Metodo di preparazione dei rottami metallici di titanio

Il titanio e le sue leghe hanno proprietà eccellenti come resistenza alla corrosione a bassa densità e resistenza alle alte temperature. L’industria mondiale del titanio sta vivendo la transizione da un modello unico con l’aerospaziale come mercato principale a un modello diversificato incentrato sullo sviluppo della metallurgia, dell’energia, dei trasporti, dell’industria chimica, della biomedicina e di altri campi civili. Allo stato attuale, il mondo può realizzare la produzione industrializzata di titanio solo in pochi paesi come Stati Uniti, Giappone, Russia, Cina e altri paesi, la produzione annua totale mondiale di titanio è solo di poche decine di migliaia di tonnellate. Ma a causa del significativo valore strategico del titanio e dello status dell'economia nazionale, il titanio diventerà l'ascesa del ferro, dell'alluminio, dopo il "terzo metallo", il 21° secolo sarà il secolo del titanio.

Attuali metodi di produzione del titanio attuale produzione di titanio utilizzando il metodo di riduzione termica del metallo, che si riferisce all'uso di un riducente metallico (R) e di ossidi o cloruri metallici (MX) della reazione per preparare il metallo M. Produzione già industrializzata di metodi metallurgici del titanio per il magnesio metodo di riduzione termica (metodo Kroll) e metodo di riduzione termica del sodio (metodo Hunter). Poiché il metodo Hunter è più costoso del metodo Kroll, l'unico metodo attualmente ampiamente utilizzato nell'industria è il metodo Kroll, che è stato criticato sin dal suo sviluppo nel 1948 per il suo costo elevato e la bassa efficienza di riduzione. Mezzo secolo dopo, il processo non è sostanzialmente cambiato, la produzione è ancora intermittente, non è riuscita a realizzare la produzione continua.

Metodo di produzione del metallo di titanio delle nuove tendenze nell'industria mondiale del titanio dopo decenni di sviluppo, sebbene il metodo Kroll e il metodo Hunter abbiano apportato una serie di miglioramenti, ma sono operazioni intermittenti, piccoli miglioramenti non possono ridurre significativamente il prezzo del titanio. Pertanto, per risolvere radicalmente il problema degli elevati costi di produzione, dovrebbe essere sviluppato un nuovo processo continuo a basso costo. A tal fine, i ricercatori hanno condotto un gran numero di esperimenti e studi. La ricerca attuale si concentra sui seguenti metodi: metodo di riduzione elettrochimica per ridurre i costi, ricerca sulla disossidazione diretta del metallo titanio. Alcune persone all'estero utilizzano metodi elettrochimici per ridurre la concentrazione di ossigeno solido disciolto nel titanio al limite di rilevamento (500 ppm) riportato di seguito. Ritengono che nel processo di disossidazione elettrochimica, il calcio disossidante venga prodotto nell'elettrolisi del sale fuso del cloruro di calcio e O2- venga precipitato sotto forma di CO2 o CO all'anodo. Questo nuovo metodo di elevata purificazione viene utilizzato non solo per la deossigenazione del titanio, ma anche dei metalli delle terre rare come ittrio e neodimio, e può ridurre il contenuto di ossigeno a 10 ppm.

Il metodo elettrochimico di industrializzazione del processo sperimentale è: innanzitutto la polvere di biossido di titanio con colata o stampaggio a pressione, sinterizzato per il catodo, grafite come anodo, CaCl2 come sale fuso, in crogiolo di grafite o titanio per l'elettrolisi. La tensione applicata è compresa tra 2,8 V e 3,2 V, che è inferiore alla tensione di decomposizione di CaCl2 (da 3,2 V a 3,3 V). Dopo un certo tempo di elettrolisi, il catodo è cambiato da bianco a grigio e al SEM è stata osservata la trasformazione di 0,25 μm TiO2 in spugna di titanio da 12 μm. Il motivo principale per utilizzare il cloruro di calcio come sale fuso è il suo basso prezzo e la sua solubilità per O2-, che rende il titanio precipitato difficile da ossidare; inoltre il CaCl2 non è tossico e non inquina l'ambiente.

Rispetto all'elettrolisi del sale fuso TiCl4, le materie prime utilizzate in questo metodo sono ossidi anziché cloruri volatili, quindi il processo di preparazione può essere semplificato e la qualità dei prodotti è elevata; non ci sarà alcuna reazione redox tra gli ioni di valenza del titanio; il gas di precipitazione anodico è ossigeno puro (anodo inerte) oppure una miscela di CO e CO2 (anodo di grafite), facilmente controllabile e non inquinante.

