티타늄 고철의 제조방법

티타늄 및 그 합금은 저밀도 내식성 및 고온 저항과 같은 우수한 특성을 가지고 있습니다. 세계 티타늄 산업은 항공우주를 주요 시장으로 하는 단일 모델에서 야금, 에너지, 운송, 화학 산업, 생물의학 및 기타 민간 분야의 발전에 초점을 맞춘 다각화된 모델로의 전환을 경험하고 있습니다. 현재 세계는 미국, 일본, 러시아, 중국 등 일부 국가에서만 티타늄을 공업화 생산할 수 있으며, 세계 연간 티타늄 생산량은 수만 톤에 불과하다. 그러나 티타늄의 중요한 전략적 가치와 국가경제의 위상으로 인해 티타늄은 철, 알루미늄의 대두가 될 것이며, 21세기는 티타늄의 세기가 될 것입니다.

현재 티타늄 생산 방법 현재 금속 열 환원법을 사용하여 티타늄을 생산하고 있는데, 이는 금속 환원제(R)와 금속 산화물 또는 염화물(MX)을 사용하여 반응하여 금속 M을 제조하는 것을 의미합니다. 이미 마그네슘을 위한 티타늄 야금학적 방법이 산업화되어 생산되고 있습니다. 열환원법(Kroll법)과 나트륨 열환원법(Hunter법)이 있다. 헌터법은 크롤법에 비해 가격이 비싸기 때문에 현재 업계에서 널리 사용되고 있는 유일한 방법은 크롤법인데, 크롤법은 1948년 개발 이후 비용이 높고 환원효율이 낮다는 이유로 비판을 받아왔다. 반세기가 지난 후에도 프로세스는 근본적으로 변하지 않았으며 여전히 간헐적 생산이며 지속적인 생산을 실현하지 못했습니다.

수십 년의 개발 끝에 세계 티타늄 산업의 새로운 트렌드인 티타늄 금속 생산 방법은 크롤 방식과 헌터 방식이 일련의 개선을 거쳤지만 간헐적으로 운영되기 때문에 작은 개선이 티타늄 가격을 크게 낮출 수는 없습니다. 따라서 높은 생산비용 문제를 근본적으로 해결하기 위해서는 새로운 저비용 연속공정 개발이 ​​필요하다. 이를 위해 연구자들은 수많은 실험과 연구를 진행해왔습니다. 현재 연구는 비용 절감을 위한 전기화학적 환원 방법, 티타늄 금속 직접 탈산 연구 등의 방법에 중점을 두고 있습니다. 해외의 일부 사람들은 전기화학적 방법을 사용하여 티타늄의 고체 용존 산소 농도를 아래의 검출 한계(500ppm)까지 낮추고 있습니다. 그들은 전기화학적 탈산 과정에서 염화칼슘 용융염의 전기분해에서 탈산제인 칼슘이 생성되고, O2-가 양극에 CO2 또는 CO의 형태로 침전된다고 믿고 있다. 이 새로운 고순도 방법은 티타늄의 탈산소화는 물론 이트륨, 네오디뮴 등 희토류 금속의 탈산소에도 활용되며 산소 함량을 10ppm까지 낮출 수 있다.

실험 공정의 전기화학적 방법은 우선 주조 또는 압력 성형을 통해 이산화티타늄 분말을 음극으로 소결하고, 흑연을 양극으로, CaCl2를 용융염으로, 전기분해용 흑연 또는 티타늄 도가니에 넣습니다. 인가전압은 2.8V~3.2V로 CaCl2의 분해전압(3.2V~3.3V)보다 낮다. 일정 시간의 전기분해 후, 음극은 흰색에서 회색으로 변했고, SEM을 통해 0.25μm TiO2가 12μm 티타늄 스폰지로 변태되는 것을 관찰했습니다. 염화칼슘을 용융염으로 사용하는 주된 이유는 가격이 저렴하고 O2-에 대한 용해도 때문에 침전된 티타늄이 쉽게 산화되지 않기 때문입니다. 또한 CaCl2는 무독성이며 환경을 오염시키지 않습니다.

TiCl4 용융염 전기분해와 비교하여 이 방법에 사용되는 원료는 휘발성 염화물이 아닌 산화물이므로 제조 공정이 단순화될 수 있고 제품의 품질이 높습니다. 티타늄 원자가 이온 사이에는 산화 환원 반응이 없습니다. 양극 침전 가스는 순수한 산소(불활성 양극) 또는 CO와 CO2의 혼합물(흑연 양극)로 쉽게 제어할 수 있고 오염이 없습니다.

