Titanium

Achtergrond

Titanium staat bekend als een overgangsmetaal in het periodiek systeem der elementen, aangeduid met het symbool Ti. Het is een lichtgewicht, zilvergrijs materiaal met een atoomnummer van 22 en een atoomgewicht van 47,90. Het heeft een dichtheid van 4510 kg/m ³ , die 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 zirkonium en silicium. Het heeft een uitstekende corrosieweerstand en een hoge sterkte-gewichtsverhouding.

Titanium is het vierde meest voorkomende metaal en vormt ongeveer 0,62% van de aardkorst. Zelden gevonden in zijn pure vorm, komt titanium meestal voor in mineralen zoals anataas, brookiet, ilmeniet, leucoxeen, perovskiet, rutiel en sphene. Hoewel titanium relatief veel voorkomt, blijft het duur omdat het moeilijk te isoleren is. De toonaangevende producenten van titaniumconcentraten zijn Australië, Canada, China, India, Noorwegen, Zuid-Afrika en Oekraïne. In de Verenigde Staten zijn Florida, Idaho, New Jersey, New York en Virginia de belangrijkste titaniumproducerende staten.

Duizenden titaniumlegeringen zijn ontwikkeld en deze kunnen worden gegroepeerd in vier hoofdcategorieën. Hun eigenschappen zijn afhankelijk van hun chemische basisstructuur en de manier waarop ze tijdens de fabricage worden gemanipuleerd. Sommige elementen die worden gebruikt voor het maken van legeringen zijn aluminium, molybdeen, kobalt, zirkonium, tin en vanadium. Alfafaselegeringen hebben de laagste sterkte, maar zijn vervormbaar en lasbaar. Alpha plus beta legeringen hebben een hoge sterkte. Bijna alfa-legeringen hebben een gemiddelde sterkte maar hebben een goede kruipweerstand. Beta-faselegeringen hebben de hoogste sterkte van alle titaniumlegeringen, maar ze missen ook ductiliteit.

De toepassingen van titanium en zijn legeringen zijn talrijk. De lucht- en ruimtevaartindustrie is de grootste gebruiker van titaniumproducten. Het is nuttig voor deze industrie vanwege de hoge sterkte-gewichtsverhouding en de eigenschappen bij hoge temperaturen. Het wordt meestal gebruikt voor vliegtuigonderdelen en bevestigingsmiddelen. Deze zelfde eigenschappen maken titanium bruikbaar voor de productie van gasturbinemotoren. Het wordt gebruikt voor onderdelen zoals de compressorbladen, behuizingen, motorkappen en hitteschilden.

Omdat titanium een ​​goede corrosieweerstand heeft, is het een belangrijk materiaal voor de metaalveredelingsindustrie. Hier wordt het gebruikt voor het maken van warmtewisselaarspoelen, mallen en voeringen. Titanium's weerstand tegen chloor en zuur maakt het een belangrijk materiaal in de chemische verwerking. Het wordt gebruikt voor de verschillende pompen, kleppen en warmtewisselaars op de chemische productielijn. De olieraffinage-industrie gebruikt titaniummaterialen voor condensorbuizen vanwege de corrosieweerstand. Deze eigenschap maakt het ook nuttig voor apparatuur die wordt gebruikt in het ontziltingsproces.

Titanium wordt gebruikt bij de productie van menselijke implantaten omdat het goed compatibel is met het menselijk lichaam. Een van de meest opvallende recente toepassingen van titanium is in kunstmatige harten die voor het eerst in een mens werden geïmplanteerd in 2001. Andere toepassingen van titanium zijn in heupprothesen, pacemakers, defibrillators en elleboog- en heupgewrichten.

Ten slotte worden titaniummaterialen gebruikt bij de productie van tal van consumentenproducten. Het wordt gebruikt bij de vervaardiging van zaken als schoenen, sieraden, computers, sportuitrusting, horloges en sculpturen. Als titaandioxide wordt het gebruikt als wit pigment in plastic, papier en verf. Het wordt zelfs gebruikt als een witte kleurstof voor levensmiddelen en als zonnebrandcrème in cosmetische producten.

Geschiedenis

De meeste historici crediteren William Gregor voor de ontdekking van titanium. In 1791 werkte hij met menachaniet (een mineraal gevonden in Engeland) toen hij het nieuwe element herkende en zijn resultaten publiceerde. Het element werd een paar jaar later herontdekt in het ertsrutiel door M.H. Klaproth, een Duitse chemicus. Klaproth noemde het element titanium naar de mythologische reuzen, de Titanen.

Zowel Gregor als Klaproth werkten met titaniumverbindingen. De eerste significante isolatie van bijna puur titanium werd in 1875 bereikt door Kirillov in Rusland. Isolatie van het zuivere metaal werd pas in 1910 aangetoond toen Matthew Hunter en zijn medewerkers titaniumtetrachloride met natrium in een verwarmde stalen bom lieten reageren. Dit proces produceerde individuele stukken puur titanium. Halverwege de jaren twintig creëerde een groep Nederlandse wetenschappers kleine draadjes van puur titanium door een dissociatiereactie uit te voeren op titaniumtetrajodide.

