Titan liknar på många sätt liknar aluminium. Aluminium är det tredje vanligaste grundämnet i jordskorpan men titan rankas bara på nionde plats. Trots det finns det fortfarande i praktiskt taget alla stenar, sandar, jordar och leror, såväl som i växter, djur och vatten.
Precis som aluminium betyder titans egenskap att reagera med syre att det aldrig finns på jorden som en ren metall.
Istället måste den tillverkas av mineralmalmer som kallas ilmenit (en komplex förening av järn, titan och syre med den kemiska formeln FeTiO3) och rutil (mest titandioxid, en förening av titan och syre med den kemiska formeln TiO2) med en serie av kemiska reaktioner som kan vara svåra och kostsamma.
Det mesta titanet tillverkas nu genom Kroll-processen, där titandioxid reageras med klor för att bilda titantetraklorid, som sedan reageras med magnesium för att avlägsna klor och lämna kvar den rena metallen (känd som titan ”svamp”). Så vi har i princip ett par kemiska reaktioner som ser ut så här:
1: TiO2 (titandioxid) + 2Cl2 (klor) + C (kol i form av träkol) → TiCl4 (titanklorid) + CO2 (koldioxid)
2: TiCl4 (titanklorid) + 2Mg (magnesium) → Ti (titan) + 2MgCl2 (magnesiumklorid)
Titansvampen gjuts sedan till stora stänger som kallas göt. Japan leder världens produktion av titansvampmetall, följt av Kazakstan, Kina och Ukraina.
Innehållsförteckning
Historia
1791: Den brittiske prästen William Gregor (1761–1817) upptäcker ett mystiskt ämne i mineralet menakanit och döper det till menakit.
1795: En tysk kemist vid namn Martin H. Klaproth (1732–1817) hittar samma ämne i mineralen rutil och ger det dess moderna namn, titan, efter de mäktiga grekiska härskarna vid namn Titanerna.
1910: Den amerikanske kemisten Matthew A. Hunter gör det första 99,9 procent rena provet av titanmetall från titantetraklorid.
1930–talet: William Justin Kroll (1889–1973), en metallurg från Luxemburg, uppfinner den moderna Kroll-processen, vilket möjliggör storskalig produktion av titan.
1950-talet: Tack vare Kroll-processen blir titan billigare och prisas snart för sin styrka, låga vikt och allsidighet.
Råmaterial
Titan är den fjärde mest förekommande metallen och utgör cirka 0,62 % av jordskorpan. Titan finns dock sällan i sin rena form. Titan finns vanligtvis i mineraler, såsom anatas, brookit, ilmenit, leukoxen, perovskit, rutil och sfen.
Även om det är rikligt i kvantitet, är orsaken till den höga kostnaden för titan isoleringen och sällsyntheten hos detta element, vilket ökar dess kostnad. De ledande tillverkarna av titankoncentrat inkluderar Australien, Kanada, Kina, Indien, Norge, Sydafrika och Ukraina. I USA är de primära titanproducerande staterna Florida, Idaho, New Jersey, New York och Virginia.
Som tidigare nämnts finns det olika malmer som innehåller titan som förekommer naturligt på jorden. Ilmenit och leukoxen är titanhaltiga malmer. Ilmenit (FeTiO3) innehåller cirka 53 % titandioxid. Leukoxen har en liknande sammansättning, men innehåller cirka 90 % titandioxid.
De visar sig vara förknippade med hårda bergsavlagringar eller i stränder och alluvial sand. Rutil är relativt ren titandioxid (TiO2). Anatas är en annan form av kristallin titandioxid och har nyligen blivit en betydande kommersiell titankälla. Det finns främst i strand- och sandavlagringar.
Perovskit (CaTiO3) och sfen (CaTi-SiO5) är kalcium- och titanmalmer. Inget av dessa material används i kommersiell produktion av titan på grund av svårigheten att ta bort kalcium. I framtiden är det troligt att perovskit kan användas kommersiellt, eftersom det innehåller nästan 60 % titandioxid och bara har kalcium som förorening. Titanit har kisel som en andra förorening, vilket gör det ännu svårare att isolera titanet. Förutom malmerna inkluderar andra föreningar som används vid titanproduktion klorgas, kol och magnesium.
Tillverkningsprocess
Titan tillverkas enligt vad som kallas Kroll-processen. Det handlar om extraktion, rening, svamprening, framställning av legeringar samt formning och formning, vilket bara är en kort översikt över hela processen. I början av tillverkningsprocessen tar tillverkaren emot koncentraten från gruvorna.
Bortsett från rutil, som kan användas i sin naturliga form, måste ilmenit bearbetas för att avlägsna järnhalten som finns i den, till den punkt där den endast innehåller 85 % titanoxid. För att få bort järnhalten placeras materialet i en reaktor med fluidiserad bädd tillsammans med kol och klorgas. Materialet värms upp till 900°C, vilket resulterar i bildandet av titantetraklorid (TiCl4). Med detta är utvinningsfasen av tillverkningsprocessen över.
Nästa process i tillverkningen innebär rening och produktion av svampen. Reningsprocessen går ut på att ta titantetrakloriden (TiCl4) och placera den i destillationstankar. Under detta steg separeras föroreningarna med hjälp av fraktionerad destillation och utfällning. Detta tar bort metallklorider, inklusive de av järn, vanadin, zirkonium, kisel och magnesium. Därefter placeras den renade titantetrakloriden i ett kärl av rostfritt stål.
Magnesium tillsätts sedan och behållaren upphettas till 1 100°C. Argon pumpas in i behållaren så att luft tas bort och kontaminering med syre eller kväve kan förhindras. Magnesiumet reagerar med klor och producerar flytande magnesiumklorid.
Detta lämnar rent titan fast, eftersom smältpunkten för titan är högre än för reaktionen. Det fasta titanet avlägsnas från reaktorn och behandlas sedan med vatten och saltsyra för att avlägsna överskott av magnesium och magnesiumklorid. Det resulterande fasta ämnet är en porös och plyschig metall som kallas en svamp.
Det sista steget i produktionen av titan är att skapa legeringar. Den rena titansvampen förvandlas sedan till en titanlegering för kommersiellt bruk med hjälp av en elektrodbågsugn. Vid denna tidpunkt blandas svampen med olika legeringstillsatser och metallskrot. Den exakta andelen svamp till legeringsmaterial formuleras i ett labb före produktion. Denna massa pressas sedan till presskroppar och svetsas samman och bildar en svampelektrod.
Svampelektroden placeras sedan i en vakuumbågsugn för smältning. I denna vattenkylda kopparbehållare används en elektrisk ljusbåge för att smälta svampelektroden för att bilda ett göt. All luft i behållaren avlägsnas antingen (bildar ett vakuum) eller så fylls atmosfären med argon för att förhindra kontaminering.
Typiskt återsmälts den en eller två gånger till för att producera ett kommersiellt godtagbart göt. Efter att ett göt har tillverkats tas det bort från ugnen och inspekteras för defekter. Ytan kan anpassas efter behov för kunden. Götet kan sedan fraktas till olika industrier där det tillverkas till önskade produkter.
