Titaan: Sleutelkenmerken, Toepassingen en Industriële Gebruik

Achtergrond

Titaan is bekend als een overgangsmetaal op het periodiek systeem van elementen aangeduid met het symbool Ti. Het is een lichtgewicht, zilvergrijs materiaal met een atoomnummer van 22 en een atoomsgewicht van 47,90. Het heeft een dichtheid van 4510 kg/m ³ , wat ergens tussen de dichtheden van aluminium en roestvrij staal ligt. Het heeft een smeltpunt van ongeveer 3.032°F (1.667°C) en een kookpunt van 5.948°F (3.287 C). Het gedraagt zich chemisch vergelijkbaar met zirconium en silicium. Het heeft een uitstekende corrosieweerstand en een hoge sterkte-gewichtsverhouding.

Titaan is het vierde meest voorkomende metaal en maakt ongeveer 0,62% van de aardkorst uit. Zeldzaam in zuivere vorm, bestaat titaan typisch in mineralen zoals anatase, brookiet, ilmeniet, leucoxene, perovskiet, rutile en sfeen. Hoewel titaan redelijk abundand is, blijft het duur omdat het moeilijk te isoleren is. De toonaangevende producenten van titaanconcentraten zijn Australië, Canada, China, India, Noorwegen, Zuid-Afrika en Oekraïne. In de Verenigde Staten zijn de primaire titaanproducerende staten Florida, Idaho, New Jersey, New York en Virginia.

Duizenden titaanlegeringen zijn ontwikkeld en deze kunnen in vier hoofdcategorien worden gegroepeerd. Hun eigenschappen hangen af van hun basis chemische structuur en de manier waarop ze tijdens de productie worden gemanipuleerd. Enkele elementen die gebruikt worden voor het maken van legeringen zijn aluminium, molybdeen, cobalt, zirconium, tin en vanadium. Alfa-fase legeringen hebben de laagste sterkte, maar zijn vormbaar en lasbaar. Alfa-plus-bètalegeringen hebben hoge sterkte. Bij-alfa legeringen hebben medium sterkte, maar goede kriekweerstand. Bèta-fase legeringen hebben de hoogste sterkte van alle titaanlegeringen, maar missen ook ductiliteit.

De toepassingen van titaan en zijn legeringen zijn talloos. De luchtvaartindustrie is de grootste gebruiker van titaanproducten. Het is nuttig voor deze industrie vanwege de hoge sterkte-gewichtsverhouding en hoge temperatuureigenschappen. Het wordt typisch gebruikt voor vliegtuigonderdelen en bevestigingsmiddelen. Deze dezelfde eigenschappen maken titaan nuttig voor de productie van gasturbine-motoren. Het wordt gebruikt voor onderdelen zoals compressorbladen, behuizingen, motorhauben en warmteschermen.

Omdat titaan goede corrosieweerstand heeft, is het een belangrijk materiaal voor de metaalafwerkingsindustrie. Hier wordt het gebruikt voor het maken van warmtewisselaarspiralen, beslagstukken en bekledingen. Titaans weerstand tegen chloor en zout maakt het een belangrijk materiaal in de chemische verwerking. Het wordt gebruikt voor de diverse pompen, kleppen en warmtewisselaars op de chemische productielijn. De olieraffinaderij-industrie gebruikt titaanmaterialen voor condensatorbuizen vanwege corrosieweerstand. Deze eigenschap maakt het ook nuttig voor apparatuur gebruikt in het desalinisatieproces.

Titaan wordt gebruikt in de productie van menselijke implantaten omdat het een goede compatibiliteit met het menselijk lichaam heeft. Een van de meest opvallende recente toepassingen van titaan is in kunstharten die voor het eerst in 2001 in een mens geïmplanteerd werden. Andere toepassingen van titaan zijn in heupvervangingen, pacemakers, defibrillatoren en elleboog- en heupgewrichten.

Ten slotte worden titaanmaterialen gebruikt in de productie van talloze consumentenproducten. Het wordt gebruikt in de vervaardiging van zaken zoals schoenen, sieraden, computers, sportartikelen, horloges en beeldhouwwerken. Als titaniumdioxide, wordt het gebruikt als wit pigment in plastic, papier en verf. Het wordt zelfs gebruikt als wit voedingskleurstof en als zonnebrandcrème in cosmetische producten.

Geschiedenis

De meeste historici wijzen William Gregor als ontdekker van titaan. In 1791 werkte hij met menachaniet (een mineraal gevonden in Engeland) toen hij het nieuwe element herkende en zijn resultaten publiceerde. Het element werd enkele jaren later herontdekt in het erts rutile door M. H. Klaproth, een Duitse scheikundige. Klaproth noemde het element titaan naar de mythologische reuzen, de Titanen.

