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钛简介及用途

钛铁矿

钛铁矿是铁和钛的氧化物矿物,是提炼钛的主要矿石。钛铁矿很重,灰到黑色,具有一点金属光泽。晶体一般为板状,晶体集合在一起为块状或粒状。成分为FeTiO3。含TiO252.66%,是提取钛和二氧化钛的主要矿物。三方晶系,中国

四川攀枝花铁矿中,钛铁矿分布于磁铁矿颗粒之间或裂理中,并形成大型矿床。钛铁矿的化学成分与形成条件有关。产于超基性岩、基性岩中的钛铁矿,MgO 含量较高,基本不含Nb、Ta;碱性岩中的钛铁矿,MnO含量较高,并含Nb、Ta;产于酸性岩中的钛铁矿,FeO、MnO含量均高,Nb、Ta含量亦相对较高。

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与其他金属相比,钛在化学、物理和机械性能方面有其自已的特点,概括

起来主要有以下六项性能。

1)密度小,比强度高金属钛的密度为4.5g/cm3,在相同尺寸条件下,使用钛制造的设备比钢约轻一半,所以钛是一种轻型材料;钛合金的强度与钢接近,远高于铝,所以钛合金又是一种轻型高强度金属结构材料。由于这种优异特性,钛合金在航空、航天、导弹、兵器等尖端技术中被大量采用。

2)耐腐蚀性能钛在很多介质中是非常稳定的,如果说钛合金的比强度高

是航空、航天用钛的重要依据,那么钛的耐腐蚀性能优异是民用工业使用的基础。钛和氧有很大的亲和力,在空气中或含氧的介质中,钛表面生成一层致密、附着力强、惰性大的氧化膜,保护了钛基体不被腐蚀,即使由于机械磨损也会

很快自愈或重新再生,而且介质温度在315℃以下时钛的氧化膜始终保持这一特性,这是各国民用工业使用钛材的基础保障。

3)无磁性、无毒钛合金是无磁性金属,在很大的磁场中也不会被磁化。

这一特性可使钛合金应用于磁控设备中,钛制舰艇外壳可以避免磁性雷的爆炸。钛合金无毒,与人体组织及血液有良好的相容性,所以被医疗界采纳,用于人

工关节、心脏起博器等设备。另外钛设备也是制药行业理想的设备。

4)抗阻尼性能钛合金受到机械振动、电振动后,与钢、铜相比,其自身

振动衰减时间最长。利用这一性能钛合金可制作音叉、医学上的超声粉碎机振

动元件和高级音响扬声器的振动薄膜等。

5)耐热性能通过固溶强化α相研制出的高温钛合金,可以在600℃以下

长期使用,800℃以下短时间使用。当飞机的飞行速度马赫数高于2.7以上,其发动机的盘、叶片、后机身、导向器、进气机匣等部件都采用高温钛合金。

6)耐低温性能以TA7、TC4为代表的低温钛合金,其强度随温度的降低而提高,但塑性变化不大,可在-196~-253℃低温下保持较好的延性及韧性,

避免了金属冷脆性,是低温容器、储箱等设备的理想材料。

钛的用途和前景

目前军用航空工业对钛金属产品的需求量占世界钛金属产品需求总量的15%,而且很可能在2~3年后增长到20~25%。但也有专家认为,即使出现这

种情况,民用航空业和军用航空业的此消彼长也并不能真正提高航空工业部门

对钛金属产品的实际需求量。不过,对世界航空业长远发展前景的预期则是鼓

舞人心的,空中客车公司( rbUS Industries)的总裁坚信,到2019年世界民航

业所拥有的客机数量将从现在的1万架增长到1.9万架。这意味着世界钛工业即使不增长,也不会低于目前的生产水平。

据统计,目前世界钛金属消费量中约有10%是用于制造高挡手推童车、计

算机壳体和珠宝首饰。在不久前召开的国际钛工业协会年会上,就有代表多次

表示,钛金属在世界珠宝首饰业中应用的前景十分光明,应努力争取该行业增

加对钛金属的消费量。按照美国Sp Corp公司总裁爱得华.罗森伯格的意见,

尽管国际珠宝首饰生产商从整体上来说仍显得保守,但近年来他们已开始将钛

金属与铂金、黄金、白银等贵金属在制造珠宝首饰上的优缺点进行研究和比较。爱得华.罗森伯格认为以发展的眼光看,今后国际珠宝首饰行业对钛金属产品

的消费量不会仅仅是l0%,而会是35%,甚至达到45%。不过要吸引其它非

传统领域的用户大规模采用钛金属产品的前提条件是钛金属产品的成本必须降下来,当然这需要时间,但无论如何,钛金属产品的相当一部分永远是属于航空工业的,虽然钛金属产品将越来越广泛地应用在其它行业和人民的日常

生活中,但到目前为止,钛金属生产企业的目光还是要盯住天空。

从1957年开始,钛材料大量在宇宙航行上使用,主要用来作火箭的发动机壳体,人造卫星的外壳、紧固件、燃料储箱、压力容器等;还有飞船的船舱、骨架、内外蒙皮等。在宇宙航行上,使用了钛以后,可以大大减轻飞行器的重量。从经济效果来看,由于结构重量的减轻,能够大量节省燃料,同时可以大大降低火箭和导弹的建造和发射费用。

现在,电解槽国内外都用钛代替了石墨。目前,国外有些国家已规定:在原子能发电厂,为了安全,必须全部使用钛制冷凝器。在这方面用钛量是相当可观的,如发电量为60万KW的火力发电站,需钛材60t,而发电量为110KW的原子能发电站需要钛材多达150t。

