钛(titanium)

元素周期表第4周期ⅣB族元素。元素符号Ti，原子序数22，相对原子质量47．88。钛外观似钢，为延性银白色金属。

简史 1791年英国人格雷戈尔(w．Gregor)在研究钛铁矿时，发现其中含有一种新的元素。1795年奥地利科学家克拉普罗思(M．H．KJaproth)在研究金红石时，亦发现此种新元素，以希腊神话中人物Titans(泰坦神)命名为Titanium。1910年美国人亨特(M．A．Hunter)用钠还原TiCl。制得在热态下具有延性的金属钛；1940年卢森堡科学家克劳尔(w．J．Kroll)在氩气保护下用镁还原TiCl。制得可锻性海绵钛。1948年美国杜邦公司(DuPontCo)用镁还原法生产商品海绵钛10t，开始钛的工业化生产。1954年日本、英国和前苏联相继生产海绵钛。同年，中国开始研制海绵钛，并于1958年建成海绵钛车间投产，至60年代末，中国已形成钛的生产工业体系，生产海绵钛和多种钛材产品。1990年世界海绵钛年生产能力约14．5万t，其中约90％采用镁热还原法生产。

钛是重要的稀有金属。钛在地壳中的含量十分丰富，按结构金属计，仅次于铁和铝，而且钛的性能优异，用途日趋广泛，有“第三金属”之称。钛的应用在20世纪50年代始于飞机工业，随后进入航天工业、化学工业以及发电、海水淡化等部门，现已用作医疗材料、建筑物结构及装饰材料，并用于制作人们的日常生活用品。

性质 金属钛有两种同素异形体，低温(低于1155．5K)稳定态为a型，密排六方晶格；高温稳定态为β型，体心立方品格。钛具有可塑性。高纯钛的延伸率可达50％～60％，断面收缩率为70％～80％，但强度低。钛的机械性能与其中的杂质种类和数量有密切关系。尤其是间隙杂质氧．、氮、碳，它们会使其硬度和脆性增加；氢会使其脆性增加、冲击韧性降低；杂质铁不仅使其硬度增加，并使其耐腐蚀性能变差。钛基材料因添加合金元素和含有少量杂质，而使其强度显著提高，可与高强度钢相比拟，而且使用温度范围宽。钛的主要物理性质列举于表1。

钛原子的电子层构型为[Ar]3d²4s²，钛有一1、0、+2、+3、+4几种价态，其中以+4价化合物最稳定。钛有9个同位素，其质量数从43到51，有⁴⁶Ti、⁴⁷Ti、⁴⁸Ti、⁴⁹Ti及⁵⁰Ti 5种天然稳定同位素。

致密钛在常温空气中稳定，钛粉尘易爆炸。高温下钛很容易与氧、氮、氢、水气、氨、CO、CO2等气体反应。钛是良好的吸气剂，吸收量小时，呈固溶体存在；吸收量大时，生成相应的化合物如TiH2、TiO等。钛的表面可生成致密的氧化膜，起保护作用，因此钛在海水、碱性溶液、硝酸、湿氯气中的耐腐蚀能力很强；钛在浓度小于5％的稀盐酸和稀硫酸中的耐腐蚀能力也不错，若在此类介质中加入少量的氧化剂如HNO3、KMnO4或Cl2等时，则能使钛的耐腐蚀能力显著提高。

化合物钛的化合物繁多，具有工业价值的主要有：(1)氧化物，如TiO2、Ti3O5、Ti2O3、TiO(见表2)；(2)卤化物，如TiCl4、TiCl3、TiCl2、TiOCl2、Til4(见表3)；(3)氮、碳、氢化物，如TiN，TiC，TiH2；以及(4)钛盐，如Ti(SO4)2、TiOSO4、BaTiO3等。其中，最重要的是TiO2和TiCl4。二氧化钛(TiO2)也称钛白是优质白色颜料；四氯化钛(TiCl4)是海绵钛工业和氯化法钛白工业最重要的原料。

合金 往钛中添加合金元素，并在加工热处理过程中控制工艺条件，调节宏观、微观金属组织，可形成多种钛合金。主要的合金有：高强度钛合金，如Ti一6Al一4V、Ti一6A1—6V一2Sn、Ti一8A1—1v-1Mo等；耐热钛合金，如Ti一6A1—2Sn一4Zr2Mo～0．1Si、Ti一5．5Al一3．5Sn一3Zr一1Nb—0．3Mo—0．3Si等；极低温用钛合金，如Ti一5Al2．5Sn等；耐腐蚀钛合金，如Ti—0．15Pd、n一15Mo一5Zr等；以及具有特殊功能的钛合金如超导合金(Ti—Nb)、贮氢合金(]ri—Fe)和形状记忆合金(Ti—Ni)等。