Zowel Gregor als Klaproth werkten met titaanverbindingen. De eerste significante isolatie van vrijwel zuiver titaan werd in 1875 bereikt door Kirillov in Rusland. Isolatie van het zuivere metaal werd pas in 1910 gedemonstreerd toen Matthew Hunter en zijn medewerkers titaantetrachloride reageerden met natrium in een verwarmde staalbom. Dit proces produceerde individuele stukken zuiver titaan. In de jaren 1920 creëerde een groep Nederlandse wetenschappers kleine draden van zuiver titaan door een dissociatieractie uit te voeren op titaantetraiodide.

Deze demonstraties deden William Kroll experimenteren met verschillende methoden voor efficiënte isolatie van titaan. Deze vroege experimenten leidden tot de ontwikkeling van een proces voor het isoleren van titaan door reductie met magnesium in 1937. Dit proces, nu het Kroll-proces genoemd, is nog steeds het primaire proces voor de productie van titaan. De eerste producten gemaakt van titaan werden rond de jaren 1940 geïntroduceerd en omvatten zaken zoals draden, platen en staven.

Hoewel Kroll's werk een methode voor titaanproductie op laboratoriumschaal aantoonde, duurde het bijna een decennium voordat het voor grootschalige productie aangepast kon worden. Dit werk werd uitgevoerd door het United States Bureau of Mines van 1938 tot 1947 onder leiding van R. S. Dean. In 1947 hadden ze verschillende aanpassingen aan Kroll's proces gemaakt en bijna 2 ton titaanmetaal geproduceerd. In 1948 opende DuPont de eerste grootschalige productiefaciliteit.

Deze grootschalige productiemethode maakte het gebruik van titaan als structureel materiaal mogelijk. In de jaren 1950 werd het voornamelijk gebruikt door de luchtvaartindustrie in de constructie van vliegtuigen. Omdat titaan superieur was aan staal voor veel toepassingen, groeide de industrie snel. In 1953 had de jaarlijkse productie 2 miljoen lb (907.200 kg) bereikt en de primaire klant voor titaan was het Amerikaanse leger. In 1958 daalde de vraag naar titaan aanzienlijk omdat het leger zijn focus verschuifde van bemande vliegtuigen naar raketten waarvoor staal meer geschikt was. Sindsdien heeft de titaanindustrie verschillende cycli van hoge en lage vraag doorgemaakt. Tallooze nieuwe toepassingen en industrieën voor titaan en zijn legeringen zijn ontdekt. Vandaag de dag wordt ongeveer 80% van titaan gebruikt door de luchtvaartindustrie en 20% door niet-luchtvaart industrieën.

Grondstoffen

Titaan wordt verkregen uit diverse ertsen die van nature op aarde voorkomen. De primaire ertsen gebruikt voor titaanproductie zijn ilmeniet, leucoxene en rutile. Andere bekende bronnen zijn anatase, perovskiet en sfeen.

Ilmeniet en leucoxene zijn titaniferer ertsen. Ilmeniet (FeTiO3) bevat ongeveer 53% titaniumdioxide. Leucoxene heeft een vergelijkbare samenstelling, maar heeft ongeveer 90% titaniumdioxide. Ze worden gevonden geassocieerd met harde rotsafzettingen of in stranden en alluviale zanden. Rutile is relatief zuiver titaniumdioxide (TiO2). Anatase is een andere kristallijne vorm van titaniumdioxide en is pas recent een significante commerciële bron van titaan geworden. Ze worden beiden voornamelijk in strand- en zandafzettingen gevonden.

Perovskiet (CaTiO3) en sfeen (CaTi-SiO5) zijn calcium- en titaanerts. Geen van deze materialen worden in de commerciële productie van titaan gebruikt vanwege de moeilijkheid om het calcium te verwijderen. In de toekomst is het waarschijnlijk dat perovskiet commercieel gebruikt kan worden omdat het bijna 60% titaniumdioxide bevat en alleen calcium als onzuiverheid heeft. Sfeen heeft silicium als tweede onzuiverheid wat het nog moeilijker maakt om het titaan te isoleren.

Naast de ertsen worden andere verbindingen gebruikt in titaanproductie, zoals chloorgas, koolstof en magnesium.

Titaan wordt gebruikt voor een grote verscheidenheid aan items, zoals fietsframes, heupimplanten, brillenmontures en oorbellen.

Het Productie
Proces

Titaan wordt geproduceerd met het Kroll-proces. De stappen omvatten extractie, zuivering, sponsproductie, legeringsscheppping en vormgeving. In de Verenigde Staten specialiseren veel fabrikanten zich in verschillende fasen van deze productie. Er zijn bijvoorbeeld fabrikanten die alleen de spons maken, anderen die alleen smelten en de legering maken, en nog anderen die de eindproducten produceren. Op dit moment volgt geen enkele fabrikant al deze stappen.

Extractie

• 1 Aan het begin van de productie ontvangt de fabrikant titaanconcentraten uit mijnen. Terwijl rutile in zijn natuurlijke vorm gebruikt kan worden, wordt ilmeniet verwerkt om het ijzer te verwijderen zodat het ten minste 85% titaniumdioxide bevat. Deze materialen worden in een fluidized-bed reactor geplaatst samen met chloorgas en koolstof. Het materiaal wordt verhit tot 1.652°F (900°C) en de daaropvolgende chemische reactie resulteert in de creatie van onzuiver titaantetrachloride (TiCl4) en koolstofmonoxide. Onzuiverheden zijn het resultaat van het feit dat zuiver titaniumdioxide niet aan het begin gebruikt wordt. Daarom moeten de diverse ongewilde metalenchlorides die geproduceerd worden, verwijderd worden.

