钛精炼(refining of titanium)

除去钛及钛(或钛合金)废料中的杂质，产出纯度符合用户要求的纯钛的过程，为金属钛生产的一个步骤。工业上常用的方法有电解精炼、热法精炼和碘化精炼。前两种方法主要用于精炼海绵钛和不合格钛锭以及在加工过程中污染严重的残钛，后者用于制取高纯钛。

电解精炼 将含杂质的钛或其合金作为可溶性阳极，以钢棒(或板)作为阴极，在NaCl或NaCl-KCI熔盐电解质中进行电解制取纯钛的过程。在电解过程中，阳极发生钛的电溶解反应：

Ti-2e→Ti²⁺

Ti²⁺-e→Ti³⁺

钛以低价形式进入熔盐中，不溶解的杂质则残留在阳极中或沉积在电解槽底部。与此同时，阴极上则发生低价钛的电还原反应：

Ti³⁺+e→Ti²⁺

Ti²⁺+2e→Ti

金属钛以结晶形态在阴极上析出。

钛在电解质内的离子浓度为3％～6％，其平均价为2．2～2．3。初始阴极电流密度为0.5～1．5A／cm²，阳极电流密度小于0.5A／cm²，电解温度为1073～1123K。

电解精炼对除去钛中氧、氮等气体杂质的效果较好，也能有效地除去硅、碳和电极电位比钛正的铁、镍、锡、钼等金属杂质。但对除电极电位与钛相近的铝、钒、锰等杂质的效果较差。

精炼在充有氩气的密闭电解槽中进行。阴极产物由专门设置的刮刀切下，经破碎、酸浸、湿痦、洗涤以及烘干制成钛粉。钛粉杂质含量(质量分数ω／％)为：Fe0.05～0.1，Cr0.002～0.034，Si0.02～0.03，Cl0.04～0.1，O0.03～0.06，：H0.003～0.005，N0.03～0.05，C0.013～0.025。钛粉重熔后，金属钛的布氏硬度为80～100。

工业精炼电解槽的电流强度为1～3万A，槽电压为8～11V。按Ti²⁺放电计算的电流效率为90％，钛的回收率为60％～85％，每吨钛的电耗为1．5万kw•h。

钛渣直接用铝热还原法制得的粗钛，或以碳还原制得的碳化钛也可用电解精炼法除去杂质。

电解精炼设备简单并且有一定的生产能力，产品纯度高，是粉末冶金用铁粉生产方法之一，成本比碘化法低。

热法精炼 为前苏联科技人员研究成功，其工艺过程包括两个阶段：第一阶段为氯化过程，即将钛或钛合金废料与TiCl₄反应制成含低价钛化合物的熔盐(mTiCl₂•nTiCl₃•pNaCl)；第二阶段为还原过程，即用镁或钠作还原剂，将熔盐中的低价氯化钛还原为钛。

第一阶段在氯化器中进行。氯化结束后，在熔盐中生成含有20％～24％钛的低价氯化物。制取含钛熔盐的过程能有效地除去与氯的化学亲和势较小的金属与非金属杂质(铁、镍、铬、硅)以及气体杂质(氧、氮)等。大约还有15％的废料没有参加反应，可送往氯化工序制取四氯化钛。

第二阶段在镁热还原法生产海绵钛的还原设备中进行，还原温度为1073～1093K，还原过程中定期将氯化钠或氯化镁从反应罐中排出，送至电解车间生产镁。还原结束后进行真空蒸馏，获得合格海绵钛。

热法精炼钛合金废料时，一些合金元素(锰、钒、铝)也同时进入精炼金属中，因而产品只能用于生产钛合金。布氏硬度200～400的原料经热法精炼后，可获得优质海绵钛，其布氏硬度为95～110。

热法精炼的优点是可利用现有的镁热还原生产设备，产量大，成本低。此外，该法还可以处理小块和粉状钛废料，回收率比电解精炼法高。

碘化精炼 利用碘化钛热分解反应将含杂质的钛精炼为高纯钛的过程。产品纯度在99．9％以上。精炼过程的反应为：

含杂质的钛在373～473K温度下与碘作用，生成的碘化钛蒸气再在1573～1773K温度的金属丝上离解为钛和气态碘，释放出来的碘返回与不纯的钛作用。由于在生成TiI₄的低温下，钛中的氮化物、氧化物等杂质不能和碘相互作用而和钛分离。

碘化精炼在金属制的真空设备中进行。首先将罐内抽空至2．67×10^-2～6．67×10^-3Pa，然后放入碘。钛和碘作用生成的TiI₄在通过加热直径为3～4mm的钛丝上热分解，形成粗晶粒或致密的钛棒。钛的沉积速度主要取决于TiI₄的蒸气压力、反应罐温度和金属丝温度。实际生产中钛棒长度可达1．5～2．0m，直径每昼夜大约增长20～40mm。

碘化精炼钛的杂质含量(质量分数ω／％)为：C0.01～0.03，O0.003～0.005，N0.001～0.004，Fe0.0035～0.025，Mg0.0015～0.002，Mn0.005～0.013，Al0.013～0.05，Cu 0.0015～0.002，Si 0.03，Sn 0.001～0.01。

碘化精炼的钛纯度高，故具有较低的硬度(布氏硬度为70～80)和良好的塑性。碘化精炼的设备费用较高，生产效率低，生产批量小以及成本高，从而限制了它的应用推广。