有色金屬冶金-鈦冶金

1、鈦冶金鈦冶金昆明理工大學冶金與能源工程學院昆明理工大學冶金與能源工程學院有色冶金概論有色冶金概論9.1 概述概述9.1.1 鈦的性質(zhì)和用途鈦的性質(zhì)和用途1物理性質(zhì)物理性質(zhì) 鈦是重要的稀有高熔點金屬，為銀白色金屬。高純鈦的延伸率可達5060%。2. 化學性質(zhì)化學性質(zhì) 鈦是元素周期表中第4周期IVB族元素，元素符號Ti，原子序數(shù)22，原子質(zhì)量47.88。鈦的化合價有-1、0、+2、+3、+4，其中以+4化合物最穩(wěn)定。 致密鈦在空氣中是極為穩(wěn)定的。粉狀鈦在不高的溫度下便氧化并易著火燃燒。金屬鈦對海水、工業(yè)腐蝕性氣體、許多酸、堿都具有抗蝕能力。但在高溫下鈦的化學活性很強，可與鹵族元素、氧、硫、碳、氮、

2、氫、水蒸氣、一氧化碳、二氧化碳和氨發(fā)生強烈作用。 鈦易溶解于氫氟酸、濃硫酸、濃鹽酸和王水中。鈦不溶于堿溶液，但與熔融堿能發(fā)生強烈作用，生成鈦酸鹽。9.1 概述概述 3鈦的化合物鈦的化合物 鈦最重要的和最穩(wěn)定的化合物是二氧化鈦 (TiO2）和四氯化鈦TiCl4 。 二氧化鈦是處理含鈦原料獲得的重要產(chǎn)品之一，純二氧化鈦呈白色，不溶于水、弱酸和堿溶液中，在加熱時能溶于濃的硫酸、鹽酸、硝酸和氫氟酸中。 四氯化鈦是一種無色透明的液體，熔點為250K，沸點409K，密度1727kg/m3，在潮濕空氣中或遇水發(fā)生水解產(chǎn)生腐蝕性白煙 ： TiCl4 + 3H2O = H2TiO3 + 4HCl9.1 概述概述

3、4. 鈦的用途鈦的用途 鈦是戰(zhàn)略金屬，鈦及其合金廣泛用于石油化工、冶金、航空、航天、軍事、汽車、硬質(zhì)合金、建筑、雕塑裝飾、醫(yī)療、運動器材、涂料、油漆、油墨、造紙、橡膠、塑料、化纖和日常生活用品等。9.1 概述概述9.1.3 鈦精礦的處理流程鈦精礦的處理流程 鈦精礦一般都是用于生產(chǎn)海綿鈦和二氧化鈦（鈦白和人造金紅石），也有部分鈦精礦用于生產(chǎn)鈦鐵。 鈦鐵精礦的處理有兩種方法：一是還原熔煉產(chǎn)高鈦渣，以高鈦渣或金紅石為原料經(jīng)氯化獲得粗TiCl4，將其精制后得到純TiCl4，然后從純TiCl4制取海綿鈦或鈦白；一是用硫酸直接分解鈦鐵精礦或高鈦渣，然后從硫酸溶液中析出偏鈦酸，再制取鈦白。 金紅石金紅石鈦鐵

4、礦鈦鐵礦9.1 概述概述鈦提取原則流程圖鈦提取原則流程圖9.2 鈦渣的生產(chǎn)鈦渣的生產(chǎn) 當以鈦鐵礦為原料生產(chǎn)鈦白或四氯化鈦時，為了降低硫酸消耗和氯氣消耗，需要除去鈦鐵礦中的鐵，使TiO2得到富集。規(guī)模最大、最成熟的方法是采用電爐還原熔煉法，將鈦鐵精礦用碳質(zhì)還原劑在電爐中進行高溫還原熔煉，鐵的氧化物被選擇性地還原成金屬鐵，鈦氧化物富集在爐渣中成為高鈦渣（含7295% TiO2 ）。 通過還原熔煉，鈦和非鐵雜質(zhì)氧化物在渣相富集，鐵主要富集在鐵水中。 電爐還原熔煉既可產(chǎn)出供生產(chǎn)TiCl4和人造金紅石用的高鈦渣(含TiO2 8595%)，也可產(chǎn)出供硫酸法生產(chǎn)鈦白用的低鈦渣(含TiO2 7285%)。 熔

