钛的应用及金属钛的制备工艺

崔 璇，彭 风，朱科明

（1.华北理工大学冶金与能源学院，河北 唐山 063210；2.华北理工大学机械工程学院，河北 唐山 063210）

钛位于元素周期表第四周期，第四副族。钛在自然界的储存量丰富，在所有元素中居第十位，但因其存在分散并难于提取，所以被称为稀有金属[1,2]。因其具有很多良好的性质，在诸多领域被广泛应用。良好的耐高温、耐低温、抗强酸、抗强碱，以及高强度、低密度性，使得它被广泛应用在航空航天、海洋应用、医学、建筑等领域。但是由于钛活泼的化学性质，对o、N、C、H 元素的亲合力较强[3]，使其提取过程十分复杂，且生产能耗高，因此金属钛的价格高昂。钛金属在诸多领域的应用，使得钛金属制备的研究具有重要的意义[4]，目前国内外钛的提取方法主要有金属热还原法，电化学还原法，电解精炼法，碘化精炼法等。

1 钛的性质

1.1 生物相容性

钛具有的亲生物性，使得它在外科医疗手术上有较为广泛的应用。由金属钛制成的医疗器械在人体内能够抵挡人体分泌物的腐蚀，且对人体无害，适应多种杀菌方法。因其良好的生物相容性，在“人造骨骼”的发展领域，钛金属发挥了重要的作用。如人造髋关节，人造头盖骨[5]。钛金属在外科手术领域也发挥了重要的作用，如在骨头损坏的地方用钛片和钛螺丝固定骨头，数月之后，新的肌肉纤维就可以包在钛的薄片上，从而起到支撑加固的作用[6]。

1.2 装饰性

钛金属经氧化处理形成的二氧化钛膜层，利用光的干涉，膜层的不同厚度，从而发出不同的颜色，由此可以形成彩色的钛合金板。同时利用钛金属表面粗糙程度的不同，钛金属表面会产生微妙的变化，从而获得具有金属光泽的彩色涂层涂料。

1.3 耐热性

钛具有良好的耐热性使得钛金属在航空航天领域和军工领域都有诸多的应用。金属钛及其合金是制造高温部件的重要材料。如飞机发动机、燃烧室、涡轮盘、涡轮轴[8]以及火箭和飞机的喷口等大多由钛及其合金制得。钛作为一种极好的绝热材料，热导率仅为铁的1/5，铝的1/10，使得钛成为能源效率极高的材料。

1.4 耐蚀性

钛在热力学上是属于较活泼的金属，其平衡电位接近铝，数值为-1.63V。但因其在空气与水中会快速形成一层致密的氧化膜，故钛具有很强的耐酸碱腐蚀能力，其防腐性能远超钢铁。因此钛金属被应用制造船体和潜艇的外壳。同时使用钛金属制成的海水管道系统，其使用的寿命是钢铁的十倍以上。由于其良好的耐蚀性，使得钛金属成为最能适应海洋环境的金属的原材料之一。生活应用方面，纯钛假牙以及钛合金假牙都被广泛应用。同时钛在沿海发电站等基础海洋设施上也起到了重要的作用。

1.5 高强度、低密度性

海水管道系统使用的Ti-3Al-3.5V 合金，口径650mm,长度350mm,重达80 余吨，使得钛金属使管道质量减轻到原来质量的一半，从而大大的减轻了压载成本。利用这一特点使得钛金属在生活中也有广泛的应用，如高质量的自行车架以及高尔夫球杆等。纯钛假牙也因为这一性质增加了使用的舒适性，减轻了余留组织的负担，同时避免了过多的磨损。军事方面，由钛合金制造的核潜艇的下潜深度是一般潜艇的两倍以上[9]。

2 金属钛的制取

2.1 金属热还原法

金属热还原法是在高温下利用金属还原剂与金属氧化物或氯化物反应制备金属。目前提炼金属钛的方法主要为Kroll 法和Hunter 法，它们分别利用镁、钠作为还原剂。该工艺具有操作简便，回收率高的特点。对于金属钛的制备，依据还原剂的种类主要分为以下几种方法；镁（钠）热还原法、Armstrong 法、EMR 法。-镁（钠）还原法利用镁（钠）还原四氯化钛制备海绵钛，然后在氩气的保护下，在1073～1173K 下将四氯化钛与硝酸钠混合反应后通过真空蒸溜法除去杂质[10，11]；Armstrong 法[12]钠还原法使四氯化钛气体与流动的金属钠液混合反应，经过过滤等操作后得到钛粉；美国麻省理工大学的Sadoray 和okabe提出的EMR 法[13，14]将熔盐介质中四氯化钛的反应分解为两步Mg=Mg2++2e-，Ticl4+4e-=Ti+4Cl-其优点是可控产物的形态，且可连续生产。

2.2 碘化精炼法

碘化精炼法就是利用碘化钛分解反应将含杂质的钛提炼为高纯钛，使钛的纯度达到99%以上[15]。钛中的杂质不能和碘相互作用从而达到与钛分离的目的。该法是在373～473K 温度的反应条件下将含杂质的钛与碘作用，生成的钛化钛蒸汽再在1573～1773K 的金属丝上发生离解，生成固体钛和气体碘[16]。碘化精炼法具有操作简便、气体杂质去除效果好的特点。

2.3 电解精炼法

电解精炼法主要是以钛或其合金为可溶性阳极，以铜棒为阴极，在熔盐电解质中进行电解，从而提纯钛金属。该工艺能有效除去杂质气体以及碳、硅等非金属杂质和铁、锡、钼等金属杂质[17]。陈付时[17]采用电解精炼法在离子浓度为3%～6%的电解质溶液中，其平均价2.2～2.3，初始阴极电流密度为0.3～1.5A/cm2，阳极电流密度为小于4.5A/cm2电解温度为1073～1123K 时提取效果较好。电解反应如下：

2.4 电化学还原法

电化学还原法是将钛中固溶氧的浓度降到检出界限以下[18]。D.G.等人认为除氧的过程中，o2以Co2或Co 的形式析出，钙在电解氯化钙熔盐中产生。工业流程中以低于3.2V 的电解电压进行电解，使二氧化钛转化为海绵钛。该工艺的生产价格较低，对o2具有一定的溶解度，且易于控制无污染。

3 结语

随着人民物质生活水平的提高以及国防军事实力的提高，金属钛因其具有诸多良好的性能，必然会受到更多的关注。钛在诸多领域有广泛的应用，尤其在军工航天业上的应用，钛及其合金在精工、医疗、体育用品等方面也有巨大的作用。问题的关键是钛的制备。如金属热还原法的成本较高，还原效率低且间歇式生产，需开发新的低成本的连续化工艺。金属热还原法会产生污染空气的毒气，电解精炼法对铝、锰等杂质的效果较差。针对上述问题，对于钛的制备及其制备工艺需要进一步的探索和研究。