เทคโนโลยีการถลุงไทเทเนียม

ไทเทเนียมมีอยู่มากมายในเปลือกโลก และจีนครองอันดับหนึ่งของโลกในแง่ของทรัพยากรไทเทเนียม โดยมีปริมาณสำรองที่พิสูจน์แล้วคิดเป็นประมาณ 38.8% ของทั้งหมดของโลก ทรัพยากรเหล่านี้กระจายอยู่ในพื้นที่ขุดมากกว่า 100 แห่งในกว่า 20 จังหวัดและภูมิภาค โดยส่วนใหญ่กระจุกตัวอยู่ในภูมิภาคตะวันตกเฉียงใต้ กลาง-ใต้ และภาคเหนือของจีน โดยเฉพาะอย่างยิ่ง แหล่งแมกนีไทต์วานาเดียม-ไทเทเนียมในภูมิภาค Panxi มีชื่อเสียงระดับโลกในด้านปริมาณสำรองจำนวนมาก ซึ่งคิดเป็น 92% ของทรัพยากรไทเทเนียมของจีน ซึ่งถือเป็นรากฐานที่มั่นคงสำหรับอุตสาหกรรมไทเทเนียมของประเทศ อย่างไรก็ตาม กระบวนการผลิตไทเทเนียมในปัจจุบันมีลักษณะเฉพาะด้วยวงจรกระบวนการที่ยาวนาน การใช้พลังงานสูง และมลภาวะที่รุนแรง ส่งผลให้ราคาสูง และจำกัดการใช้อย่างแพร่หลาย ดังนั้น การพัฒนาวิธีการผลิตไทเทเนียมต้นทุนต่ำแบบใหม่จึงมีความสำคัญอย่างยิ่งในการเร่งการเปลี่ยนแปลงของจีนจากประเทศแหล่งทรัพยากรไทเทเนียมที่สำคัญไปสู่โรงไฟฟ้าการผลิตไทเทเนียม

กระบวนการโลหะวิทยาไทเทเนียมแบบดั้งเดิม

กระบวนการถลุงไทเทเนียมแบบดั้งเดิมที่เรียกว่า "กระบวนการโครลล์" เกี่ยวข้องกับการรีดักชันไทเทเนียมเตตระคลอไรด์ (TiCl4) ด้วยโซเดียมหรือแมกนีเซียมของโลหะเพื่อให้ได้ไทเทเนียมที่เป็นโลหะ เนื่องจากไทเทเนียมผลิตขึ้นต่ำกว่าจุดหลอมเหลว จึงมีอยู่ในรูปแบบคล้ายฟองน้ำ จึงเป็นที่มาของชื่อ "ไทเทเนียมแบบฟองน้ำ" กระบวนการ Kroll ประกอบด้วยสามขั้นตอนหลัก: การเตรียมวัสดุที่มีไทเทเนียมสูง การผลิต TiCl4 และการลดขนาดและการกลั่นเพื่อผลิตฟองน้ำไทเทเนียม

กระบวนการโลหะวิทยาไทเทเนียมใหม่

เพื่อลดต้นทุนการผลิตโลหะไทเทเนียม นักวิจัยได้สำรวจวิธีการสกัดใหม่ๆ มากมาย รวมถึงกระบวนการอิเล็กโทรลิซิส TiCl4, กระบวนการ ITP (Armstrong), กระบวนการ FFC, กระบวนการ OS, กระบวนการ Pre-Reduction (PRP), กระบวนการ QT, กระบวนการ MER และกระบวนการ USTB .

อิเล็กโทรไลซิส TiCl4 สำหรับการผลิตไทเทเนียม

ไทเทเนียมออกไซด์และไทเทเนียมคลอไรด์สามารถใช้เป็นวัตถุดิบสำหรับการผลิตไทเทเนียมทางอุตสาหกรรม อย่างไรก็ตาม มีเพียงไทเทเนียมคลอไรด์เท่านั้นที่ถูกใช้เป็นสารตั้งต้นสำหรับการผลิตโลหะไทเทเนียม เนื่องจากความสามารถในการกำจัดออกซิเจนและคาร์บอนเจือปนได้อย่างมีประสิทธิภาพ การวิจัยในปัจจุบันมุ่งเน้นไปที่การเตรียมและการทำให้ TiCl4 บริสุทธิ์ โดยมีการสำรวจวิธีการต่างๆ เช่น การลดความร้อนด้วยโซเดียม การลดออกซิเจน การลดไฮโดรเจน และการแยกสลายด้วยไฟฟ้าโดยตรง

