Titan có rất nhiều trong lớp vỏ Trái đất và Trung Quốc đứng đầu thế giới về tài nguyên titan, với trữ lượng đã được chứng minh chiếm khoảng 38,8% tổng trữ lượng của thế giới. Các tài nguyên này được phân bổ trên hơn 100 khu vực khai thác ở hơn 20 tỉnh và khu vực, chủ yếu tập trung ở các khu vực Tây Nam, Trung Nam và Bắc Trung Quốc. Đặc biệt, trữ lượng magnetite vanadi-titan ở khu vực Panxi nổi tiếng thế giới về trữ lượng đáng kể, chiếm 92% nguồn tài nguyên titan của Trung Quốc, tạo nền tảng vững chắc cho ngành công nghiệp titan của nước này. Tuy nhiên, quy trình sản xuất titan hiện nay có đặc điểm là chu kỳ xử lý dài, tiêu thụ năng lượng cao và ô nhiễm nghiêm trọng, dẫn đến giá cao và hạn chế sử dụng rộng rãi. Do đó, việc phát triển các phương pháp sản xuất titan mới với chi phí thấp là hết sức quan trọng để thúc đẩy quá trình chuyển đổi của Trung Quốc từ một quốc gia có nguồn tài nguyên titan lớn thành một cường quốc sản xuất titan.
Quy trình luyện kim Titan truyền thống
Quá trình nấu chảy titan truyền thống, được gọi là "quy trình Kroll", liên quan đến việc khử titan tetraclorua (TiCl4) bằng natri kim loại hoặc magie để thu được titan kim loại. Vì titan được sản xuất dưới điểm nóng chảy nên nó tồn tại ở dạng giống như bọt biển, do đó có tên là "titan xốp". Quá trình Kroll bao gồm ba giai đoạn chính: chuẩn bị vật liệu giàu titan, sản xuất TiCl4, khử và chưng cất để sản xuất titan xốp.
Quy trình luyện kim Titan mới
Để giảm chi phí sản xuất titan kim loại, các nhà nghiên cứu đã khám phá nhiều phương pháp chiết xuất mới, bao gồm điện phân TiCl4, quy trình ITP (Armstrong), quy trình FFC, quy trình OS, Quy trình tiền khử (PRP), quy trình QT, quy trình MER và quy trình USTB .
Điện phân TiCl4 để sản xuất Titan
Titan oxit và titan clorua có thể dùng làm nguyên liệu thô để sản xuất titan công nghiệp. Tuy nhiên, chỉ có titan clorua được sử dụng làm tiền chất để sản xuất kim loại titan do khả năng loại bỏ hiệu quả các tạp chất oxy và carbon. Nghiên cứu hiện nay tập trung vào việc điều chế và tinh chế TiCl4, với các phương pháp như khử nhiệt natri, khử oxy, khử hydro và điện phân trực tiếp đang được khám phá.
Quy trình Armstrong/ITP (Bột titan quốc tế)
Được thành lập vào năm 1997, ITP, có trụ sở tại Chicago, Hoa Kỳ, sử dụng natri dạng khí để khử TiCl4, cho phép sản xuất bột titan liên tục. Phương pháp này bao gồm việc bơm hơi TiCl4 vào dòng khí natri, tạo ra bột titan và NaCl, sau đó được tách ra thông qua quá trình chưng cất, lọc và rửa. Quá trình này tự hào về độ tinh khiết của sản phẩm cao và thân thiện với môi trường, nhưng vẫn còn thách thức trong việc giảm chi phí sản xuất và nâng cao chất lượng sản phẩm.
Quy trình FFC (Quy trình Cambridge)
Được đề xuất vào năm 2000 bởi Giáo sư DJ Fray và các cộng tác viên của ông tại Đại học Cambridge, quy trình FFC bao gồm điện phân một oxit titan rắn làm cực âm, than chì làm cực dương và clorua kim loại kiềm thổ tan chảy làm chất điện phân. Phương pháp này thân thiện với môi trường, có chu kỳ sản xuất ngắn nhưng phải đối mặt với những thách thức như hàm lượng oxy cao trong sản phẩm và quá trình không liên tục.