用途 钛及其合金具有重量轻、强度大(强度与重量的比值高于钢和铝合金)、热稳定性好、适用温度范围宽(在低温20K和高温823K下仍具有足够的强度和韧性)、耐腐蚀等许多优良特性。它既是战略金属，也是有发展前途的新型结构材料。钛及其合金主要的应用部门是航空、航天工业，在这些部门中的钛用量美国约占其钛总用量的80％(其中民用飞机和军用飞机各占40％)，前苏联和欧洲各占50％以上，日本占10％。钛的另一重要应用是以工业纯钛材形式大量应用于制造石油化工工业中的反应塔、风机、泵、阀门和管道，并用作制作氯碱工业中的阳极、发电站的冷凝器和海水淡化装置的蒸发器、传热管等。钛和钛合金还用于制造深海潜水器和军用潜水艇。此外，钛材还用于房屋建筑、雕塑装饰和制造汽车、自行车、运动器材和日常生活用品等。钛在医疗部门中用作人工骨等补形材料和制作外科器械。

二氧化钛(钛白)广泛用于涂料、纸张、塑料、合成纤维、橡胶制品、陶瓷及油墨等部门。

三氯化钛在石化工业中用作催化剂；碳化钛和氮化钛是优良的硬质合金材料；偏钛酸钡(BaTiO3)具有很高的介电常数，用于制作电容器；人造金红石大量用作电焊条包覆涂料；钛铁用作合金钢的添加剂；钛粉和氢化钛粉用于烟火业。

矿物原料 钛的地壳丰度为632×10^-3％，海水含钛1×10^-7％，比常见的有色金属铜、镍、锡、铅、锌等均高。已知TiO2含量大于1％的钛矿物有140多种，但从储量和品位来看，只有表4所列少数几种(除板钛矿外)具有工业开采价值。金红石的品位高，但储量有限，主要产于澳大利亚、印度和塞拉利昂。钛铁矿储量丰富，可分为岩矿(原生矿)和砂矿(次生矿)两种。岩矿主要产于加拿大、挪威；砂矿主要产于澳大利亚、印度、南非和美国。前苏联是世界上钛储量最多的国家之一。据估计，钛铁矿的大部分储量赋存于钛磁铁矿床内，亦产于高品位的红钛铁矿中。中国钛铁矿储量十分丰富，主要有四川攀西地区的岩矿，广东、广西和海南的砂矿。世界主要国家所产一些金红石和钛铁矿精矿组成列举于表5。

 
 
  名    称
 
 

 
 
    化学式
 
 

 
 
  结晶构造
 
 

  Ti02理论
  含量(质量
 
  分数ω
    ／％)

 
    密度
 
ρ／kg·m-3
 

 
 
  硬度
 
 

 
 
    颜色
 
 

 
 
  磁性
 
 

  金红石
  锐钛矿
  板钛矿
  钛铁矿
  红钛铁矿
 
    白钛石
 
  钛磁铁矿
赤铁钛铁矿

    Ti02
    Ti02
    Ti0，
    FeTi03
    Fe203·3Ti02
 
    Ti02·nH2O
 
    FeTi03·Fe304
    FeTi03·Fe203

  正方晶系
  正方晶系
  斜方晶系
  三方晶系
  六方晶系
 
  (变质物)
 
  等轴晶系
  三方晶系

    100
    100
    100
    52．66
    60．01
    约94
 
  (经验值)
 
 

4200～4300
    3900
    4100
 4500～5000
    4250
 
 3500～4500
 
 
 

  6～6．5
  5．5～6
  5．5～6
    5～6
 
 
  4～5．5
 
 
 

    红褐色
    褐色
黄色到褐色
    黑色
    赤褐色
 
黄灰色到褐色
 
 
 

  无磁性
  无磁性
  无磁性
  弱磁性
 
 
 
 
  强磁性
  弱磁性

表5金红石及钛铁矿精矿的化学成分(质量分数ω／％)

 
  成分

    金红石
 

    砂矿钛铁矿精矿
 

    岩矿钛铁矿精矿
 

澳大利亚

  印度

澳大利亚

  南非

  印度

  前苏联

  中国

  加拿大

    挪威

    中国

    Ti02
    ξFe
    FeO
    Fe203
    Si02
    Al2O3
    CaO
    MgO
    MnO
    Cr203
    V2O5
    P205
    ZrO2
    S
    P
    C
 Na2O+：K2O