在合金钢中加入少量的钛,可以大大改善钢的性能,提高钢的强度、韧性和耐腐蚀性能。在有色金属湿法冶金中,使用了钛以后,也收到良好的效果。比如在金属镍的电解生产中,已经采用钛板代替不锈钢板作母板,不锈钢板只能使用一年左右,而钛板可以使用10年以上,使用寿命延长了10倍。

超导材料是未来极有发展前途的一种材料。用约50%的钛和50%的铌制成的合金,是目前研究和使用最多的一种超导材料。在美国每年生产的100多吨超导材料中,铌钛合金占90%。人工制得的钛酸钡(BaTiO3

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具有特殊的性质,它具有高的介电常数,由它制成的电容器具有较大的容量。目前,钛虽然比不锈钢贵2~3倍,但是使用寿命一般比不锈钢要提高10倍以上。

钛及其合金不仅大量应用在航空、航天工业,而且在化工、石油、冶金、造纸、纺织,机械仪器、能源;医疗卫生等工业中也有着十分重要的应用。在民用工业中的应用也日渐增多。

(1)煤矸石的利用是变废为宝的创举。煤矸石是采煤中的废弃物,估计全国已有数亿吨之巨。我国从1972年就开始利用煤矸石生产氯化铝或硫酸铝。在更新工

艺中,不锈钢浓缩器的腐蚀相当严重,我国自制钛反应釜、搅拌器和盘管加热

器(氯化铝用)和浓缩加热器(硫酸铝用)已有十年以上的运转实践。

(2)滨海电站凝汽器用薄壁钛管。早在60年代英国就已使用全钛凝汽器,70年代日本推出薄壁(0.3-0.5mm)焊接钛管的凝汽器,成本大幅度下降。直至1987年,工业发达国家已有30%采用钛凝汽器。由于核电站对于安全运行可靠性要求特

别高,所以尤其重视钛凝汽器的使用,大部分采用薄壁焊接钛管和无缝钛管。

我国在70年代后期开始试验国产钛管。1983年以来,先后在浙江台州电厂、上

海金山热电厂、浙江镇海电厂等9个电厂采用18台全钛凝汽器,共用钛管700t,使用效果十分理想。

(3)油气钻采中,英国在深600m、262℃的含5%H2S和25%NaCl中,使用了钛制钻采设备。前苏联采用了钛泵、钛阀和钛制冲洗盐水设备。我国在天然气井口

为解决600—700atm的高温H2S、C02和水蒸汽的腐蚀,使用了Ti-6Al—4V的阀板、阀座和阀杆,长期使用效果甚好。

(4)海上油气开采要长期承受海水腐蚀和应力腐蚀。国外广泛采用Ti-6Al—4V

作为石油平台支柱、绳索支架、海水循环加压系统的高压泵、提升管及联结器等。因为Ti-6A1-4V不仅耐海水腐蚀,而且具有高韧性、高屈服强度和高疲劳

极限。最近国外选择钛的预应力采油管接头,这种接头组装简便快捷、重量轻,并保持弹性密封性,钛是最佳的优选材料。我国的海洋石油工业正进入大规模

开发阶段,当前平台的结构件和关键部件及设备均从国外进口,国内材料很少

应用。但可以预期,钛将会在这里找到广阔的市场。

(5)核电站放射性废物蒸发器的操作温度高于130℃,浓缩时还有产生沉积物而

发生缝隙腐蚀的可能性。因此,蒸发器的最佳材料应是Ti-6Al-4V,在承受高

压的情况下可以选用Ti-15Al-2.5Sn。

(6)汽轮机透平叶片原用0Crl3不锈钢,由于在沉积物中有缝隙腐蚀和点蚀问题,疲劳寿命下降。钛合金是最理想的材料。前苏联开发出了Ti—5Al—2.5Sn蒸汽透平长叶片,并已推广应用于生产。近年来美、日等国倾向于使用Ti-6Al—

4V。

(7)电站锅炉水的脱盐装置,不论电渗析淡化还是蒸馏法除盐,钛设备和钛阳极均是理想的材料。在凝聚沉降法除去水中胶体杂质系统中也成功地使用了钛制

溶解槽和加热器。

(8)钛在化工工业的应用:钛耐腐蚀性很强是因为对氧的亲合力大,能在其表面上形成一层致密的氧化膜,可保护钛不受介质腐蚀。钛在大气、氯气或其它含

氧的环境中,有很强的耐腐蚀性,对热盐、热的湿氯、热硝酸和热醋酸等腐蚀

介质中也有很高的耐腐蚀性。如果在某种介质中,能连续溶解钛表面氧化膜时,则钛在这种介质中会被腐蚀。如热的盐酸、硫酸,在这些酸中加入氧化剂或某

些金属离子时,则钛表面的氧化膜便会受到保护,故而增加了钛的稳定性。在

氯碱工业中,用钛金属制作阳极板和利用钛制作湿氯气冷却器收到很好的经济

效果。

冶炼方法:

钛铁矿的冶炼有硫酸法和氯化法,两种方法只是在处理钛矿上的不同:

硫酸法可以使用较低品位的钛铁矿石,而且还可以生产硫酸亚铁成本低廉,但

是污染太大副产物难于处理消耗硫酸多;氯化法使用的矿石品位较高而且成本

较高,但是污染小副产物较少而且氯可以循环使用。但是两种方法都是将钛矿

变成纯的二氧化钛,然后将纯的二氧化钛与纯氯和焦炭在高温反应生成四氯化

钛和一氧化碳,用金属钙、镁或者钠将其还原成海绵状的金属钛大规模生产钛

的方法:

第一步:在高温时,将金红石(TiO2)和炭粉(C)混合,并通入氯气制得

TiCl4和一种可燃性气体CO。

第二步:在氩气(Ar)环境中,用过量的镁(Mg)在加热条件下与TiCl4反应制

得金属钛(氩气不参加反应)