Logam titanium yang diperoleh dari bijih mentah disebut titanium spons karena penampilannya yang berpori dan seperti spons. Titanium sangat melimpah sebagai unsur kimia. Di antara unsur logam yang paling melimpah di kerak bumi, titanium menempati urutan keempat (setelah Al, Fe dan Mg). Mineral pertama yang digunakan untuk menghasilkan titanium adalah rutile ( TiO2) atau ilmenit (FeTiO3), pembuatan logam titanium dari mineral bijih ini dibagi menjadi 5 langkah atau prosedur yang berbeda, yaitu:
(1) Mineral diklorinasi untuk membentuk TiCl4;
(2) pemurnian distilasi TiCl;
(3) Reduksi TiCl4 untuk menghasilkan logam titanium [proses Kroll];
(4) Hapus produk sampingan dari proses reduksi untuk memurnikan logam titanium (titanium spons);
(5) Penghancuran dan grading logam titanium untuk mendapatkan produk yang sesuai untuk tahap selanjutnya dari titanium murni komersial (titanium CP) dan peleburan paduan titanium.
Proses klorinasi tidak memerlukan kemurnian rutil yang tinggi. Jika ilmenit digunakan sebagai pengganti rutil, bahan bakunya adalah terak titanium yang kaya akan TiO2, yang merupakan produk sampingan dari peleburan ilmenit dengan karbon dalam tungku listrik untuk menghasilkan besi. Reaksi klorinasi berlangsung dalam tungku mendidih yang mengandung TiO2, pengotor dan karbon (kokas) yang masuk ke klorinator bersama dengan rutil, lihat Gambar 3.1. Dalam kontak dengan karbon, produk reaksi adalah logam klorida (MClx), CO2, CO dan gas TiCl4 (titik didih TiCl4 adalah 136 derajat C), produk reaksi ini dikeluarkan dari saluran atas reaktor dan langsung masuk ke fraksinasi satuan (lihat Gambar 3.2).
Rumus dasar reaksi klorinasi adalah sebagai berikut:
TiO2 ditambah 2Cl2 ditambah C→TiCl4 ditambah CO2
dan
TiO2 ditambah 2Cl2 ditambah 2C→TiCl4 ditambah 2CO
Tahap kedua dalam proses produksi adalah tahap distilasi, karena TiCl4 primer dari tahap klorinasi perlu dimurnikan lebih lanjut. Pemurnian dilakukan dengan distilasi fraksional TiCl4 seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.2, yang menunjukkan proses pemurnian distilasi dua langkah. Langkah pertama adalah menghilangkan kotoran dengan titik didih rendah, seperti CO dan CO2, dan langkah kedua adalah menghilangkan kotoran dengan titik didih tinggi, seperti SiCl4 dan SnCl4. TiC4 yang dimurnikan telah disimpan di bawah perlindungan gas inert sampai digunakan.
Tahap selanjutnya dalam proses produksi adalah reduksi TiCl4, proses Kroll. TiCl4 yang telah dimurnikan ditambahkan ke dalam reaktor yang diisi dengan logam magnesium dan diisi dengan gas inert. Ketika dipanaskan hingga 800~850 derajat , reaksi reduksi umum berikut terjadi:
TiCl4 ditambah 2Mg→Ti ditambah 2MgCl2
Reaksi sebenarnya diselesaikan dengan dua langkah berikut:
TiCl4 ditambah Mg→TiCl2 ditambah MgCl2
diikuti oleh
TiCl2 ditambah Mg→Ti ditambah MgCl2
Diagram skema reaktor reduksi Kroll ditunjukkan pada Gambar 3.3. Reaktor reduksi di sebelah kiri digabungkan dengan penyuling vakum di sebelah kanan. Reaksi reduksi pertama kali dipelajari oleh Kroll pada akhir tahun 1930-an, dan proses reduksi TiCl4 dengan Mg masih disebut proses Kroll. Produk akhir titanium logam yang direduksi dengan rumus reaksi di atas sendiri cukup murni, tetapi titanium logam murni akan bercampur dengan MgCl2. Dengan kemajuan proses reduksi Kroll, sebagian besar MgCl2 dihilangkan secara terus menerus, tetapi ada jumlah residu tertentu, penghilangannya akan dibahas pada tahap pemurnian logam titanium berikutnya.
Karena reaksi reduksi adalah reaksi eksotermik, laju penambahan TiCl4 ke reaktor yang mengandung Mg harus berada di bawah suhu yang dapat dikontrol, yang diperlukan untuk mencegah pembentukan reaktan padat padat dan menghambat penguapan produk lain. Produk dari reaksi ini adalah campuran logam titanium dan MgCl2, yang disebut "blok titanium spons", yang merupakan produk dari proses Kroll.