5、煉鈦渣的密閉電爐示意圖熔煉鈦渣的密閉電爐示意圖1.電極；2.電極夾；3.爐氣出口；4.爐料；5.鈦渣；6.鐵水；7.鋼外殼；8.加料管；9.爐蓋；10.檢測孔；11.筑爐材料；12.結(jié)渣層；13.出渣口；14.出鐵口9.3 人造金紅石的生產(chǎn)人造金紅石的生產(chǎn) 電爐還原熔煉法生產(chǎn)高鈦渣存在著電能消耗大，不能除去精礦中CaO、 MgO、A12O3、SiO2等雜質(zhì)的缺點，它們在下一步氯化作業(yè)中使氯氣消耗增大、冷凝分離系統(tǒng)負擔加重、鈦的總回收率降低等。因此，可采用選擇氯化法、銹蝕法、硫酸浸出法和循環(huán)鹽酸浸選擇氯化法、銹蝕法、硫酸浸出法和循環(huán)鹽酸浸出法出法等方法除去鈦鐵礦精礦中的鐵，從而得到金紅石型TiO

6、2含量較高的富鈦物料（稱之為人造金紅石）。Fe2O3TiO2 + 1.5C + 3Cl2 = TiO2 + 2FeCl3 + 1.5CO2 選擇氯化法選擇氯化法是在流態(tài)化氯化爐中，以鈦鐵礦精礦為原料，加入一定數(shù)量的還原劑碳，通氯氣在一定溫度下對鈦鐵礦中的鐵進行選擇性氯化。反應(yīng)生成的FeCl3在高溫下?lián)]發(fā)出爐；TiO2不被氯化，經(jīng)選礦分離即可得到人造金紅石。9.4 四氯化鈦的生產(chǎn)四氯化鈦的生產(chǎn) TiO2不能直接與氯氣反應(yīng)。在高溫和還原碳存在的條件下，二氧化鈦的氯化反應(yīng)進行得很完全： 四氯化鈦是金屬鈦及鈦白生產(chǎn)的重要中間產(chǎn)品。它是以富鈦物料（高鈦渣、金紅石、人造金紅石等）為原料，經(jīng)氯化、冷凝分離、

7、精制等過程制得。最常用的氯化劑有氯氣和鹽酸等。 TiO2 + 2CO + 2Cl2 = TiCl4 + 2CO2CO2 + C = 2CO或 TiO2 + C + 2Cl2 = TiCl4 + CO2 在1000K時，該反應(yīng)的平衡常數(shù)為9.9861013。 在TiO2氯化的同時，鐵、鋁、硅、釩、鉻、鉭、鈮等都會被氯化生成揮發(fā)性的氯化物。 9.4 四氯化鈦的生產(chǎn)四氯化鈦的生產(chǎn) 金紅石及高鈦渣有三種的氯化方法：流態(tài)化氯化法、熔鹽氯化流態(tài)化氯化法、熔鹽氯化法和豎爐氯化法法和豎爐氯化法。 目前生產(chǎn)TiCl4的氯化方法主要是流態(tài)化氯化，其次是熔鹽氯化，豎爐氯化已被淘汰。9.4 四氯化鈦的生產(chǎn)四氯化鈦的生

