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钛被认为是一种稀有金属,这是由于在自然界中其存在分散并难于提取。但其相对丰度在所有元素中居第十位。钛的矿石主要有钛铁矿及金红石,广布于地壳及岩石圈之中。钛亦同时存在于几乎所有生物、岩石、水体及土壤中。从主要矿石中萃取出钛需要用到克罗尔法或亨特法。钛最常见的化合物是二氧化钛,可用于制造白色颜料。其他化合物还包括四氯化钛(TiCl4,作催化剂及用于制造烟幕或空中文字)及三氯化钛(TiCl3,用于催化聚丙烯的生产)。
钛能与铁、铝、钒或钼等其他元素熔成合金,造出高强度的轻合金,在各方面有着广泛的应用,包括宇宙航行(喷气发动机、导弹及航天器)、军事、工业程序(化工与石油制品、海水淡化及造纸)、汽车、农产食品、医学(义肢、骨科移植及牙科器械与填充物)、运动用品、珠宝及手机等等。
钛产业链可以分为以下四个部分:
1.钛铁矿、金红石等原始矿产的选矿,通过物理方法取得品位更高的精矿
2. 通过对精矿的再加工提纯,制取高纯度的二氧化钛,用于钛白粉行业。
3. 通过对二氧化钛的氧化、还原等工艺手段生成四氯化钛,制取中间产品海绵钛
4. 通过对海绵钛的熔铸加工,制取晶体结构致密的钛锭,用于生产钛材及各种钛合金
钛(精矿)
处理钛金属主要分四个步骤:一、把钛矿石还原成“海绵体”(一种透气的形态);二、制造铸锭,熔化海绵体(或用海绵体加一种母合金)来形成铸锭;三、初步制造,把铸锭制成一般机械制品,如坯、棒、板、片、条及管;四、加工制造,把机械制品进一步加工成型。
由于钛在高温时会与氧气反应的关系,所以不能用还原反应来从氧化物中提炼钛。因此商业上提炼钛金属要用到克罗尔法,一种既繁复又昂贵的分批处理法。(钛的市价相对地高,是因为在提炼的过程中,需要氧化另一种昂贵的金属——镁。)在克罗尔法中,氧化物首先经过碳氯化,转化成氯化物,过程中氯气会在有碳的情况下,通过红热的金红石或钛铁矿,生成四氯化钛(TiCl4)。氯化物经分馏法浓缩及提纯后,在800摄氏度的氩气中被熔镁还原成钛。
一种最近开发的提炼法,FFC剑桥法,日后有可能完全取代克罗尔法。此法的原料是粉末状的二氧化钛(一种精炼过的金红石),而最后成品则会是钛粉末或海绵体。假如在原料的粉末中混入粉末状的氧化物,那么成品就会是廉价钛合金,这样做比使用一般的多步熔化法要便宜得多。FFC剑桥法使钛不像从前那样的如此稀少和昂贵,可为航天工业及奢侈品市场提供更多的选择,同时可取代一些制品中的铝或特殊等级的钢。
一般钛合金是由还原反应所造出来的。例如,铜钛合金(把加了铜的金红石还原而成)、碳钛铁合金(把钛铁矿和焦炭用电炉还原而成)和锰钛合金(金红石加锰或氧化锰)都是经还原而成的。
2FeTiO3+ 7Cl2+ 6C—900℃→ 2TiCl4+ 2FeCl3+ 6CO
TiCl4+ 2Mg—1100℃→ 2MgCl2+ Ti
钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属,钛合金具有密度低、比强度高、耐蚀性好、导热率低、无毒无磁、可焊接、生物相容性好、表面可装饰性强等特性,广泛应用于航空、航天、化工、石油、电力、医疗、建筑、体育用品等领域。世界上许多国家都已经认识到钛合金材料的重要性,相继对其进行研究开发,并得到了实际应用。