Титан у великій кількості міститься в земній корі, і Китай посідає перше місце в світі за запасами титану, його підтверджені запаси становлять приблизно 38,8% від загального світового обсягу. Ці ресурси розподілені в більш ніж 100 районах видобутку в більш ніж 20 провінціях і регіонах, переважно зосереджених у південно-західних, центрально-південних і північних регіонах Китаю. Зокрема, родовища ванадій-титанмагнетиту в регіоні Паньсі відомі на весь світ своїми значними запасами, на які припадає 92% титанових ресурсів Китаю, забезпечуючи міцну основу для титанової промисловості країни. Однак поточний процес виробництва титану характеризується тривалими технологічними циклами, високим споживанням енергії та серйозним забрудненням, що призводить до високих цін і обмежує його широке використання. Отже, розробка нових недорогих методів виробництва титану має першочергове значення для прискорення переходу Китаю від країни, яка є основним джерелом титанових ресурсів, до потужного виробника титану.
Традиційний металургійний процес виробництва титану
Традиційний процес плавлення титану, відомий як «процес Кролла», передбачає відновлення тетрахлориду титану (TiCl4) металевим натрієм або магнієм для отримання металевого титану. Оскільки титан виробляється нижче температури плавлення, він існує у формі губки, звідси й назва «губчастий титан». Процес Kroll складається з трьох основних етапів: приготування матеріалів, багатих на титан, виробництво TiCl4, а також відновлення та дистиляція для отримання губчастого титану.
Нові металургійні процеси титану
Щоб знизити собівартість виробництва металевого титану, дослідники дослідили численні нові методи екстракції, включаючи електроліз TiCl4, процес ITP (Armstrong), процес FFC, процес OS, процес попереднього відновлення (PRP), процес QT, процес MER і процес USTB .
Електроліз TiCl4 для виробництва титану
Сировиною для промислового виробництва титану можуть служити оксиди і хлориди титану. Однак лише хлорид титану використовувався як прекурсор для виробництва металевого титану завдяки його здатності ефективно видаляти домішки кисню та вуглецю. Сучасні дослідження зосереджені на отриманні та очищенні TiCl4, досліджуються такі методи, як термічне відновлення натрієм, відновлення киснем, відновлення воднем і прямий електроліз.
Armstrong/ITP (Міжнародний процес виробництва титанового порошку).
Заснована в 1997 році компанія ITP, розташована в Чикаго, США, використовує газоподібний натрій для відновлення TiCl4, що дозволяє безперервно виробляти титановий порошок. Цей метод включає введення парів TiCl4 у потік газоподібного натрію, утворення порошку титану та NaCl, які згодом відокремлюються дистиляцією, фільтрацією та промиванням. Процес може похвалитися високою чистотою продукту та екологічністю, але залишаються проблеми у зниженні виробничих витрат і покращенні якості продукції.
Процес FFC (Кембриджський процес)
Запропонований у 2000 році професором DJ Fray та його співробітниками з Кембриджського університету процес FFC передбачає електроліз твердого оксиду титану як катода, графіту як анода та розплаву хлориду лужноземельного металу як електроліту. Цей метод є екологічно чистим, з коротким виробничим циклом, але стикається з такими проблемами, як високий вміст кисню в продукті та порушення процесу.
Процес ОС
Цей процес, розроблений компаніями One і Suzuki в Японії, використовує електролітично отриманий кальцій для відновлення TiO2 до металевого титану. Процес відбувається в розплаві Ca/CaO/CaCl2 з порошком оксиду титану, поміщеним у катодний кошик. Метод обіцяє значне зниження витрат, але дозволяє виробляти металевий титан з відносно високим вмістом кисню.
Процес PRP
Запропонований японськими вченими, цей метод змішує TiO2 з флюсуючими агентами, такими як CaO або CaCl2, формує суміш, спікає її та піддає дії парів кальцію при високих температурах для отримання титанового порошку. Отриманий порошок може досягти чистоти 99% зі зниженим вмістом кисню.
Процес QiT
Цей процес, розроблений Quebec Iron and Titanium Inc., передбачає електроліз титанового шлаку в середовищі розплавленої солі для отримання металевого титану. Процес може здійснюватися в одну або дві стадії, залежно від вмісту титану та рівнів домішок у шлаку.
Процес MER
Цей процес, розроблений корпорацією MER, використовує TiO2 або рутил як анод і суміш хлоридів як електроліт. Під час електролізу анод виділяє суміш газів CO і CO2, тоді як іони титану відновлюються до металевого титану на катоді.
Процес USTB
У 2005 році професор Чжу Хунмінь і його команда з Пекінського науково-технічного університету запропонували новий метод вилучення губчастого титану за допомогою електролізу розплавленої солі — електроліз анода TiO·mTC, розчинного твердого розчину TiO2 і TiC, щоб виробляють чистий титан.
Цей метод передбачає змішування порошків вуглецю та діоксиду титану або карбіду титану та діоксиду титану в стехіометричних пропорціях, пресування їх у форму, а потім за певних умов формування анода TiO·mTC з металевою провідністю. Використовуючи розплавлену сіль галогенідів лужних або лужноземельних металів як електроліт, електроліз проводять при певній температурі. Під час цього процесу титан розчиняється в розплавленій солі у вигляді низьковалентних іонів і відкладається на катоді, тоді як вуглець і кисень, що містяться в аноді, утворюють газоподібні оксиди вуглецю (CO, CO2) або кисень (O2), які виділяються . Цей метод дозволяє отримувати високочистий металевий порошок титану з вмістом кисню менше 300×10-6, що відповідає національному стандарту першого класу та досягає ефективності катодного струму до 89%.
Помітними перевагами цього методу є можливість безперервного проведення процесу електролізу без утворення анодного шламу, простота процесу, низька вартість і екологічність.
Видобуток металевого титану є важливою областю досліджень у металургії, а процес електролізу розплавленої солі вважається найбільш багатообіцяючою альтернативою процесу Кролла для металургії титану. Враховуючи величезні запаси та критичну важливість ресурсів титану, комплексне використання ванадиферного титаномагнетиту має велике значення. Вивчаючи поточний стан досліджень і розробок процесів вилучення титану, процеси, що використовують TiCl4 як попередник, зазвичай стикаються з труднощами щодо зниження витрат, тоді як пряме отримання металевого титану з TiO2 заслуговує на подальші поглиблені дослідження. Якщо технічні проблеми вдасться подолати, промислове застосування може стати можливим.