    95．2
 
    O．9
    1．O
    O．2
    O．02
    O．07
    O．18
    O．008
    O．6
    O．01
    O．8
    O．2
    O．1
 
    O．03
    O．04

    95．5
 
 
    2．O
    O．74
    O．50
    O．01
    O．03
    O．Ol
    O．11
    O．55
 
    1．02
    O．02
    O．03
 
 

    54．2
 
    24．O
    18．O
    O．50
    O．85
    O．01
    O．16
    1．60
    O．03
    O．15
    O．02
    O．04
    O．Ol
 
 
 

    49．7
 
    36．6
    11．1
 
 
 
 
 
    O．19
    O．29
 
 
 
 
 
 

    60．3
 
    9．7
    24．8
    1．4
    1．6
 
    O．84
 
    O．14
    O．26
    O．17
 
 
 
 
 

    60．3
 
 
    25．88
    1．2
    2．O
    O．17
    O．9
    O．85
    1．36
    O．12
 
    O．33
 
 
 
    

    50．77
    33．65
    35．17
    8．88
    O．94
    O．36
    O．38
    O．10
    2．31
 
 
 
 
    O．Ol
    O．028
 
 

    34．3
 
    27．5
    25．2
    4．3
    3．5
    O．9
    3．1
    O．16
    O．1
    O．27
    O．015
 
    O．30
 
 
    O．35

 44．5～45．5
 
 33．5～34．5
  12～13
  2．5～3．O
  O．5～O．7
  O．2～O．3
  4．5～5．5
  O．2～O．3
  <O．075
 O．15～O．17
  <O．03
 
  <O．04
 
  <O．055
 

46．58～48．3：
32．43～32．91
36．77～37．3：
 
1．20～4．02
 1．34～2．71
 O．72～2．29
 4．80～5．53
O．225～O．60
 
    O．068
 
 
 1．35～1．65
 O．013～O．04
 

提取冶金 主要有金属钛生产和钛白生产两大工艺路线。钛和钛白生产中的综合利用亦属钛提取冶金范畴。工业上从钛铁矿精矿或金红石生产金属钛和钛白的原则流程如图。

金属钛生产有镁热还原法生产海绵铁和钠热还原法生产海绵钛两种工业方法。其中以镁热还原法为主，钠热还原法生产的钛占世界钛总产量不到15％。熔盐电解法制取金属钛正处于由研制向工业化过渡的阶段。

镁热还原法制钛流程一般包括富钛料制取、四氯化钛制取、TiCl。镁热还原及产物蒸馏分离、海绵钛破碎与分级以及MgCl2电解等过程。钠热还原法制钛与镁热还原法不同之处仅在于还原作业，以金属钠作还原剂，还原产物经湿法处理制得海绵钛。热还原法生产出的海绵钛还含有一定数量的杂质，必须经过钛精炼除去。

现行镁热还原法制钛流程的工艺特点是：使用天然金红石或将钛铁矿精矿用电炉熔炼等多种方法将铁除去制备成富钛料，再将钛的氧化物转变成钛的氯化物并经净化提纯制得精TiCl4，作为生产海绵钛的原料，镁热还原蒸馏分离高温过程必须与大气隔绝采用惰性气体保护或在真空条件下进行；还原过程排放的。MgCl2经电解将镁和氯气返回流程中使用，从而实现海绵钛生产中镁的循环利用以及钛生产中的氯气循环利用(见钛和钛白生产中氯气的循环利用)。

钛白生产有硫酸法生产铁白和氯化法生产铁白两种工业方法。硫酸法是以钛铁矿精矿或钛渣为原料，采钛ta用浓硫酸分解，再经浸出、除铁、水解、漂洗、煅烧及后处理制得钛白；氯化法是以制备的精TiCl。为原料，在高温下与氧反应生成Ti0z，经表面处理(见颜料钛白的表面处理)可制得高质量钛白。

钛和钛白生产中的综合利用包括残钛利用、镁和氯气的循环利用以及钪的回收。通过综合利用可达到消除污染、利用和回收有价组分以及提高经济效益的目的。

钛冶金的展望钛的工业规模生产仅有40多年历史，随着用途的不断扩大，钛的生产方法和工艺流程也在不断地改进和完善。预计今后在较长一段时间内，镁热还原法制钛仍将居金属钛生产的主导地位。海绵钛生产的发展方向主要有以下几个方面：改进富钛料生产工艺；强化并完善氯化冷凝系统装备，提高大型氯化炉生产能力；开发连续的金属钛生产新工艺，如镁热还原流动式连续气相法等；实现生产过程的全自动控制；进一步治理三废，更好地保护环境；有效回收钪、钒等元素，采用封闭式的工艺生产流程。

熔盐电解法生产金属钛是一种具有竞争力的金属钛生产方法，有可能用于工业生产。