金屬鈦生產(chǎn)及防止污染方法
金屬鈦生產(chǎn)方法的新動向世界鈦工業(yè)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，盡管對Kroll法和Hunter法進(jìn)行了一系列的改進(jìn)，但它們均是間歇操作，小的改進(jìn)并不能大幅度降低鈦的價格。因此應(yīng)開發(fā)新的、低成本的連續(xù)化工藝才能從根本上解決高生產(chǎn)成本這一問題。為此，研究人員進(jìn)行了大量的實驗和研究。當(dāng)前研究的重點有以下幾種方法：電化學(xué)還原法為了降低成本，人們對金屬鈦直接除氧進(jìn)行了研究。國外有人用電化學(xué)的方法使鈦中固溶氧的濃度降低到檢出界限(500ppm)以下。他們認(rèn)為在電化學(xué)除氧的過程中，除氧劑鈣在電解氯化鈣熔鹽時產(chǎn)生，O2-在陽極以CO2或CO的形式析出。這種新型高純化方法，不僅用于鈦的脫氧，而且適用于釔、釹等稀土金屬，并且可使氧含量降低到10ppm。
電化學(xué)的方法的工業(yè)化實驗的流程是：首先將二氧化鈦粉末用澆注或壓力成形，燒結(jié)后作陰極，以石墨為陽極，以CaCl2為熔鹽，在石墨或鈦坩堝中進(jìn)行電解。所加電壓2.8V～3.2V，低于CaCl2的分解電壓(3.2V～3.3V)。電解一定時間后，陰極由白色變?yōu)榛疑?，在[寶雞力航鈦業(yè)]www.lh-ti.com下觀察，0.25μm的TiO2轉(zhuǎn)變?yōu)?2μm的海綿鈦。以氯化鈣為熔鹽，最主要的原因是其價格低，并且對O2-具有一定的溶解度，使析出的鈦不易被氧化；另外，CaCl2無毒，對環(huán)境無污染。與TiCl4熔鹽電解相比，此方法所用原料是氧化物而不是易揮發(fā)的氯化物，所以制備過程可以簡化，而且產(chǎn)品質(zhì)量高；不會發(fā)生鈦的各價離子間的氧化還原反應(yīng)；陽極析出氣體為純氧氣(惰性陽極)或CO、CO2的混合氣體(石墨陽極)，易于控制，無污染。
當(dāng)前鈦的生產(chǎn)方法當(dāng)前鈦的生產(chǎn)采用金屬熱還原法，其是指利用金屬還原劑(R)與金屬氧化物或氯化物(MX)的反應(yīng)制備金屬M。已經(jīng)實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的鈦冶金方法為鎂熱還原法(Kroll法)和鈉熱還原法(Hunter法)。因為Hunter法比Kroll法生產(chǎn)成本高，所以目前在工業(yè)中廣泛應(yīng)用的方法只有Kroll法。Kroll法從1948年開發(fā)當(dāng)初就因其成本高、還原效率低而受到批評。半個世紀(jì)過去了，該工藝并沒有根本的改變，仍然是間歇式生產(chǎn)，未能實現(xiàn)生產(chǎn)的連續(xù)化。
