Titanium is overvloedig aanwezig in de aardkorst, en China staat wereldwijd op de eerste plaats wat betreft titaniumbronnen, met bewezen reserves die ongeveer 38,8% van het wereldtotaal vertegenwoordigen. Deze hulpbronnen zijn verdeeld over meer dan 100 mijngebieden in meer dan 20 provincies en regio's, voornamelijk geconcentreerd in de zuidwestelijke, centraal-zuidelijke en noordelijke regio's van China. Met name de vanadium-titaniummagnetietafzettingen in de Panxi-regio staan wereldwijd bekend om hun aanzienlijke reserves, die 92% van de Chinese titaniumvoorraden vertegenwoordigen en een solide basis vormen voor de titaniumindustrie van het land. Het huidige productieproces van titanium wordt echter gekenmerkt door lange procescycli, een hoog energieverbruik en ernstige vervuiling, wat leidt tot hoge prijzen en het wijdverbreide gebruik ervan beperkt. Bijgevolg is de ontwikkeling van nieuwe, goedkope titaniumproductiemethoden van het grootste belang voor het versnellen van de Chinese transitie van een land met een belangrijke titaniumbron naar een grootmacht voor de productie van titanium.
Traditioneel titaniummetallurgisch proces
Het traditionele titaniumsmeltproces, bekend als het "Kroll-proces", omvat de reductie van titaniumtetrachloride (TiCl4) met metallisch natrium of magnesium om metallisch titanium te verkrijgen. Omdat het titanium onder het smeltpunt wordt geproduceerd, bestaat het in een sponsachtige vorm, vandaar de naam 'sponstitanium'. Het Kroll-proces bestaat uit drie hoofdfasen: de bereiding van titaniumrijke materialen, de productie van TiCl4 en de reductie en destillatie om sponstitanium te produceren.
Nieuwe titaniummetallurgische processen
Om de productiekosten van metallisch titanium te verlagen, hebben onderzoekers talloze nieuwe extractiemethoden onderzocht, waaronder TiCl4-elektrolyse, ITP (Armstrong)-proces, FFC-proces, OS-proces, Pre-Reduction Process (PRP), QT-proces, MER-proces en USTB-proces. .
TiCl4-elektrolyse voor de productie van titanium
Titaanoxiden en titaanchloriden kunnen dienen als grondstoffen voor de industriële titaniumproductie. Er wordt echter alleen titaniumchloride gebruikt als voorloper voor de productie van titaniummetaal vanwege het vermogen ervan om zuurstof- en koolstofverontreinigingen effectief te verwijderen. Het huidige onderzoek richt zich op de bereiding en zuivering van TiCl4, waarbij methoden als thermische natriumreductie, zuurstofreductie, waterstofreductie en directe elektrolyse worden onderzocht.
Armstrong/ITP-proces (internationaal titaniumpoeder).
ITP, opgericht in 1997, gevestigd in Chicago, VS, gebruikt gasvormig natrium om TiCl4 te verminderen, waardoor de continue productie van titaniumpoeder mogelijk wordt. Deze methode omvat het injecteren van TiCl4-damp in een stroom natriumgas, waardoor titaniumpoeder en NaCl worden gegenereerd, die vervolgens worden gescheiden door destillatie, filtratie en wassen. Het proces beschikt over een hoge productzuiverheid en milieuvriendelijkheid, maar er blijven uitdagingen bestaan bij het verlagen van de productiekosten en het verbeteren van de productkwaliteit.
FFC-proces (Cambridge-proces)
Het FFC-proces, dat in 2000 werd voorgesteld door professor DJ Fray en zijn medewerkers aan de Universiteit van Cambridge, omvat het elektrolyseren van een vast titaniumoxide als de kathode, grafiet als de anode en een aardalkalimetaalchloridesmelt als de elektrolyt. Deze methode is milieuvriendelijk, met een korte productiecyclus, maar wordt geconfronteerd met uitdagingen zoals een hoog zuurstofgehalte in het product en discontinuïteit van het proces.