Questo metodo non solo favorisce la reazione di riduzione in prossimità del catodo, ma disossida anche il titanio ottenuto per riduzione. Questo metodo combina la riduzione elettrolitica diretta degli ossidi e la deossigenazione elettrochimica, che è un nuovo metodo di preparazione del titanio, ed è diventato il metodo più importante nel processo di estrazione del titanio. Secondo i dati dell'articolo pubblicato sulla rivista britannica Nature nel 2000, si stima che l'uso di questo metodo riduca il costo di produzione della spugna di titanio di circa 13,000 dollari USA per tonnellata , e l'attuale produzione globale totale compresa tra 50,000 e 60.000 tonnellate farà risparmiare 770 milioni di dollari USA all'anno in costi di produzione se si passa alla produzione di questo metodo elettrochimico.

Metodo Armstrong Amstrong et al. migliorare il metodo Hunter, rendendolo un processo produttivo continuo. Il processo è il seguente: il gas TiCl4 viene prima iniettato in un eccesso di sodio fuso, che funge da agente refrigerante per ridurre il prodotto e portarlo al processo di separazione. Rimuovere il sodio e il sale per ottenere il prodotto in polvere di titanio. Il contenuto di ossigeno nel prodotto è pari al 0,2%, raggiungendo lo standard del titanio secondario. Un leggero miglioramento del processo può produrre leghe VTi, AlTi. Rispetto al metodo Hunter, questo metodo presenta i vantaggi di una produzione continua, di un basso investimento, di un'ampia gamma di applicazioni del prodotto e della possibilità di riciclare i sottoprodotti decomposti in sodio e cloro.

Metodo di riduzione elettrolitica TiCl4 Dal punto di vista del processo elettrolitico, l'uso del metodo elettrolitico TiCl4 è superiore sia ai metodi Kroll che Hunter. Pertanto, fin dall'inizio dello sviluppo del metodo di riduzione termica di Kroll, c'è l'idea di trasformare il processo di fusione del titanio in un metodo elettrolitico.

Il metodo di riduzione elettrolitica TiCl4 è l'unico che un tempo si pensava potesse sostituire il processo Kroll, gli Stati Uniti, l'ex Unione Sovietica, il Giappone, la Francia, l'Italia, la Cina e così via hanno effettuato a lungo termine e in- ricerche approfondite in merito. Il metodo di riduzione elettrolitica del TiCl4 è tecnicamente necessario per convertire TiCl4 in un cloruro di titanio a bassa valenza e dissolverlo nella massa fusa e, allo stesso tempo, è necessario separare l'area del catodo dall'area dell'anodo e rendere sigillato il serbatoio elettrolitico .

Gli italiani hanno lavorato sull'elettrolisi del TiCl4, hanno analizzato i dati dell'elettrolisi di clorazione e hanno scoperto che quando la temperatura è superiore a 900 gradi, non c'è Ti2+ o Ti3+ nell'elettrolita, ma solo Ti 4+ e Ti. Il processo di elettrolisi stabilito su questa base è il seguente: il gas TiCl4 viene iniettato in un elettrolita multistrato e assorbito. Questo strato multifase è costituito da ioni di potassio, calcio, titanio, cloro e fluoro nonché potassio e calcio e separa il catodo di titanio dall'anodo di grafite. Il titanio liquido generato nello strato più basso affonda sul fondo del bagno in un crogiolo di rame con raffreddamento ad acqua per formare lingotti. Tuttavia, la purezza del titanio ottenuto con questo metodo non è elevata e l'efficienza è bassa.

Outlook ha prestazioni superiori e abbondanti risorse di titanio dalla seconda metà del 20° secolo come materiale ideale, ma finora i metalli rari non sono usciti dalla produzione annuale mondiale di titanio di sole decine di migliaia di tonnellate. Poiché il metodo Kroll consiste nel ridurre il tetracloruro di titanio con il magnesio metallico per ottenere un metallo di titanio spugnoso, insieme al lungo processo, all'iterazione di processi multipli e ad altri fattori, con conseguente costo elevato della spugna di titanio, che influisce sull'applicazione del titanio in vari settori, quindi non è ancora stato reso popolare per l'uso in molte aree di applicazione. Tuttavia, riteniamo che con lo sviluppo della scienza e della tecnologia, lo sviluppo di nuovi processi di produzione del metallo titanio, la riduzione dei costi di produzione e l'espansione della scala di produzione, il 21° secolo diventerà davvero il secolo del titanio.