กระบวนการ Armstrong/ITP (ผงไทเทเนียมนานาชาติ)

ITP ก่อตั้งขึ้นในปี 1997 ในเมืองชิคาโก สหรัฐอเมริกา โดยใช้โซเดียมแบบก๊าซเพื่อลด TiCl4 ทำให้สามารถผลิตผงไทเทเนียมได้อย่างต่อเนื่อง วิธีนี้เกี่ยวข้องกับการฉีดไอ TiCl4 เข้าไปในกระแสของก๊าซโซเดียม ทำให้เกิดผงไทเทเนียมและ NaCl ซึ่งต่อมาถูกแยกออกผ่านการกลั่น การกรอง และการล้าง กระบวนการนี้มีความบริสุทธิ์ของผลิตภัณฑ์สูงและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม แต่ความท้าทายยังคงมีอยู่ในการลดต้นทุนการผลิตและปรับปรุงคุณภาพผลิตภัณฑ์

กระบวนการ FFC (กระบวนการเคมบริดจ์)

เสนอในปี 2000 โดยศาสตราจารย์ DJ Fray และผู้ร่วมงานของเขาที่มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ กระบวนการ FFC เกี่ยวข้องกับการอิเล็กโทรไลต์ไทเทเนียมออกไซด์ที่เป็นของแข็งเป็นแคโทด กราไฟต์เป็นแอโนด และคลอไรด์ของโลหะอัลคาไลน์เอิร์ธละลายเป็นอิเล็กโทรไลต์ วิธีการนี้เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมโดยมีวงจรการผลิตสั้น แต่ต้องเผชิญกับความท้าทาย เช่น ปริมาณออกซิเจนในผลิตภัณฑ์สูงและการไม่ต่อเนื่องของกระบวนการ

กระบวนการระบบปฏิบัติการ

พัฒนาโดย One และ Suzuki ในญี่ปุ่น กระบวนการนี้ใช้แคลเซียมที่ได้รับด้วยไฟฟ้าเพื่อลด TiO2 ให้เป็นไทเทเนียมที่เป็นโลหะ กระบวนการนี้เกิดขึ้นในการหลอม Ca/CaO/CaCl2 โดยวางผงไทเทเนียมออกไซด์ไว้ในตะกร้าแคโทด วิธีการนี้จะช่วยลดต้นทุนได้อย่างมาก แต่สามารถผลิตโลหะไทเทเนียมที่มีปริมาณออกซิเจนค่อนข้างสูง

กระบวนการพีอาร์พี

นักวิชาการชาวญี่ปุ่นเสนอว่าวิธีนี้จะผสม TiO2 กับสารฟลักซ์ เช่น CaO หรือ CaCl2 จากนั้นปั้นส่วนผสม เผาส่วนผสม และปล่อยให้ไอแคลเซียมที่อุณหภูมิสูงเพื่อผลิตผงไทเทเนียม ผงที่ได้จะมีความบริสุทธิ์ 99% โดยมีปริมาณออกซิเจนลดลง

กระบวนการ QiT

พัฒนาโดย Quebec Iron และ Titanium Inc. กระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับการแยกตะกรันไทเทเนียมด้วยไฟฟ้าในสภาพแวดล้อมเกลือหลอมเหลวเพื่อผลิตโลหะไทเทเนียม กระบวนการนี้สามารถดำเนินการได้ในหนึ่งหรือสองขั้นตอน ขึ้นอยู่กับปริมาณไทเทเนียมและระดับสิ่งเจือปนในตะกรัน

กระบวนการเมอร์

กระบวนการนี้พัฒนาโดย MER Corporation โดยใช้ TiO2 หรือรูไทล์เป็นขั้วบวกและส่วนผสมคลอไรด์เป็นอิเล็กโทรไลต์ ขั้วบวกจะปล่อยส่วนผสมของก๊าซ CO และ CO2 ในระหว่างกระบวนการอิเล็กโทรไลซิส ในขณะที่ไอออนของไทเทเนียมจะลดลงเหลือไทเทเนียมโลหะที่ขั้วแคโทด

