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7440-32-6 / 鈦的制備與應用

鈦被認為是一種稀有金屬,這是由于在自然界中其存在分散并難于提取。但其相對豐度在所有元素中居第十位。鈦的礦石主要有鈦鐵礦及金紅石,廣布于地殼及巖石圈之中。鈦亦同時存在于幾乎所有生物、巖石、水體及土壤中。從主要礦石中萃取出鈦需要用到克羅爾法或亨特法。鈦最常見的化合物是二氧化鈦,可用于制造白色顏料。其他化合物還包括四氯化鈦(TiCl4,作催化劑及用于制造煙幕或空中文字)及三氯化鈦(TiCl3,用于催化聚丙烯的生產)。

鈦能與鐵、鋁、釩或鉬等其他元素熔成合金,造出高強度的輕合金,在各方面有著廣泛的應用,包括宇宙航行(噴氣發動機、導彈及航天器)、軍事、工業程序(化工與石油制品、海水淡化及造紙)、汽車、農產食品、醫學(義肢、骨科移植及牙科器械與填充物)、運動用品、珠寶及手機等等。

鈦的制備與應用

鈦的產業鏈

鈦產業鏈可以分為以下四個部分:

1.鈦鐵礦、金紅石等原始礦產的選礦,通過物理方法取得品位更高的精礦

2. 通過對精礦的再加工提純,制取高純度的二氧化鈦,用于鈦白粉行業。

3. 通過對二氧化鈦的氧化、還原等工藝手段生成四氯化鈦,制取中間產品海綿鈦

4. 通過對海綿鈦的熔鑄加工,制取晶體結構致密的鈦錠,用于生產鈦材及各種鈦合金

制備

鈦(精礦)

處理鈦金屬主要分四個步驟:一、把鈦礦石還原成“海綿體”(一種透氣的形態);二、制造鑄錠,熔化海綿體(或用海綿體加一種母合金)來形成鑄錠;三、初步制造,把鑄錠制成一般機械制品,如坯、棒、板、片、條及管;四、加工制造,把機械制品進一步加工成型。

由于鈦在高溫時會與氧氣反應的關系,所以不能用還原反應來從氧化物中提煉鈦。因此商業上提煉鈦金屬要用到克羅爾法,一種既繁復又昂貴的分批處理法。(鈦的市價相對地高,是因為在提煉的過程中,需要氧化另一種昂貴的金屬——鎂。)在克羅爾法中,氧化物首先經過碳氯化,轉化成氯化物,過程中氯氣會在有碳的情況下,通過紅熱的金紅石或鈦鐵礦,生成四氯化鈦(TiCl4)。氯化物經分餾法濃縮及提純后,在800攝氏度的氬氣中被熔鎂還原成鈦。

一種最近開發的提煉法,FFC劍橋法,日后有可能完全取代克羅爾法。此法的原料是粉末狀的二氧化鈦(一種精煉過的金紅石),而最后成品則會是鈦粉末或海綿體。假如在原料的粉末中混入粉末狀的氧化物,那么成品就會是廉價鈦合金,這樣做比使用一般的多步熔化法要便宜得多。FFC劍橋法使鈦不像從前那樣的如此稀少和昂貴,可為航天工業及奢侈品市場提供更多的選擇,同時可取代一些制品中的鋁或特殊等級的鋼。

一般鈦合金是由還原反應所造出來的。例如,銅鈦合金(把加了銅的金紅石還原而成)、碳鈦鐵合金(把鈦鐵礦和焦炭用電爐還原而成)和錳鈦合金(金紅石加錳或氧化錳)都是經還原而成的。

2FeTiO3+ 7Cl2+ 6C—900℃→ 2TiCl4+ 2FeCl3+ 6CO

TiCl4+ 2Mg—1100℃→ 2MgCl2+ Ti

應用

鈦是20世紀50年代發展起來的一種重要的結構金屬,鈦合金具有密度低、比強度高、耐蝕性好、導熱率低、無毒無磁、可焊接、生物相容性好、表面可裝飾性強等特性,廣泛應用于航空、航天、化工、石油、電力、醫療、建筑、體育用品等領域。世界上許多國家都已經認識到鈦合金材料的重要性,相繼對其進行研究開發,并得到了實際應用。