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鈦的冶煉方法

制備金屬鈦的原料主要是金紅石,其中二氧化鈦的含量大於96%。缺乏金紅石礦的國家,如蘇聯,用鈦鐵礦制成的高鈦渣,含TiO 290%左右。由於天然金紅石價格上漲,儲量減少,各國都傾向於用鈦鐵礦制取富鈦料,即高鈦渣和人造金紅石。鈦是1791年發現的,但純鈦最早是1910年制造的,用了壹百多年。原因是鈦在高溫下非常活潑,容易與氧、氮、碳等元素結合。提取純鈦需要非常苛刻的條件。

工業上通常用硫酸分解鈦鐵礦制取二氧化鈦,然後由二氧化鈦制取金屬鈦。當用濃硫酸處理磨碎的鈦鐵礦(精礦)時,會發生以下化學反應:

feti O3+3h2so 4 = = Ti(SO4)2+feso 4+3H2O

feti O3+2h2so 4 = = tioso 4+feso 4+2H2O

FeO+H2SO4 ==硫酸亞鐵+H2O

Fe2O3+3H2SO4 ==Fe2(SO4)3+3H2O

為了除去雜質Fe2(SO4)3,加入鐵屑,Fe3+被還原成Fe2+,然後將溶液冷卻到273K以下,使得FeSO4 7H2O(綠礬)作為副產物結晶出來。

Ti(SO4)2和TiOSO4水解沈澱出白色偏鈦酸,反應如下:

硫酸鈦+H2O ==硫酸鈦+硫酸氫鹽

硫酸鈦+2H2O ==硫酸鈦+硫酸

煆燒偏鈦酸得到二氧化鈦;

H2TiO3== TiO2+H2O

在工業鈦生產中,通過金屬熱還原來還原四氯化鈦。將TiO2(或天然金紅石)和碳粉混合加熱至1000 ~ 1100 K進行氯化反應,產生的TiCl4和蒸汽冷凝。

TiO2+2C+2Cl2=TiCl4+2CO

在1070K氬氣中用熔融鎂還原TiCl4 _ 4可以得到多孔海綿鈦;

TiCl4+2Mg=2MgCl2+Ti

這種海綿鈦經過粉碎,放入真空電弧爐中熔煉,最後制成各種鈦材。

或者通過反應:Ti+2cl 2 = TiCl 4。

得到的TiCI4在高溫下(約1250℃)分解;

tici 4 = Ti+2cl 2

從而獲得純鈦棒。

鈦及其合金的特性和用途

純鈦是壹種銀白色的金屬,具有許多優良的性能。鈦的密度為4.54g/ cm3,比鋼輕43%,比久負盛名的輕金屬鎂略重。但是機械強度和鋼差不多,是鋁的2倍,鎂的5倍。鈦耐高溫,熔點為1942K,比金高近1000K,比鋼高近500K。

鈦是壹種化學活性金屬。當加熱時,它可以與非金屬,如氧氣,N2,H2,硫和鹵素相互作用。但在室溫下,鈦表面容易形成壹層非常薄而致密的氧化物保護膜,能抵抗強酸甚至王水的作用,表現出很強的耐腐蝕性。所以壹般金屬在酸、堿、鹽的溶液中變得千瘡百孔,而鈦卻安然無恙。

液態鈦幾乎可以溶解所有的金屬,所以可以和很多金屬形成合金。在鋼中加入鈦制成的鈦鋼堅韌而富有彈性。鈦與金屬如Al、Sb、Be、Cr和Fe反應形成間隙化合物或金屬間化合物。

鈦合金制造的飛機比同等重量的其他金屬制造的飛機載客量多100人。該潛艇不僅能抗海水腐蝕,還能抗深水壓力,潛水深度比不銹鋼潛艇高80%。同時,鈦是非磁性的,不會被地雷發現,具有很好的反監聽效果。

鈦是“生物友好的”。在人體內,能抵抗分泌物的腐蝕,無毒,適用於任何滅菌方法。因此,它被廣泛用於制造醫療器械、人工髖關節、膝關節、肩關節、肋軟骨關節、顱骨、活動心臟瓣膜和骨固定夾。當新的肌肉纖維環纏繞在這些“鈦骨”上時,這些鈦骨開始維持人體的正常活動。

鈦在人體內分布廣泛,正常人體內含量每70kg體重不超過15mg。其功能尚不清楚。但已證明鈦能刺激吞噬細胞,增強免疫力。

鈦化合物及其用途

重要的鈦化合物是二氧化鈦(TiO2)、四氯化鈦(TiCl4)和偏鈦酸鋇(BaTiO3)。

純鈦白粉是壹種白色粉末,是壹種優良的白色顏料,商品名為“鈦白”。它既有鉛白(PbCO3)的覆蓋性能,又有鋅白(ZnO)的耐久性。因此,人們經常在塗料中加入鈦白粉,制成高級白漆;造紙工業中用作紙漿的填料;紡織工業

作為人造纖維的消光劑;用作玻璃、陶瓷和搪瓷工業的添加劑,以改善它們的性能;在許多化學反應中用作催化劑。隨著化學工業的發展,二氧化鈦和鈦系列化合物作為精細化工產品,具有很高的附加值和誘人的前景。

四氯化鈦是無色液體;熔點250K,沸點409K,氣味刺鼻。在水中或潮濕空氣中極易水解,放出大量白煙。

TiCl4+3H2O == H2TiO3+4HCl

因此,TiCl4在軍事上,特別是在海戰中被用作人工氣溶膠。在農業上,人們利用TiCl4 _ 4形成的濃霧地面,減少夜間地熱的損失,保護蔬菜和農作物免受嚴寒和霜凍。

將TiO2 _ 2和BAC _ O3熔融在壹起制備偏鈦酸鋇;

TiO2+BaCO3 == BaTiO3 decaCO2

人工合成的鈦酸鋇具有較高的介電常數,用它制成的電容器具有較大的容量。更重要的是,BaTiO _ 3具有顯著的“壓電性能”。當它的晶體受壓時,會產生電流,壹旦通電,就會改變形狀。人們把它放在超聲波裏,壹按就產生電流,通過測量電流的強度就可以測出超聲波的強度。幾乎所有的超聲波儀器都使用它。隨著鈦酸鹽的開發利用,越來越廣泛地用於制造非線性元件、介質放大器、電子計算機存儲元件、微型電容器、電鍍材料、航空材料、鐵磁材料、半導體材料、光學儀器、試劑等。

鈦、鈦合金和鈦化合物的優異性能促使人們迫切需要它們。然而,高昂的生產成本限制了它的應用。我們相信,在不久的將來,隨著鈦冶煉技術的不斷改進和提高,鈦、鈦合金和鈦化合物的應用將得到進壹步發展。

鈦產品:

鈦及鈦合金是極其重要的輕質結構材料,在航空、航天、車輛工程、生物醫學工程等領域具有非常重要的應用價值和廣闊的應用前景。

類型:碘化鈦、工業純鈦、α型鈦、β型鈦、α+β型鈦。

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