鈦的應用及金屬鈦的制備工藝

崔 璇，彭 風，朱科明

（1.華北理工大學冶金與能源學院，河北 唐山 063210；2.華北理工大學機械工程學院，河北 唐山 063210）

鈦位于元素周期表第四周期，第四副族。鈦在自然界的儲存量豐富，在所有元素中居第十位，但因其存在分散并難于提取，所以被稱為稀有金屬[1,2]。因其具有很多良好的性質，在諸多領域被廣泛應用。良好的耐高溫、耐低溫、抗強酸、抗強堿，以及高強度、低密度性，使得它被廣泛應用在航空航天、海洋應用、醫學、建筑等領域。但是由于鈦活潑的化學性質，對o、N、C、H 元素的親合力較強[3]，使其提取過程十分復雜，且生產能耗高，因此金屬鈦的價格高昂。鈦金屬在諸多領域的應用，使得鈦金屬制備的研究具有重要的意義[4]，目前國內外鈦的提取方法主要有金屬熱還原法，電化學還原法，電解精煉法，碘化精煉法等。

1 鈦的性質

1.1 生物相容性

鈦具有的親生物性，使得它在外科醫療手術上有較為廣泛的應用。由金屬鈦制成的醫療器械在人體內能夠抵擋人體分泌物的腐蝕，且對人體無害，適應多種殺菌方法。因其良好的生物相容性，在“人造骨骼”的發展領域，鈦金屬發揮了重要的作用。如人造髖關節，人造頭蓋骨[5]。鈦金屬在外科手術領域也發揮了重要的作用，如在骨頭損壞的地方用鈦片和鈦螺絲固定骨頭，數月之后，新的肌肉纖維就可以包在鈦的薄片上，從而起到支撐加固的作用[6]。

1.2 裝飾性

鈦金屬經氧化處理形成的二氧化鈦膜層，利用光的干涉，膜層的不同厚度，從而發出不同的顏色，由此可以形成彩色的鈦合金板。同時利用鈦金屬表面粗糙程度的不同，鈦金屬表面會產生微妙的變化，從而獲得具有金屬光澤的彩色涂層涂料。

1.3 耐熱性

鈦具有良好的耐熱性使得鈦金屬在航空航天領域和軍工領域都有諸多的應用。金屬鈦及其合金是制造高溫部件的重要材料。如飛機發動機、燃燒室、渦輪盤、渦輪軸[8]以及火箭和飛機的噴口等大多由鈦及其合金制得。鈦作為一種極好的絕熱材料，熱導率僅為鐵的1/5，鋁的1/10，使得鈦成為能源效率極高的材料。

1.4 耐蝕性

鈦在熱力學上是屬于較活潑的金屬，其平衡電位接近鋁，數值為-1.63V。但因其在空氣與水中會快速形成一層致密的氧化膜，故鈦具有很強的耐酸堿腐蝕能力，其防腐性能遠超鋼鐵。因此鈦金屬被應用制造船體和潛艇的外殼。同時使用鈦金屬制成的海水管道系統，其使用的壽命是鋼鐵的十倍以上。由于其良好的耐蝕性，使得鈦金屬成為最能適應海洋環境的金屬的原材料之一。生活應用方面，純鈦假牙以及鈦合金假牙都被廣泛應用。同時鈦在沿海發電站等基礎海洋設施上也起到了重要的作用。

1.5 高強度、低密度性

海水管道系統使用的Ti-3Al-3.5V 合金，口徑650mm,長度350mm,重達80 余噸，使得鈦金屬使管道質量減輕到原來質量的一半，從而大大的減輕了壓載成本。利用這一特點使得鈦金屬在生活中也有廣泛的應用，如高質量的自行車架以及高爾夫球桿等。純鈦假牙也因為這一性質增加了使用的舒適性，減輕了余留組織的負擔，同時避免了過多的磨損。軍事方面，由鈦合金制造的核潛艇的下潛深度是一般潛艇的兩倍以上[9]。

2 金屬鈦的制取

2.1 金屬熱還原法

金屬熱還原法是在高溫下利用金屬還原劑與金屬氧化物或氯化物反應制備金屬。目前提煉金屬鈦的方法主要為Kroll 法和Hunter 法，它們分別利用鎂、鈉作為還原劑。該工藝具有操作簡便，回收率高的特點。對于金屬鈦的制備，依據還原劑的種類主要分為以下幾種方法；鎂（鈉）熱還原法、Armstrong 法、EMR 法。-鎂（鈉）還原法利用鎂（鈉）還原四氯化鈦制備海綿鈦，然后在氬氣的保護下，在1073～1173K 下將四氯化鈦與硝酸鈉混合反應后通過真空蒸溜法除去雜質[10，11]；Armstrong 法[12]鈉還原法使四氯化鈦氣體與流動的金屬鈉液混合反應，經過過濾等操作后得到鈦粉；美國麻省理工大學的Sadoray 和okabe提出的EMR 法[13，14]將熔鹽介質中四氯化鈦的反應分解為兩步Mg=Mg2++2e-，Ticl4+4e-=Ti+4Cl-其優點是可控產物的形態，且可連續生產。

2.2 碘化精煉法

碘化精煉法就是利用碘化鈦分解反應將含雜質的鈦提煉為高純鈦，使鈦的純度達到99%以上[15]。鈦中的雜質不能和碘相互作用從而達到與鈦分離的目的。該法是在373～473K 溫度的反應條件下將含雜質的鈦與碘作用，生成的鈦化鈦蒸汽再在1573～1773K 的金屬絲上發生離解，生成固體鈦和氣體碘[16]。碘化精煉法具有操作簡便、氣體雜質去除效果好的特點。

2.3 電解精煉法

電解精煉法主要是以鈦或其合金為可溶性陽極，以銅棒為陰極，在熔鹽電解質中進行電解，從而提純鈦金屬。該工藝能有效除去雜質氣體以及碳、硅等非金屬雜質和鐵、錫、鉬等金屬雜質[17]。陳付時[17]采用電解精煉法在離子濃度為3%～6%的電解質溶液中，其平均價2.2～2.3，初始陰極電流密度為0.3～1.5A/cm2，陽極電流密度為小于4.5A/cm2電解溫度為1073～1123K 時提取效果較好。電解反應如下：

2.4 電化學還原法

電化學還原法是將鈦中固溶氧的濃度降到檢出界限以下[18]。D.G.等人認為除氧的過程中，o2以Co2或Co 的形式析出，鈣在電解氯化鈣熔鹽中產生。工業流程中以低于3.2V 的電解電壓進行電解，使二氧化鈦轉化為海綿鈦。該工藝的生產價格較低，對o2具有一定的溶解度，且易于控制無污染。

3 結語

隨著人民物質生活水平的提高以及國防軍事實力的提高，金屬鈦因其具有諸多良好的性能，必然會受到更多的關注。鈦在諸多領域有廣泛的應用，尤其在軍工航天業上的應用，鈦及其合金在精工、醫療、體育用品等方面也有巨大的作用。問題的關鍵是鈦的制備。如金屬熱還原法的成本較高，還原效率低且間歇式生產，需開發新的低成本的連續化工藝。金屬熱還原法會產生污染空氣的毒氣，電解精煉法對鋁、錳等雜質的效果較差。針對上述問題，對于鈦的制備及其制備工藝需要進一步的探索和研究。