《与钛相关的性质.docVIP

1 金属钛的生产方法简介 钛的提取冶金复杂而困难，流程长，能耗大，因此成本高、价格贵。如果从采矿开始，到加工制成可供使用的各种型材，其工艺过程主要步骤为： 1 →金红石精矿 → 钛铁精矿 → 富集 → 富钛料 → 氯化 → 粗TiCl4 → 精制 → 精TiCl4 → 金属热还原 → 蒸馏或酸浸 → 海绵钛 → 熔铸 → 钛及钛合金锭 → 型材加工 → 钛材或钛零部件（供各领域应用） 上述步骤中，如果原料是天然金红石，则不经富集步骤而直接进行氯化。 历史上许多冶金工作者曾对制取金属钛的各种方法进行过研究，对各种可能的途径进行了探索试验。以含TiO2的富钛料为原料制取金属钛的可能途径很多，已研究过的方法概括在图1-5中。而获得大规模工业应用的方法主要是TiCl4镁热还原-真空蒸馏法（简称镁法或克劳尔法）。钠热还原法（简称钠法或亨特法）虽有某些优点，也曾被采用，但该法生产的海绵钛质量始终不如镁法海绵钛，因此近年来钠法逐渐减少，而镁热还原-真空蒸馏法已占据主导地位，本书以后各章主要介绍镁还原真空蒸馏法生产海锦钛。 镁还原-真空蒸馏法制取海绵钛的原则性流程如图1-6所示。海绵钛是一种中间产品，可在市场上交易。但因海绵钛还含有C、N、O等许多杂质，硬度大，不易加工成材，因此一般不能直接利用，还需进一步熔炼提纯生产致密金属钛（及其合金）并进一步加工成各种型材，如管、板、棒、环及其它异型材等才能供其它工业部门使用。钛材除纯钛外，目前世界上已能生产近30种牌号的钛合金。其中应用最广的是Ti-6Al-4V，Ti-6Al-6V-2Sn，Ti-5Al-6V-2.5Sn等。 图1-6 镁还原法生产工艺流程简图 图1-7为钛材加工生产的方框流程图。表1-16列出了2000~2006年这7年世界主要钛材生产地区的情况。 图1-7 钛材生产的原则性流程 表1-16 前几年世界主要钛材生产地区情况（kt/a） 国别、 地区 年份 独联体 美国 日本 中国 欧洲 总计 2000 7 20 12 2 5 46 2001 7 23.6 14.4 4.72 5 54.7 2002 7 16.2 14.5 5.48 5 48.18 2003 15 15 13.8 7.08 5 55.88 2004 20 21 17.4 8.513 5 71.9 2005 22 22 17.5 10.0 10.0 81.5 2006 24 28 17.3 14.0 14.0 97.3 从表1-16可以看出，目前世界钛材加工生产大国主要是美国和日本，其产量约占世界钛材总量的70%，其次是俄罗斯、乌克兰、哈萨克斯坦等独联体国家。随着钛冶金技术的不断发展和完善，生产成本的逐渐下降，如果采用新方法、新工艺使钛及钛合金的价格降到比不锈钢贵得不多，其世界年产量和年用量有可能增加到50万吨甚至上百万吨。目前钛价是不锈钢的6~8倍，如果降到不锈钢的2~4倍，由于钛的优良性能及使用寿命长，就会有广大的用户和广阔的市场。作为一种理想的金属材料，可以预计，崛起的“第三金属”在本世纪将有飞速的发展。 2 钛及其重要化合物的性质 钛的性质 钛是元素周期表中第四周期的副族元素，即IVB族元素。钛、锆、铪组成钛副族，因此，它们在性质上有许多相似之处，如原子的外电子层构型相同（都为d2s2），原子半径相近，化学性质相似，彼此可形成无限固溶体等。钛与相邻IIIB族的钪、钇和VB族的钒、铌、钽，因原子最外层电子数相同，只是次外层电子数不同，性质上也有某些近似之处，钛也可与这些元素形成无限固溶体。在自然界产出的钛矿物中，也经常伴生有这些元素。 致密金属钛呈银白色，外观似不锈钢；钛粉呈深灰色。其原子的电子构型为1s22s22p63s23p63d24s2。钛的熔点高、密度小（只有钢的57%）、强度大（等于钢）、易加工成形，且具优异的耐腐蚀性能。因而是一种很有应用价值的金属。 金属钛的物理性质和热力学性质 钛的物理性质和热力学性质如表2-1所示 。 化学性质 在较高温度下，钛可与许多元素和化合物发生反应。图2-1表示钛与周期表中元素相互作用的情况。由图可见，可分为五种情况： 第一种情况，钛与同族元素锆、铪在所有浓度和温度范围内都生成无限固溶体（形成Ti-Zr、Ti-Hf合金）； 第二种情况，邻族元素钪、钒、铌、钽、铬、钼、钨、铀与β-Ti形成无限固溶体，但与α-Ti形成有限固溶体（形成Ti-Sc、Ti-V、Ti-Nb、Ti-Ta、Ti-Cr、Ti-Mo、Ti-W、Ti-U合金）； 第三种情况，钛与锰、铁、钴、镍、铝、锡、镓、硼、硅、铜、铋、锕、钍、氢、氮、碳等形成有限固溶体