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鈦白粉專欄

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鈦白粉中鈦的歷史

來源:www.sdwfjmq.com日期:2020-05-01

鈦白粉中鈦的歷史
    鈦是化學(xué)元素,化學(xué)符號Ti,原子序數(shù)22,是銀白色過渡金屬,其特征為重量輕、強(qiáng)度高、具金屬光澤,亦有良好的抗腐蝕能力(包括海水、王水及氯氣)。由于其穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì),良好的耐高溫、耐低溫、抗強(qiáng)酸、抗強(qiáng)堿,以及高強(qiáng)度、低密度,常用來制造火箭及航天飛機(jī),因此獲美譽(yù)為“太空金屬”。
     雖然鈦經(jīng)常和高大上結(jié)合在一起,但在地殼中的含量并不低,它是地殼中質(zhì)量含量第九高的元素(質(zhì)量占地殼0.63%),同時也是第七高的金屬。


之所以發(fā)現(xiàn)的很晚,是由于在自然界中其存在分散,因而制取金屬鈦極端困難。困難到什么程度呢?
 

它分布很廣,主要礦物為銳鈦礦、板鈦礦、鈦鐵礦、鈣鈦礦、金紅石、榍石及大部分鐵礦石。

 

除了地球,鈦元素在宇宙中也有很廣分布:也鈦可以在隕石中找到,并且已在太陽及M型恒星處偵測到鈦;在阿波羅17號任務(wù)從月球帶回的巖石中,二氧化鈦含量達(dá)12.1%。但是以目前的科技水平,到月球上去開采鈦資源還是不現(xiàn)實(shí)的。


   1.鈦的發(fā)現(xiàn)
1791年,鈦以含鈦礦物的形式在英格蘭的康沃爾郡被發(fā)現(xiàn),發(fā)現(xiàn)者是英格蘭業(yè)余礦物學(xué)家格雷戈爾(Reverend William Gregor),當(dāng)時正業(yè)為負(fù)責(zé)康沃爾郡的克里特(Creed)教區(qū)的牧師。他在鄰近的馬納坎教區(qū)中小溪旁找到了一些黑沙,后來他發(fā)現(xiàn)了那些沙會被磁鐵吸引,他意識到這種礦物(鈦鐵礦)包含著一種新的元素。

 經(jīng)過分析,發(fā)現(xiàn)沙里面有兩種金屬氧化物;氧化鐵(沙受磁鐵吸引的原因)及一種他無法辨識的白色金屬氧化物(45.25%)。意識到這種未被辨識的氧化物含有一種未被發(fā)現(xiàn)的金屬,格雷戈爾對康沃爾郡皇家地質(zhì)學(xué)會及德國的《化學(xué)年刊》發(fā)表了這次的發(fā)現(xiàn)]。

 大約就在同時,米勒·馮·賴興斯泰因(Franz-Joseph Müller von Reichenstein)也制造出類似的物質(zhì),但卻無法辨識它。

 直到1795年,普魯士化學(xué)家克拉普羅特(Martin Heinrich Klaproth)獨(dú)立地從匈牙利的金紅石中再度發(fā)現(xiàn)到這種氧化物??死樟_特發(fā)現(xiàn)到它含有一種新的物質(zhì),并以希臘神話中的泰坦女神(Titans)為其命名。當(dāng)他聽聞到格雷戈爾較早前的發(fā)現(xiàn)之后,克拉普羅特取得了一些馬納坎礦物的樣本,并證實(shí)它含鈦。

 從各種含鈦礦物中提煉鈦的過程既費(fèi)工又昂貴;鈦與碳的原子半徑實(shí)在是太相近了,因而兩者在高溫下會生成碳化鈦(TiC),因此不能像用焦炭煉鐵那樣,用焦炭去還原金屬鈦,這就導(dǎo)致了提煉出純鈦非常困難。

歷 史上早制備出純鈦(99.9%),一直要到1910年,美國倫斯勒理工學(xué)院的亨特(Matthew A. Hunter)將四氯化鈦和鈉一起加熱至700-800攝氏度,提煉出高純度的鈦,這種方法被稱為亨特法。

但是這時鈦的應(yīng)用仍只限于實(shí)驗(yàn)室,直到1932年克羅爾(William Justin Kroll)在此基礎(chǔ)上做了重大改進(jìn):利用較便宜的金屬鎂來替代鈉,后來被稱為克羅爾法。盡管研究如何能更有效及便宜地提煉鈦的工作仍然持續(xù),但是直到現(xiàn)在,鈦金屬的商業(yè)提煉還在使用克羅爾法。

    2.克羅爾法


首先把從礦石中初步提煉過的金紅石或鈦鐵礦丟進(jìn)1000 °C的流體化床,用從石油餾煉出的煤焦進(jìn)行還原。接著對還原得到的混合物通氯氣,產(chǎn)生四氯化鈦(TiCl4)及多種易揮發(fā)的氯化物氣體,接著對混合氣體進(jìn)行分餾。


分餾后將純的四氯化鈦通入不銹鋼反應(yīng)器,在800–850 °C的溫度下加入15%至20%過量的鎂或鈉熔融液(通常主要是鎂),以確保完全反應(yīng)。因?yàn)檫@是一個吸熱反應(yīng),所以必須在800–高溫下進(jìn)行:

2Mg(l) + TiCl4(g) → 2MgCl2(l) + Ti(s)   

 但這實(shí)際上是一個可逆的反應(yīng),結(jié)果會得到一堆復(fù)雜的產(chǎn)物:鈦、二氯化鈦、三氯化鈦、氯化鎂等等,但是只要重復(fù)把反應(yīng)后的液體抽掉,并繼續(xù)加入熔融鎂就能去掉反應(yīng)的產(chǎn)物,并得到海綿鈦。接著把這些多孔的海綿鈦拿去瀝取槽或拿去真空蒸餾以進(jìn)一步精煉。







之后因海綿鈦只有內(nèi)部較純,所以把海綿鈦去鱗皮、裁切邊部(切完廢料還可以回收再煉)。







剩下較純的海綿鈦丟進(jìn)粉碎機(jī)制作碎塊。將碎塊以高壓壓成短棒,再把許多短棒焊在一起丟進(jìn)電弧爐用石墨電極進(jìn)行真空電弧熔煉。

 

為了確保鈦錠雜質(zhì)夠少(或者想制造特定鈦合金,在此時就該刻意添加雜質(zhì)),煉一次不夠可以再煉第二次、第三次,此即真空電弧再熔煉。

 

煉完把鈦錠拿去真空環(huán)境冷卻固化。一般來說,真空熔煉煉越多次成本會顯著增高。多數(shù)的鈦煉出來,價格可以達(dá)到不銹鋼的六倍。因?yàn)槭褂每藙跔柗ㄖ苽涞慕饘兮佡|(zhì)量更好,生產(chǎn)的安全性更高。所以,目前世界上各個國家都是采用鎂還原-真空蒸餾法生產(chǎn)海綿鈦。

 

我們不難發(fā)現(xiàn),從含鈦化合物的被發(fā)現(xiàn),到制得純金屬鈦,歷時一百多年。而鈦也逐漸步入人們的日常生活中,日益受到人們的重視,用途也越來越廣,在一定程度上得到真正的利用。


鈦白粉中鈦的歷史

 

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