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美日联合开发钛提取技术
作者:姚文静 译自网络    时间:2021-07-29    点击量:133    
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钛金属具有高强、轻量、耐蚀的特性。从建筑物屋顶到现代喷气式飞机,钛金属的用途与日俱增。钛矿在地壳中分布广泛,但钛的熔炼和提纯需要特殊的高温处理,导致成本增加,同时也向大气中排放出大量二氧化碳。

如今,全球范围内的钛生产商一直在思考如何满足日益增长的钛需求,又减少温室气体的排放。美国Universal Achemetal Titanium公司(UAT)与日本东邦钛公司(Toho Titanium)合作,致力于通过减少反应方程式中的碳元素来解决这一问题。UAT是美国Universal Technical Resource公司(UTRS)与Achemetal公司成立的合资企业,其合作的目的是将其专利的钛提取和精炼工艺商业化。UTRS是一家政府服务公司。Achemetal是一家从事全球特种和稀土难熔金属的金属供应商。

商业用钛的提取主要是基于克劳尔法(Kroll)。将粉末状二氧化钛矿置于熔炼装置中,注入氯气和还原剂煤焦,温度升高到1,000左右,得到液态的四氯化钛和副产品二氧化碳气体。添加镁元素,对四氯化钛进行高温处理,得到多孔结构的纯钛,即海绵钛。海绵钛熔炼成钛锭,再加工成钛板材、线丝材或棒材。 

东邦钛称,研究员们一直寻找比克劳尔法更加先进的方法。但这些新的方法不但生产成本较高,而且钛材质量也不高。采用克劳尔法生产1吨钛会产生大约10吨二氧化碳气体。对于征收碳排放税的国家来说,生产成本会极大提高。在钛熔炼领域有许多新的尝试,但多数都无法有效地得到精练钛,因此新的熔炼技术多年来一直没有实现商业化。

现在,UAT公司研发了一种新技术有望突破这一瓶颈。在粉末状二氧化钛矿中添加氟化钙和铝金属,燃烧时,混合物发生激烈的铝热还原反应,无需使用外部燃料即可提高熔炼装置内的温度。铝热反应后氧化铝和氟化钙渣易于分离。采用电解提纯法将钛合金中的钛元素溶入电解液,之后在电极表面形成固态的树突状沉积物。水洗或通过真空分离技术得到钛金属,杂质含量比当前商业纯钛的杂质含量低。东邦钛称,这种方法与克劳尔法相比有许多优点。由于原材料不含碳元素,二氧化碳排放量大的问题得到了解决。耗电量可降低70~80%。


 


图为纤维烧结多孔薄板的扫描电镜照片(图片源自东邦钛公司)

 

在实验室阶段取得一定成果后,东邦钛在2021年将把这项新的提取技术推向新高度。东邦钛将建立中试车间,包含不同大小的电解槽,以优化电解提纯工艺。东邦钛称,中试车间的独特之处是电解槽中间的闸阀。一旦获得沉积的钛,可将钛金属提升至闸阀之处,将上下部分进行分离。电解提纯工艺的改进可大幅减少钛中的杂质。通过常规方法生产的海绵钛含氧量通常为0.02~0.05%。使用电解提纯工艺后,含氧量可降至0.03%,其它杂质含量降至百万分之一。钛金属的应用领域将进一步扩大。

东邦钛称,公司电沉积技术取得很大成功,无需轧制或退火,可在电极表面产生普通纸厚度的钛薄膜,操作员用手即可将其分离。公司生产粉末或纤维烧结多孔薄板,长约1m,用于氢能系统。新的熔炼技术使制造过程更加环保。多数顾客当前考虑的问题是如何降低碳排放量。东邦钛预计,2030年公司将实现二氧化碳排放量在2018年的基础上降低40%,2050年实现碳中和目标。



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