Tytan występuje w skorupie ziemskiej w dużych ilościach, a Chiny zajmują pierwsze miejsce na świecie pod względem zasobów tytanu, a potwierdzone zasoby stanowią około 38,8% światowych zasobów. Zasoby te są rozmieszczone w ponad 100 obszarach wydobywczych w ponad 20 prowincjach i regionach, skupionych głównie w południowo-zachodnich, środkowo-południowych i północnych regionach Chin. W szczególności złoża magnetytu wanadowo-tytanowego w regionie Panxi są znane na całym świecie ze swoich znacznych rezerw, stanowiących 92% chińskich zasobów tytanu, co stanowi solidną podstawę dla krajowego przemysłu tytanowego. Jednakże obecny proces produkcji tytanu charakteryzuje się długimi cyklami technologicznymi, wysokim zużyciem energii i poważnymi zanieczyszczeniami, co prowadzi do wysokich cen i ogranicza jego powszechne zastosowanie. W związku z tym opracowanie nowych, tanich metod produkcji tytanu ma ogromne znaczenie dla przyspieszenia transformacji Chin z kraju będącego głównym źródłem tytanu w potęgę produkcyjną tytanu.
Tradycyjny proces metalurgiczny tytanu
Tradycyjny proces wytapiania tytanu, znany jako „proces Krolla”, polega na redukcji czterochlorku tytanu (TiCl4) metalicznym sodem lub magnezem w celu otrzymania metalicznego tytanu. Ponieważ tytan jest wytwarzany poniżej jego temperatury topnienia, występuje w postaci gąbczastej, stąd nazwa „tytan gąbczasty”. Proces Krolla składa się z trzech głównych etapów: przygotowania materiałów bogatych w tytan, produkcji TiCl4 oraz redukcji i destylacji w celu wytworzenia tytanu gąbczastego.
Nowe procesy metalurgiczne tytanu
Aby obniżyć koszty produkcji metalicznego tytanu, badacze zbadali wiele nowych metod ekstrakcji, w tym elektrolizę TiCl4, proces ITP (Armstronga), proces FFC, proces OS, proces wstępnej redukcji (PRP), proces QT, proces MER i proces USTB .
Elektroliza TiCl4 do produkcji tytanu
Tlenki i chlorki tytanu mogą służyć jako surowce do przemysłowej produkcji tytanu. Jednakże jako prekursor do produkcji tytanu metalicznego stosowano wyłącznie chlorek tytanu ze względu na jego zdolność do skutecznego usuwania zanieczyszczeń tlenowych i węglowych. Obecne badania skupiają się na wytwarzaniu i oczyszczaniu TiCl4, przy czym badane są takie metody, jak termiczna redukcja sodu, redukcja tlenu, redukcja wodoru i bezpośrednia elektroliza.
Proces Armstronga/ITP (Międzynarodowy Proszek Tytanu).
Założona w 1997 roku firma ITP z siedzibą w Chicago w USA wykorzystuje gazowy sód do redukcji TiCl4, umożliwiając ciągłą produkcję proszku tytanowego. Metoda ta polega na wtryskiwaniu par TiCl4 do strumienia gazowego sodu, w wyniku czego powstaje proszek tytanowy i NaCl, które następnie oddziela się poprzez destylację, filtrację i przemywanie. Proces ten charakteryzuje się wysoką czystością produktu i przyjaznością dla środowiska, ale nadal istnieją wyzwania związane z redukcją kosztów produkcji i poprawą jakości produktu.
Proces FFC (proces Cambridge)
Zaproponowany w 2000 roku przez profesora DJ Fraya i jego współpracowników z Uniwersytetu w Cambridge, proces FFC obejmuje elektrolizę stałego tlenku tytanu jako katody, grafitu jako anody i stopionego chlorku metalu ziem alkalicznych jako elektrolitu. Metoda ta jest przyjazna dla środowiska, charakteryzuje się krótkim cyklem produkcyjnym, ale wiąże się z wyzwaniami, takimi jak wysoka zawartość tlenu w produkcie i nieciągłość procesu.