該法不僅促進(jìn)了陰極附近的還原反應(yīng)，同時使還原得到的鈦脫氧。這種方法將氧化物的直接電解還原和電化學(xué)脫氧法相結(jié)合，是制備鈦的一種新型方法，成為鈦提取工藝中最引人注目的方法。根據(jù)2000年英國自然雜志發(fā)表論文的數(shù)據(jù)估算，采用該方法，每噸海綿鈦降低生產(chǎn)成本13000美元左右，目前全球五六萬噸的總產(chǎn)量如果改由該電化學(xué)方法生產(chǎn)，每年將節(jié)省7.7億美元的生產(chǎn)成本。Armstrong法Amstrong等對Hunter法進(jìn)行改進(jìn)，使之成為連續(xù)化生產(chǎn)工藝。其流程是：首先將TiCl4氣體注入過量熔融的鈉中，過量的鈉起冷卻還原產(chǎn)物并攜帶產(chǎn)物進(jìn)入分離工序的作用。除去鈉和鹽即可得到產(chǎn)品鈦粉。產(chǎn)品中氧含量最低為0.2%，達(dá)到二級鈦的標(biāo)準(zhǔn)。對工藝略加改進(jìn)，可生產(chǎn)VTi、AlTi合金。與Hunter法相比，該方法的具有連續(xù)化生產(chǎn)、投資少、產(chǎn)品應(yīng)用范圍廣、副產(chǎn)物分解為鈉和氯氣可循環(huán)利用的優(yōu)點。該方法已經(jīng)接近了工業(yè)化生產(chǎn)，但仍然存在幾個問題，如怎樣進(jìn)一步降低氧含量，產(chǎn)品成本如何等。采用TiCl4電解還原法在技術(shù)上首先需要將TiCl4轉(zhuǎn)變鈦的低價氯化物且使之溶解于熔體中，同時，必須將陰極區(qū)和陽極區(qū)隔開和使電解槽密封。
鈦棒及鈦合金具有密度小耐腐蝕、耐高溫等優(yōu)異性能。在一般情況下，鈦不會發(fā)生孔蝕。做成的鈦制品還具有抗腐蝕疲勞穩(wěn)定性。鈦耐縫隙腐蝕性能較好，尤其是Ti-0.3Mo-0.8Ni及Ti-0.2Pd合金，因此Ti-0.3Mo-0.8Ni及Ti-0.2Pd廣泛用于制成工業(yè)成品。世界鈦工業(yè)正經(jīng)歷著以航空航天為主要市場的單一模式，向冶金、能源、交通、化工、生物醫(yī)藥等民用領(lǐng)域為重點發(fā)展的多元模式過渡。鈦棒是具有強烈鈍化傾向的金屬，在空氣中和氧化性或中性水溶液中能迅速生成一層穩(wěn)定的氧化性保護(hù)膜，即使因為某些原因膜遭破壞，也能迅速自動恢復(fù)。因此鈦在氧化性、中性介質(zhì)中具有優(yōu)異的耐腐蝕性，用鈦做成的鈦制品也具有很強的耐腐蝕性，廣泛用于容器設(shè)備的密封面材料，以解決設(shè)備密封面縫隙腐蝕問題。
由于鈦的巨大鈍化性能，在許多情況下與異種金屬接觸時，并不加快腐蝕，而可能加快異種金屬的腐蝕。如在低濃度非氧化性的酸中，若將Pb、Sn、Cu或蒙乃爾合金與鈦接觸形成電偶時，這些材料腐蝕加快，而鈦不受影響。而在鹽酸中，鈦與低碳鋼接觸時，由于鈦表面產(chǎn)生新生氫，破壞了鈦的氧化膜，不僅引起鈦的氫脆，而且加快鈦的腐蝕，這可能是由于鈦對氫有高度的活性所致。認(rèn)為鈦中的含鐵量對某些介質(zhì)中的耐腐蝕性能有影響，鐵增多的原因除原材料的原因外，常常是焊接時沾污的鐵滲入焊道，使焊道中局部含鐵量增高，這時腐蝕具有不均勻的性質(zhì)。使用鐵件支撐鈦設(shè)備時，鐵鈦做成的制品接觸面上的鐵沾污幾乎是不可避免的在鐵沾污區(qū)腐蝕加速，特別是在有氫存在的情況下。當(dāng)沾污表面的鈦氧化膜發(fā)生機械損壞時，氫就滲入金屬，根據(jù)溫度、壓力等條件，氫發(fā)生相應(yīng)的擴(kuò)散，這使鈦產(chǎn)生不同程度的氫脆。因此鈦在中等溫度和中等壓力和含氫系統(tǒng)中使用要避免表面鐵污染。