Zuivering

• 2gereageerde metaal wordt in grote distillatietanks geplaatst en verwarmd. Tijdens deze stap worden de onzuiverheden gescheiden door middel van fractionele distillatie en neerslag. Deze actie verwijdert metalenchlorides waaronder die van ijzer, vanadium, zirconium, silicium en magnesium.

Productie van de spons

• 3 Vervolgens wordt het gezuiverde titaantetrachloride als vloeistof overgebracht naar een roestvrij staal reactorvat. Magnesium wordt dan toegevoegd en de container wordt verhit tot ongeveer 2.012°F (1.100°C). Argon wordt in de container gepompt zodat lucht verwijderd wordt en contaminatie met zuurstof of stikstof voorkomen wordt. Het magnesium reageert met het chloor, wat vloeibaar magnesiumchloride produceert. Dit laat zuiver titaanvast achter, aangezien het smeltpunt van titaan hoger is dan dat van de reactie.
• 4 Het titaanvast wordt uit de reactor gehaald door boren en vervolgens met water en zoutzuur behandeld om overtollig magnesium en magnesiumchloride te verwijderen. Het resulterende vast is een porös metaal genaamd een spons.

Legeringsschepping

• 5 De zuivere titaanspons kan dan worden omgezet in een bruikbare legering via een consumeerbare-elektrode boogoven. Op dit moment wordt de spons gemengd met de diverse legeringstoevoegingen en schrootmetaal. De exacte verhouding van spons tot legeringsmateriaal wordt in een lab geformuleerd vóór productie. Deze massa wordt vervolgens in compacten geperst en samengeweest, wat een spons-elektrode vormt.
• 6 De spons-elektrode wordt vervolgens in een vacuüm boogoven geplaatst voor smelting. In deze water-gekoelde, koperen container wordt een elektrische boog gebruikt om de spons-elektrode te smelten tot een lingot. Alle lucht in de container wordt ofwel verwijderd (vormend een vacuüm) of de atmosfeer wordt gevuld met argon om contaminatie te voorkomen. Typisch wordt de lingot een of twee keer hersteld om een commercieel acceptabele lingot te produceren. In de Verenigde Staten wegen de meeste lingotten geproduceerd door deze methode ongeveer 9.000 lb (4.082 kg) en zijn 30 in (76,2 cm) in diameter.
• 7 Na het maken van een lingot, wordt deze uit de oven gehaald en geïnspecteerd op defecten. Het oppervlak kan naar wens geconditioneerd worden voor de klant. De lingot kan vervolgens worden verzonden naar een eindproductfabrikant waar hetgefreesd en gefabriceerd kan worden in diverse producten.

Bijproducten/Afval

Tijdens de productie van zuiver titaan wordt een aanzienlijke hoeveelheid magnesiumchloride geproduceerd. Dit materiaal wordt direct na productie gerecycled in een recyclingscel. De recyclingscel scheidt eerst het magnesiummetaal, daarna wordt het chloorgas verzameld. Beide componenten worden hergebruikt in de productie van titaan.

De Toekomst

Toekomstige vooruitgang in titaanproductie zal waarschijnlijk liggen in het verbeteren van lingotproductie, de ontwikkeling van nieuwe legeringen, de verlaging van productiekosten en de toepassing op nieuwe industrieën. Op dit moment is er behoefte aan grotere lingotten dan geproduceerd kunnen worden door de beschikbare ovens. Onderzoek is gaande om grotere ovens te ontwikkelen die aan deze behoeften voldoen. Er wordt ook gewerkt aan het vinden van de optimale samenstelling van diverse titaanlegeringen. Uiteindelijk hopen onderzoekers dat gespecialiseerde materialen gecontroleerde microstructuren zullen kunnen produceren. Ten slotte hebben onderzoekers verschillende methoden voor titaan-zuivering onderzocht. Recentelijk kondigden wetenschappers van Cambridge University een methode aan voor het produceren van zuiver titaan direct uit titaniumdioxide. Dit zou de productiekosten aanzienlijk kunnen verlagen en de beschikbaarheid vergroten.

Waar Meer Te Leren

Boeken

Othmer, K. Encyclopedia of Chemical Technology. New York: Marcel Dekker, 1998.

U.S. Department of the Interior U.S Geological Survey. Minerals Yearbook Volume 1. Washington, DC: U.S. Government Printing Office, 1998.

Periodieken

Freemantle, M. "Titanium Extracted Directly from TiO2." Chemical and Engineering News (25 september 2000).

Eylon D. "Titanium for Energy and Industrial Applications." Metallurgical Society AIME (1987).

Overige

WebElements Webpagina. December 2001. < https://www.webelements.com >.

Perry Romanowski