Proces systemu operacyjnego
Proces ten, opracowany przez One i Suzuki w Japonii, wykorzystuje wapń otrzymany elektrolitycznie w celu redukcji TiO2 do metalicznego tytanu. Proces odbywa się w stopieniu Ca/CaO/CaCl2, w którym w koszu katodowym umieszczony jest proszek tlenku tytanu. Metoda zapewnia znaczną redukcję kosztów, ale pozwala uzyskać tytan metaliczny o stosunkowo wysokiej zawartości tlenu.
Proces PRP
Metoda ta, zaproponowana przez japońskich uczonych, polega na mieszaniu TiO2 z topnikami, takimi jak CaO lub CaCl2, kształtowaniu mieszaniny, spiekaniu jej i wystawianiu na działanie par wapnia w wysokich temperaturach w celu wytworzenia proszku tytanowego. Powstały proszek może osiągnąć czystość 99% przy zmniejszonej zawartości tlenu.
Proces QiT
Opracowany przez Quebec Iron and Titanium Inc. proces ten polega na elektrolizie żużla tytanowego w środowisku stopionej soli w celu wytworzenia tytanu metalicznego. Proces można przeprowadzić jedno lub dwuetapowo, w zależności od zawartości tytanu i poziomu zanieczyszczeń w żużlu.
Proces MER
Opracowany przez MER Corporation, proces ten wykorzystuje TiO2 lub rutyl jako anodę i mieszaninę chlorków jako elektrolit. Anoda emituje mieszaninę gazów CO i CO2 podczas elektrolizy, podczas gdy jony tytanu są redukowane na katodzie do metalicznego tytanu.
Proces USTB
W 2005 roku profesor Zhu Hongmin i jego zespół z Uniwersytetu Naukowo-Technologicznego w Pekinie zaproponowali nowatorską metodę ekstrakcji tytanu gąbczastego poprzez elektrolizę stopionej soli – elektrolizę anody TiO·mTC, rozpuszczalnego stałego roztworu TiO2 i TiC, w celu uzyskania produkować czysty tytan.
Metoda ta polega na mieszaniu proszków węgla i dwutlenku tytanu lub węglika tytanu i dwutlenku tytanu w proporcjach stechiometrycznych, prasowaniu ich w odpowiedni kształt, a następnie w określonych warunkach formowaniu anody TiO·mTC o przewodności metalicznej. Stosując jako elektrolit stopioną sól metali alkalicznych lub halogenków metali ziem alkalicznych, elektrolizę przeprowadza się w określonej temperaturze. Podczas tego procesu tytan rozpuszcza się w stopioną sól w postaci niskowartościowych jonów i osadza się na katodzie, natomiast węgiel i tlen zawarte w anodzie tworzą gazowe tlenki węgla (CO, CO2) lub tlen (O2), które są uwalniane . Metodą tą można uzyskać proszek tytanowo-metaliczny o wysokiej czystości o zawartości tlenu poniżej 300×10-6, spełniający krajowe standardy pierwszej klasy i osiągający wydajność prądową katody do 89%.
Do znaczących zalet tej metody należy możliwość ciągłego prowadzenia procesu elektrolizy bez wytwarzania szlamu anodowego, prostota procesu, niski koszt i przyjazność dla środowiska.
Ekstrakcja tytanu metalicznego jest znaczącym obszarem badań w metalurgii, a proces elektrolizy stopionej soli jest uważany za najbardziej obiecującą alternatywę dla procesu Krolla w metalurgii tytanu. Biorąc pod uwagę ogromne zasoby i krytyczne znaczenie zasobów tytanu, wszechstronne wykorzystanie tytanomagnetytu wanadiferycznego ma ogromne znaczenie. Analizując aktualny stan badań i rozwoju procesów ekstrakcji tytanu, procesy wykorzystujące TiCl4 jako prekursor generalnie napotykają trudności w redukcji kosztów, natomiast bezpośrednie przygotowanie metalicznego tytanu z TiO2 zasługuje na dalsze pogłębione badania. Jeśli uda się przezwyciężyć problemy techniczne, możliwe stanie się zastosowanie na skalę przemysłową.
