金属钛生产(production  of  titanium  metal)

将纯钛化合物还原制取金属钛的过程。现行生产方法是以金属镁或钠为还原剂，将提纯后的精TiCl₄还原成金属钛。产品外观呈海绵状，工业上称海绵钛，其布氏硬度一般为90～110，含钛在99.6％以上。海绵金m钛经熔炼制成钛锭，可加工成各种钛材。此外，用TiCl₄熔盐电解法亦可制取金属钛。铁精炼和铁粉生产亦属金属钛生产的范畴。

至1990年，有前苏联、日本、美国、英国和中国等国家生产海绵钛，总生产能力达14．5万t／a(表1)，单炉生产能力一般为4～5t，最高可达10t。

生产方法       用于工业生产的有镁热还原法生产海绵钛和钠热还原法生产海绵钛两种。熔盐电解法制取金属钛正处在由研制向工业化过渡的阶段。镁热还原法是在高温、氩气保护下用金属镁作还原剂将TiCl₄还原成海绵钛的过程。还原产物经真空蒸馏除去剩余的镁和MgCl₂后，将钛块破碎、分级得成品海绵钛。钠热还原法是用钠还原剂将TiCl₄还原成海绵钛的过程。除去还原产物的块状盐后，将其破碎成细块，再用稀盐酸水溶液浸出除去NaCl而制得海绵钛。传统的镁热还原法是将还原产物冷至室温后，再组装蒸馏设备进行真空分离作业。20世纪80年代在日本首先用还原一蒸馏联合法生产海绵钛获得成功，这是镁热还原法炼钛的重大技术进步。还原一蒸馏联合法简称联合法，是将还原产物在热态下直接转入蒸馏并实现镁循环，因而可大幅度降低镁耗、电耗，增大单炉的生产能力，降低生产成本。

还原物料及还原剂          海绵钛的工业生产原料为TiCl₄，镁或钠为还原剂。选用TiCl₄而不采用TiO₂作原料是因为TiO₂比TiCl₄更稳定，而且Ti-O系不仅可生成多种价态化合物，还可形成稳定的含氧量较低的难于还原的Ti-O固溶体。Ti—Cl系不形成固溶体，TiCl₄较易被还原成金属。此外，TiCl₄在常温下为液态，较易提纯，便于传输，并易于实现较大规模生产。

采用金属镁作还原剂的主要原因是：镁的还原能力强，可将TiCl₄全部还原成金属，生成的是金属钛而不是钛的低价氯化物；过程为放热反应，可维持自热生产；镁资源较丰富，且易于提纯，还原过程生成的MgCI₂可排放出炉，经电解制成金属镁可循环使用。金属钠用作还原剂亦具类似镁的特点，但难于循环利用。

海绵钛质量       镁热还原法生产的优质海绵钛，其布氏硬度不大于110，含钛量在99.6％以上，杂质含量(质量分数w／％)为：Fe<0.10，Cl<0.08，si<0.03，C<0.03，N<0.02，O<0.08。海绵钛中杂质的主要来源如下：(1)还原剂镁或钠带入的杂质氧、铁等，原料TiCl。带入的氧、硅、碳和铁等；(2)由大气和氩气带入的杂质氮和氧；(3)作业过程中若温度过高，反应罐壁的铁可转入海绵钛中，铁锈亦可经气相迁移将铁转入钛中；(4)还原过程生成的氯化物若分离不净，可导致海绵钛中残存的氯超过标准。为使产品海绵钛质量符合要求，可采取的措施有：必须采用纯度合格的原材料(TiCl₄、镁、钠、氩气)，确保还原一蒸馏系统的气密性，并保持所需的真空度；清除反应罐和各部件的铁锈和水分；选定合理的工艺操作制度，严格控制温度；保证有足够的过量镁，并正确判定真空蒸馏终点。

钠热还原法与镁热还原法的比较       钠热还原法产品中含铁、镍杂质较低，但含Cl^-量较镁热还原法海绵钛的高；钠熔点低，便于以液态方式加入，生成的NaCl吸湿性小且不水解，可用湿法取代真空蒸馏法分离还原产物，设备简单且节电；钠热还原法在还原过程不能排盐，虽可简化设备和便于操作，但单炉生产能力小且难于扩大，限制了生产率的提高；在还原过程中，钠利用率虽可达100％，但由于钠原子价数低、化学计量摩尔数高，按生产相同钛量计，加入钠量比镁量多，又由于NaCI不易于回收循环利用，故钠耗远高于镁耗。

展望      世界海绵钛产量将继续增长。以镁热还原372法为主生产海绵钛的格局在较长时间内将不会改变。海绵钛生产将继续向大型化、连续化的方向发展。