Pada awal tahun 1910, Hunter menegaskan bahwa TiCl4 dapat direduksi dengan lelehan Na, dan metode pembuatan spons titanium ini disebut metode Hunter. Antara tahun 1960 dan 1995, sejumlah besar titanium spons diproduksi dengan menggunakan metode ini. Saat ini, tidak ada pabrik untuk produksi spons titanium skala besar yang menggunakan metode ini, terutama karena penggunaan magnesium sebagai zat pereduksi lebih menarik daripada penggunaan natrium dari sudut pandang ekonomi.
Langkah selanjutnya dalam proses produksi adalah pemurnian titanium metalik, yaitu penghilangan sisa MgCl2 dari blok titanium spons. MgCl2 dapat dipisahkan dengan salah satu metode berikut: pencucian asam, pembersihan gas inert atau distilasi vakum. Metode pertama memanfaatkan kelarutan istimewa MgCl2 dalam larutan asam, dan MgCl2 dapat dihilangkan dari spons titanium yang terfragmentasi dengan metode pelindian pemisahan yang tidak lagi digunakan secara luas. Metode lain memiliki keuntungan menghilangkan MgCl langsung di reaktor Kroll. Metode ini memanfaatkan tekanan uap tinggi MgCl untuk secara selektif menghilangkan MgCl dengan penguapan diikuti oleh kondensasi untuk memulihkan Mg dan Cl dari titanium spons, dan aturan gas inert adalah menggunakan argon sebagai pembawa untuk mengangkut uap MgCl2.
Gambar 3.3 adalah diagram skema dari proses distilasi vakum (VDP). Dalam proses ini, blok titanium spons dipanaskan di bawah vakum di reaktor Kroll di sebelah kiri. Pada saat ini, MgCl2 yang mudah menguap dan logam Mg berlebih disebabkan oleh tekanan uap dan terkondensasi di bejana lain (lihat bejana kanan pada Gambar 3.3), yang setelah penambahan Mg baru, berfungsi sebagai reaktor Kroll untuk periode reduksi berikutnya, sedangkan wadah dengan blok spons titanium di sebelah kiri pada Gambar 3.3 diganti dengan tangki kosong, yang merupakan proses semi-kontinyu dengan keuntungan ekonomis. Di antara tiga proses pemurnian spons titanium, blok spons titanium yang diolah dengan proses distilasi vakum (VDP) memiliki kandungan zat volatil yang paling rendah. Karena perpindahan massa dalam reaktor di bawah proses distilasi vakum (VDP) pada suhu tinggi (700~850 derajat ), yaitu spons titanium memang akan menyerap sejumlah kecil Fe dan Ni dari reaktor stainless steel. Di antara superalloy, Ni terutama tidak diinginkan karena kandungan Ni di atas batas mengurangi kekuatan mulurnya, yang juga berlaku dalam sintering blok sponge titanium.
Dalam kedua proses (pembersihan gas inert dan VDP), Mg dan Cl2 dipulihkan dan didaur ulang. Saat ini, produksi spons titanium dengan reduksi Mg pada dasarnya telah mencapai produksi loop tertutup batch, tetapi perlu untuk "mencampur" jumlah Mg dan Cl2 yang sesuai di antara batch.
Langkah terakhir dalam proses produksi adalah penghancuran dan grading spons titanium. Setelah menghilangkan kelebihan Mg dan MgCl2, spons titanium curah dipecah menjadi titanium metalik granular. Setelah penghancuran dan klasifikasi, nilai yang lebih kasar dari spons titanium dicukur untuk lebih mengurangi ukurannya. Operasi penghancuran dan pemotongan dilakukan di udara, tetapi harus berhati-hati karena titanium adalah bahan piroforik yang potensial, dan sumber pengapian apa pun yang terjadi selama operasi akan menghasilkan area yang kaya nitrogen dan mencemari spons titanium, yang mengakibatkan peleburan berikutnya. cacat. Temperatur operasi yang lebih tinggi dari proses VDP membuat sulit untuk membagi blok spons titanium. Kecuali ada permintaan khusus, produsen titanium spons tidak akan mengejar produksi produk dengan ukuran partikel rata-rata aktual kurang dari 3~5cm, yang tidak hanya menghilangkan biaya operasi penghancuran dan penggeseran lebih lanjut, tetapi juga menghindari risiko kebakaran. dalam titanium spons selama operasi ini. . Ukuran partikel spons titanium yang diinginkan atau spesifik tergantung pada produk akhir yang akan diproduksi. Spons titanium berbutir kasar (hingga 2,5 cm) dapat digunakan untuk memproduksi titanium murni komersial (titanium CP) dan sebagian besar standar paduan titanium. Di bidang kinerja tinggi, seperti bilah mesin pesawat, ukuran partikel yang lebih kecil (maksimum 1 cm) dari spons titanium diperlukan, yang terutama didasarkan pada pertimbangan cacat stabilitas celah dalam penerapan material kelas bilah. Ukuran partikel titanium spons tersebut adalah seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.4.