이 방법은 음극 부근의 환원 반응을 촉진할 뿐만 아니라 환원을 통해 얻은 티타늄을 탈산시키는 효과도 있다. 이 방법은 티타늄을 제조하는 새로운 방법인 산화물의 직접 전해환원과 전기화학적 탈산소화를 결합한 것으로, 티타늄 추출공정에서 가장 주목받는 방법이 되었다. 2000의 영국 저널 Nature에 게재된 논문의 데이터에 따르면, 이 방법을 사용하면 티타늄 스펀지의 생산 비용이 톤당 약 13,000 US 달러 절감되는 것으로 추정됩니다. , 현재 전 세계 총 생산량 50,000~60,000톤을 전기화학 방식으로 전환할 경우 연간 7억 7천만 달러의 생산 비용이 절감됩니다.

암스트롱 방법 Amstrong et al. 헌터 방식을 개선하여 지속적인 생산 공정으로 만듭니다. 공정은 다음과 같습니다. 먼저 TiCl4 가스를 과량의 나트륨 용융물에 주입합니다. 이는 냉각제 역할을 하여 제품을 환원하고 분리 공정으로 운반합니다. 나트륨과 소금을 제거하여 티타늄 분말 제품을 얻습니다. 제품의 산소 함량은 0.2%로 낮아 2차 티타늄의 표준에 도달합니다. 공정을 약간 개선하면 VTi, AlTi 합금을 생산할 수 있습니다. 헌터 방식에 비해 이 방식은 연속 생산, 낮은 투자, 제품 적용 범위가 넓다는 장점이 있으며, 나트륨과 염소로 분해된 부산물을 재활용할 수 있다는 장점이 있다.

TiCl4 전해환원방식 전해공정의 관점에서 볼 때 TiCl4 전해환원법은 Kroll 방식과 Hunter 방식 모두에 비해 우수하다. 따라서 크롤의 열환원법 개발 초기부터 티타늄 제련공정을 전해법으로 전환하려는 아이디어가 있었다.

TiCl4 전해환원법은 한때 Kroll 공정을 대체할 수 있을 것으로 여겨졌던 유일한 방법으로 미국, 구소련, 일본, 프랑스, ​​이탈리아, 중국 등이 장기간 및 내부적으로 실시해 온 방법이다. 그것에 대한 심층적인 연구. TiCl4 전해환원방식은 TiCl4를 티타늄의 저가염화물로 변환하여 용탕에 용해시키는 기술이 필요하며, 동시에 음극영역과 양극영역을 분리하여 전해조를 밀봉하는 방식이 필요합니다. .

이탈리아 사람들은 TiCl4 전기분해에 대해 연구해 왔으며 염소화 전기분해 데이터를 분석한 결과 온도가 900도 이상일 때 전해질에 Ti{2}} 또는 Ti{3}}가 없고 Ti만 있음을 발견했습니다. 4+ 및 Ti. 이를 바탕으로 확립된 전기분해 공정은 다음과 같습니다. TiCl4 가스를 다층 전해질에 주입하여 흡수합니다. 이 다중상 층은 칼륨, 칼슘, 티타늄, 염소 및 불소 이온뿐만 아니라 칼륨 및 칼슘으로 구성되며 티타늄 음극과 흑연 양극을 분리합니다. 가장 낮은 층에서 생성된 액체 티타늄은 수냉식으로 구리 도가니 속으로 욕조 바닥으로 가라앉아 잉곳을 형성합니다. 그러나 이 방법으로 얻어지는 티타늄의 순도는 높지 않고 효율도 낮다.

티타늄은 뛰어난 성능과 풍부한 자원을 갖고 있어 20세기 후반부터 이상적인 소재로 주목을 받고 있지만, 지금까지 세계 티타늄의 연간 생산량은 수만톤에 불과한 희소금속이 없었다. Kroll 방법은 마그네슘 금속으로 사염화티타늄을 감소시켜 해면질의 티타늄 금속을 얻는 것이며, 긴 공정, 여러 공정의 반복 및 기타 요인으로 인해 티타늄 스펀지의 비용이 높아져 다양한 산업 분야에서 티타늄의 적용에 영향을 미치게 됩니다. 그래서 아직 많은 응용 분야에서 사용하기 위해 대중화되지 않았습니다. 그러나 우리는 과학기술의 발전, 티타늄 금속의 새로운 생산공정 개발, 생산원가 절감, 생산규모 확대 등을 통해 21세기는 진정한 티타늄의 세기가 될 것이라고 믿습니다.