aumenta aún más los costos.
Conclusión
Para resumir la fabricación de titanio, es esencialmente una transformación difícil de óxido a cloruro y luego a metal puro: ilmenita/rutilo → cloruro (tetracloruro de titanio) → purificación por destilación → reducción de magnesio (titanio esponjoso) → destilación al vacío → fusión (lingote de titanio) → procesamiento y conformación. Este proceso (método Kroll) se ha utilizado durante más de 80 años y sigue siendo la corriente principal en la industria. Es precisamente por esto que el titanio se ha convertido en un "metal raro" que combina alto rendimiento y alto valor.