กระบวนการ USBTB

ในปี พ.ศ. 2548 ศาสตราจารย์ Zhu Hongmin และทีมงานของเขาที่มหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีปักกิ่งได้เสนอวิธีการใหม่ในการสกัดฟองน้ำไทเทเนียมโดยกระบวนการอิเล็กโทรไลซิสของเกลือหลอมเหลว ซึ่งก็คืออิเล็กโทรไลซิสของขั้วบวก TiO·mTC ซึ่งเป็นสารละลายของแข็งที่ละลายน้ำได้ของ TiO2 และ TiC เพื่อ ผลิตไทเทเนียมบริสุทธิ์

วิธีนี้เกี่ยวข้องกับการผสมคาร์บอนและไททาเนียมไดออกไซด์ หรือไททาเนียมคาร์ไบด์กับผงไททาเนียมไดออกไซด์ในสัดส่วนปริมาณสัมพันธ์ กดให้เป็นรูปทรง จากนั้นจึงเกิดเป็นขั้วบวก TiO·mTC ที่มีความนำไฟฟ้าของโลหะภายใต้เงื่อนไขบางประการ การใช้เกลือหลอมเหลวของโลหะอัลคาไลหรือโลหะอัลคาไลน์เอิร์ธเฮไลด์เป็นอิเล็กโทรไลต์ อิเล็กโทรไลซิสจะดำเนินการที่อุณหภูมิที่กำหนด ในระหว่างกระบวนการนี้ ไทเทเนียมจะละลายลงในเกลือหลอมเหลวในรูปของไอออนวาเลนท์ต่ำและสะสมที่แคโทด ในขณะที่คาร์บอนและออกซิเจนที่มีอยู่ในขั้วบวกจะก่อตัวเป็นก๊าซคาร์บอนออกไซด์ (CO, CO2) หรือออกซิเจน (O2) ที่ถูกปล่อยออกมา . วิธีนี้สามารถผลิตผงโลหะไทเทเนียมที่มีความบริสุทธิ์สูงซึ่งมีปริมาณออกซิเจนน้อยกว่า 300×10-6 ซึ่งเป็นไปตามมาตรฐานชั้นหนึ่งของประเทศ และบรรลุประสิทธิภาพกระแสแคโทดสูงถึง 89%

ข้อดีที่โดดเด่นของวิธีนี้ ได้แก่ ความสามารถในการดำเนินการกระบวนการอิเล็กโทรไลซิสอย่างต่อเนื่องโดยไม่สร้างเมือกแอโนด ความเรียบง่ายของกระบวนการ ต้นทุนต่ำ และเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม

การสกัดไทเทเนียมโลหะเป็นพื้นที่วิจัยที่สำคัญในสาขาโลหะวิทยา และกระบวนการอิเล็กโทรไลซิสด้วยเกลือหลอมเหลวถือเป็นทางเลือกที่มีแนวโน้มมากที่สุดสำหรับกระบวนการ Kroll สำหรับโลหะวิทยาไทเทเนียม เมื่อพิจารณาถึงปริมาณสำรองที่มหาศาลและความสำคัญอย่างยิ่งยวดของทรัพยากรไทเทเนียม การใช้ประโยชน์อย่างครอบคลุมของไททาโนแมกเนติกไททาโนแมกเนติกวานาดิเฟอรัสจึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง จากการตรวจสอบสถานะการวิจัยและพัฒนาในปัจจุบันของกระบวนการสกัดไทเทเนียม กระบวนการที่ใช้ TiCl4 เป็นสารตั้งต้นมักเผชิญกับปัญหาในการลดต้นทุน ในขณะที่การเตรียมไทเทเนียมโลหะโดยตรงจาก TiO2 สมควรได้รับการวิจัยเชิงลึกเพิ่มเติม หากสามารถเอาชนะปัญหาทางเทคนิคได้ การใช้งานในระดับอุตสาหกรรมก็อาจเป็นไปได้