8、產(chǎn) 工業(yè)粗四氯化鈦是是一種紅棕色渾濁液，除含TiCl498%外，還含有SiCl4、AlCl3、FeCl3、VOCl3、MnCl2、S、Cl等雜質(zhì)，工業(yè)上常采用加銅粉或鋁粉除釩和精餾凈化法，凈化后的TiCl4為無色透明或略呈淺黃色的液體。 9.5 海綿鈦的生產(chǎn)海綿鈦的生產(chǎn) 目前工業(yè)上采用金屬熱還原法生產(chǎn)鈦，即以還原性強的鎂或鈉鎂或鈉做還原劑，將提純后的精TiCl4還原成含鈦在99.6%的海綿鈦海綿鈦(產(chǎn)品外觀呈海綿狀，含鈦在99.6%以上)。還原過程在真空或惰性介質(zhì)中進行。 在海綿鈦生產(chǎn)中，鎂熱還原法占主導地位鎂熱還原法占主導地位。 海綿鈦生產(chǎn)是鈦工業(yè)的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，它是鈦材、鈦粉及其他鈦構(gòu)件的原料

9、。 坨坨狀狀海海綿綿鈦鈦粒粒狀狀海海綿綿鈦鈦9.5 海綿鈦的生產(chǎn)海綿鈦的生產(chǎn)1、 鎂熱還原法生產(chǎn)海綿鈦（克羅爾法或鎂熱還原法生產(chǎn)海綿鈦（克羅爾法或克勞爾法克勞爾法） 鎂熱還原法生產(chǎn)海綿鈦是用鎂還原TiCl4制取金屬鈦，由鎂還原、真空蒸餾分離還原產(chǎn)物中的Mg和MgCl2、成品處理（破碎、分級）等作業(yè)組成。 鎂還原TiCl4是在充滿惰性氣體的密閉鋼制反應(yīng)罐中進行，還原溫度750800： TiCl4(g) + 2Mg(g, l) = Ti(s) + 2MgCl2(l) 用真空蒸餾法除去海綿鈦中的MgCl2和過剩的Mg，從而獲得純鈦，蒸餾冷凝物可經(jīng)熔化回收金屬鎂， MgCl2經(jīng)熔鹽電解回收Mg和Cl2

10、。9.5 海綿鈦的生產(chǎn)海綿鈦的生產(chǎn)9.5 海綿鈦的生產(chǎn)海綿鈦的生產(chǎn)2、鈉熱法生產(chǎn)海綿鈦（亨特法）、鈉熱法生產(chǎn)海綿鈦（亨特法） 鈉熱還原法生產(chǎn)海綿鈦是用鈉還原TiCl4制取金屬鈦：TiCl4(g) + 4Na(g, l) = Ti(s) + 4NaCl(l) 反應(yīng)物經(jīng)冷卻，磨碎用水和稀鹽酸浸洗，洗去NaCl和多余的鈉，再經(jīng)烘干即得鈦粉。 鈉熱還原法生產(chǎn)海綿鈦的工藝有一段鈉還原法和二段鈉還原法。 以外，還可采用熔鹽電解法、鈣或氫化鈣還原TiO2法、鈦的鹵鹽熱離解法等生產(chǎn)金屬鈦。9.6 致密鈦的生產(chǎn)致密鈦的生產(chǎn) 多孔的“海綿鈦”是不能直接使用的，只有將海綿鈦或鈦粉制成致密的可鍛性金屬，才能進行機械加工并應(yīng)用于各個工業(yè)部門。生產(chǎn)致密鈦的方法有真空電弧熔煉法、電子束熔煉法、等離子熔煉真空電弧熔煉法、電子束熔煉法、等離子熔煉法和粉末冶金法。法和粉末冶金法。 真空熔煉法熔煉法可以制得310噸重的金屬鈦錠，粉末冶金法只能獲得幾百公斤以下的毛坯。 9.6 致密鈦的生產(chǎn)致密鈦的生產(chǎn)9.6 致密鈦的生產(chǎn)致密鈦的生產(chǎn)9.7 鈦白生產(chǎn)鈦白生產(chǎn) 鈦白即二氧化鈦（TiO2），鈦資源的90%用于生產(chǎn)鈦白。TiO2金紅石型、銳鈦型和板鈦型有三種晶型。人