OS-proces
Dit proces, ontwikkeld door One en Suzuki in Japan, maakt gebruik van elektrolytisch verkregen calcium om TiO2 te reduceren tot metallisch titanium. Het proces vindt plaats in een Ca/CaO/CaCl2-smelt, waarbij titaniumoxidepoeder in een kathodemand wordt geplaatst. De methode belooft aanzienlijke kostenbesparingen, maar produceert titaniummetaal met een relatief hoog zuurstofgehalte.
PRP-proces
Deze methode, voorgesteld door Japanse wetenschappers, mengt TiO2 met vloeimiddelen zoals CaO of CaCl2, vormt het mengsel, sintert het en stelt het bloot aan calciumdamp bij hoge temperaturen om titaniumpoeder te produceren. Het resulterende poeder kan een zuiverheid van 99% bereiken met een verlaagd zuurstofgehalte.
QiT-proces
Dit proces, ontwikkeld door Quebec Iron and Titanium Inc., omvat het elektrolyseren van titaniumslakken in een gesmolten zoutomgeving om titaniummetaal te produceren. Het proces kan in één of twee stappen worden uitgevoerd, afhankelijk van het titaniumgehalte en de onzuiverheidsniveaus in de slak.
MER-proces
Dit proces, ontwikkeld door MER Corporation, maakt gebruik van TiO2 of rutiel als anode en een chloridemengsel als elektrolyt. De anode stoot tijdens de elektrolyse een mengsel van CO- en CO2-gassen uit, terwijl titaniumionen bij de kathode worden gereduceerd tot metallisch titanium.
USTB-proces
In 2005 stelden professor Zhu Hongmin en zijn team aan de Universiteit voor Wetenschap en Technologie in Beijing een nieuwe methode voor voor de extractie van sponstitanium via gesmolten zoutelektrolyse: de elektrolyse van een TiO·mTC-anode, een oplosbare vaste oplossing van TiO2 en TiC, om puur titanium produceren.
Deze methode omvat het mengen van koolstof en titaniumdioxide of titaniumcarbide en titaniumdioxidepoeders in stoichiometrische verhoudingen, het in een vorm persen ervan en vervolgens, onder bepaalde omstandigheden, het vormen van een TiO·mTC-anode met metallische geleidbaarheid. Met behulp van een gesmolten zout van alkalimetaal- of aardalkalimetaalhalogeniden als elektrolyt wordt elektrolyse uitgevoerd bij een specifieke temperatuur. Tijdens dit proces lost titanium op in het gesmolten zout in de vorm van laagwaardige ionen en zet zich af aan de kathode, terwijl de koolstof en zuurstof in de anode gasvormige koolstofoxiden (CO, CO2) of zuurstof (O2) vormen die vrijkomen. . Deze methode kan zeer zuiver titaniummetaalpoeder produceren met een zuurstofgehalte van minder dan 300×10-6, dat voldoet aan de nationale eersteklasnorm en een kathodestroomefficiëntie van maximaal 89% bereikt.
De opmerkelijke voordelen van deze methode zijn onder meer de mogelijkheid om het elektrolyseproces continu uit te voeren zonder anodeslijm te genereren, de eenvoud van het proces, lage kosten en milieuvriendelijkheid.
De extractie van metallisch titanium is een belangrijk onderzoeksgebied in de metallurgie, en het gesmolten-zoutelektrolyseproces wordt beschouwd als het meest veelbelovende alternatief voor het Kroll-proces voor de titaniummetallurgie. Gezien de enorme reserves en het cruciale belang van titaniumbronnen is het uitgebreide gebruik van vanadiferous titanomagnetiet van groot belang. Als we de huidige onderzoeks- en ontwikkelingsstatus van titaniumextractieprocessen onderzoeken, worden processen waarbij TiCl4 als precursor wordt gebruikt doorgaans geconfronteerd met problemen bij het verlagen van de kosten, terwijl de directe bereiding van metallisch titanium uit TiO2 verder diepgaand onderzoek verdient. Als technische problemen kunnen worden overwonnen, kan toepassing op industriële schaal haalbaar worden.