Quá trình hệ điều hành
Được phát triển bởi One và Suzuki tại Nhật Bản, quy trình này sử dụng canxi thu được bằng điện phân để khử TiO2 thành titan kim loại. Quá trình này diễn ra trong trạng thái nóng chảy Ca/CaO/CaCl2, với bột oxit titan được đặt trong giỏ cực âm. Phương pháp này hứa hẹn giảm chi phí đáng kể nhưng tạo ra kim loại titan có hàm lượng oxy tương đối cao.
Quy trình PRP
Được các học giả Nhật Bản đề xuất, phương pháp này trộn TiO2 với các chất trợ dung như CaO hoặc CaCl2, tạo hình hỗn hợp, thiêu kết và cho tiếp xúc với hơi canxi ở nhiệt độ cao để tạo ra bột titan. Bột thu được có thể đạt được độ tinh khiết 99% với hàm lượng oxy giảm.
Quy trình QiT
Được phát triển bởi Quebec Iron and Titanium Inc., quy trình này bao gồm điện phân xỉ titan trong môi trường muối nóng chảy để sản xuất kim loại titan. Quá trình này có thể được thực hiện theo một hoặc hai bước, tùy thuộc vào hàm lượng titan và mức độ tạp chất trong xỉ.
Quy trình MER
Được phát triển bởi Tập đoàn MER, quy trình này sử dụng TiO2 hoặc rutil làm cực dương và hỗn hợp clorua làm chất điện phân. Cực dương phát ra hỗn hợp khí CO và CO2 trong quá trình điện phân, trong khi các ion titan bị khử thành titan kim loại ở cực âm.
Quy trình USTB
Năm 2005, Giáo sư Zhu Hongmin và nhóm của ông tại Đại học Khoa học và Công nghệ Bắc Kinh đã đề xuất một phương pháp mới để tách titan xốp thông qua điện phân muối nóng chảy – điện phân cực dương TiO·mTC, dung dịch rắn hòa tan của TiO2 và TiC, để sản xuất titan nguyên chất.
Phương pháp này bao gồm việc trộn bột carbon và titan dioxide hoặc titan cacbua và titan dioxide theo tỷ lệ cân bằng hóa học, ép chúng thành hình dạng, sau đó trong những điều kiện nhất định, tạo thành cực dương TiO·mTC có độ dẫn kim loại. Sử dụng muối nóng chảy của kim loại kiềm hoặc halogenua kim loại kiềm thổ làm chất điện phân, quá trình điện phân được thực hiện ở nhiệt độ cụ thể. Trong quá trình này, titan hòa tan vào muối nóng chảy dưới dạng các ion hóa trị thấp và lắng đọng ở cực âm, trong khi cacbon và oxy chứa trong cực dương tạo thành khí oxit cacbon (CO, CO2) hoặc oxy (O2) được giải phóng. . Phương pháp này có thể sản xuất bột kim loại titan có độ tinh khiết cao với hàm lượng oxy nhỏ hơn 300×10-6, đáp ứng tiêu chuẩn cấp 1 quốc gia và đạt hiệu suất dòng điện cực âm lên tới 89%.
Ưu điểm đáng chú ý của phương pháp này bao gồm khả năng thực hiện liên tục quá trình điện phân mà không tạo ra chất nhờn cực dương, quy trình đơn giản, chi phí thấp và thân thiện với môi trường.
Việc khai thác titan kim loại là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong luyện kim và quy trình điện phân muối nóng chảy được coi là giải pháp thay thế hứa hẹn nhất cho quy trình Kroll cho luyện kim titan. Với trữ lượng to lớn và tầm quan trọng đặc biệt của tài nguyên titan, việc sử dụng toàn diện titanomagnetite vanadi có ý nghĩa rất lớn. Xem xét tình trạng nghiên cứu và phát triển hiện tại của các quy trình chiết xuất titan, các quy trình sử dụng TiCl4 làm tiền chất thường gặp khó khăn trong việc giảm chi phí, trong khi việc điều chế trực tiếp titan kim loại từ TiO2 cần được nghiên cứu sâu hơn. Nếu các vấn đề kỹ thuật có thể được khắc phục, việc áp dụng ở quy mô công nghiệp có thể trở nên khả thi.