Untuk proses produksi logam titanium lainnya, penelitian telah dilakukan selama bertahun-tahun, dan sebagian besar penelitian ditujukan untuk mengurangi biaya produksi titanium spons, tetapi umumnya tidak berhasil. Elektrolit (juga disebut electrowinning) produksi titanium adalah contoh yang menarik, dan Dow-Howmet berhasil membangun pabrik demonstrasi skala pilot di Amerika Serikat antara tahun 1975 dan 1985 [3.3 ], Karena penurunan di pasar titanium pada waktu itu, produksi skala besar tidak dapat dilakukan. Oleh karena itu, dapat dikatakan bahwa, pada kenyataannya, sistem yang cukup andal untuk melakukan reduksi elektrolitik skala besar belum terwujud, dan masalah yang harus diverifikasi adalah menyegel reduksi elektrolitik besar. Kemampuan sel untuk menjaga lingkungan operasi yang bersih dan stabilitas jangka panjang dari elektroda.
Selain itu, upaya baru-baru ini untuk menghasilkan titanium dengan kemurnian tinggi melalui elektrorefining telah sangat berhasil baik secara teknis maupun ekonomis. Pemurnian elektrolit pertama-tama melarutkan titanium tidak murni dalam elektrolit, dan kemudian menyimpannya kembali sebagai titanium dengan kemurnian tinggi. Dengan mengontrol kondisi pengendapan dan kemurnian elektrolit dengan hati-hati, produk dengan kemurnian tinggi dapat diperoleh, dan logam dengan kemurnian tinggi ini dapat dijadikan target sputtering untuk produksi perangkat elektronik. Kelayakan ekonomi pemurnian elektrolitik titanium adalah bahwa pengguna yang menggunakan bahan titanium kemurnian tinggi menggunakan produk bernilai tambah tinggi ini dalam jumlah yang relatif kecil, yang sama sekali berbeda dari penerapan bahan struktural dalam hal ekonomi.
Saat ini, proses baru untuk mempersiapkan titanium spons sedang dipelajari secara mendalam, yang disebut Electro-Deoxidation (EDO)TM. Proses EDO menggunakan kolam cair CaCl2 cair dan elektroda grafit untuk memisahkan oksigen dari ion yang mengandung titanium oksida melalui elektrolisis, sehingga mengubah katoda TiO2 yang dipadatkan atau disinter menjadi titanium, dan titanium logam berpori diendapkan pada katoda asli setelah reaksi . Pada prinsipnya, jika kandungan oksigen dari elemen paduan yang diinginkan dicampur dengan oksigen katoda dan direduksi secara elektrolisis dengan TiO2, maka proses ini juga memiliki kemampuan untuk menyiapkan spons titanium pra-paduan, tetapi efek yang dicapai dengan proses ini sangat terbatas, dan kemungkinan produksi skala besar masih perlu dianalisis dan dibenarkan, namun prosesnya menarik karena beberapa alasan. Pertama, dapat menyiapkan spons titanium pra-paduan, yang akan menghilangkan langkah-langkah persiapan spons titanium, pencampuran elemen paduan, pemadatan mekanis, dll., Yang semuanya untuk persiapan elektroda peleburan awal untuk peleburan logam ingot, yang akan sangat mengurangi biaya Manufaktur; Kedua, proses memiliki kemampuan untuk menambahkan elemen paduan (seperti W, Cu, dll.) ke titanium, yang sulit dipraktikkan untuk ingot logam tradisional, yang akan dibahas nanti. Proses baru membuka kemungkinan untuk memilih beberapa elemen paduan secara bersamaan, yang sebelumnya tidak mungkin dibayangkan karena keterbatasan peleburan. Kelayakan teknis proses EDO telah dikonfirmasi, tetapi banyak detail setelah peningkatan skala, mulai dari reproduktifitas hingga biaya produksi, masih memerlukan penelitian dan analisis mendalam. Meskipun tidak jelas apakah proses EDO akan tersedia secara komersial di masa depan, disebutkan di sini karena perubahan revolusionernya.
Hubungi kami untuk informasi lebih lanjut. Terima kasih
Nicole
Perusahaan: Baoji Jimiyun Dynamic Co., Ltd
Negara: Cina
Tambahkan: Jalan Baoti, Jintai, kota Baoji, Shaanxi, Cina
Sel: ditambah 86 13369210920
Gmail:nicole@jmyunti.com
Situs web: www.jm-titanium.com