Deze demonstraties waren voor William Kroll aanleiding om te gaan experimenteren met verschillende methoden om titanium efficiënt te isoleren. Deze vroege experimenten leidden in 1937 tot de ontwikkeling van een proces voor het isoleren van titanium door reductie met magnesium. Dit proces, nu het Kroll-proces genoemd, is nog steeds het primaire proces voor het produceren van titanium. De eerste producten gemaakt van titanium werden rond de jaren 40 geïntroduceerd en omvatten onder meer draden, platen en staven.

Hoewel het werk van Kroll een methode voor titaniumproductie op laboratoriumschaal aantoonde, duurde het nog bijna een decennium voordat het kon worden aangepast voor grootschalige productie. Dit werk werd van 1938 tot 1947 uitgevoerd door het Amerikaanse Bureau of Mines onder leiding van R.S. Dean. In 1947 hadden ze verschillende wijzigingen aangebracht in het proces van Kroll en produceerden ze bijna 2 ton titaniummetaal. In 1948 opende DuPont de eerste grootschalige productievestiging.

Deze grootschalige productiemethode maakte het gebruik van titanium als constructiemateriaal mogelijk. In de jaren vijftig werd het voornamelijk gebruikt door de lucht- en ruimtevaartindustrie bij de bouw van vliegtuigen. Omdat titanium voor veel toepassingen superieur was aan staal, groeide de industrie snel. In 1953 had de jaarlijkse productie 2 miljoen pond (907.200 kg) bereikt en de belangrijkste klant voor titanium was het Amerikaanse leger. In 1958 daalde de vraag naar titanium aanzienlijk omdat het leger zijn focus verlegde van bemande vliegtuigen naar raketten waarvoor staal meer geschikt was. Sindsdien heeft de titaniumindustrie verschillende cycli van hoge en lage vraag gekend. In de loop der jaren zijn er talloze nieuwe toepassingen en industrieën voor titanium en zijn legeringen ontdekt. Tegenwoordig wordt ongeveer 80% van het titanium gebruikt door de lucht- en ruimtevaartindustrie en 20% door niet-luchtvaartindustrieën.

Grondstoffen

Titanium wordt gewonnen uit verschillende ertsen die van nature op aarde voorkomen. De primaire ertsen die worden gebruikt voor de productie van titanium zijn ilmeniet, leucoxeen en rutiel. Andere opmerkelijke bronnen zijn anatase, perovskiet en sphene.

Ilmeniet en leucoxeen zijn titaanhoudende ertsen. Ilmeniet (FeTiO3) bevat ongeveer 53% titaniumdioxide. Leucoxeen heeft een vergelijkbare samenstelling, maar bevat ongeveer 90% titaandioxide. Ze worden gevonden in verband met harde rotsafzettingen of in stranden en alluviale zanden. Rutiel is relatief zuiver titaandioxide (TiO2). Anatase is een andere vorm van kristallijn titaniumdioxide en is onlangs een belangrijke commerciële bron van titanium geworden. Ze worden beide voornamelijk gevonden in strand- en zandafzettingen.

Perovskiet (CaTiO3) en sphene (CaTi-SiO5) zijn calcium- en titaniumertsen. Geen van deze materialen wordt gebruikt bij de commerciële productie van titanium vanwege de moeilijkheid om het calcium te verwijderen. In de toekomst is het waarschijnlijk dat perovskiet commercieel kan worden gebruikt omdat het bijna 60% titaniumdioxide bevat en alleen calcium als onzuiverheid heeft. Sphene heeft silicium als tweede onzuiverheid die het nog moeilijker maakt om het titanium te isoleren.

Naast de ertsen omvatten andere verbindingen die bij de productie van titanium worden gebruikt chloorgas, koolstof en magnesium.

Titanium wordt gebruikt voor een breed scala aan artikelen, zoals fietsframes, heupimplantaten, brilmonturen en oorbellen .

Het fabricageproces

Titanium wordt geproduceerd met behulp van het Kroll-proces. De betrokken stappen omvatten extractie, zuivering, sponsproductie, het maken van legeringen en vormen en vormgeven. In de Verenigde Staten zijn veel fabrikanten gespecialiseerd in verschillende fasen van deze productie. Er zijn bijvoorbeeld fabrikanten die alleen de spons maken, anderen die alleen smelten en de legering maken, en weer anderen die de eindproducten produceren. Momenteel voltooit geen enkele fabrikant al deze stappen.

Extractie

• 1 Bij de start van de productie ontvangt de fabrikant titaniumconcentraten uit mijnen. Hoewel rutiel in zijn natuurlijke vorm kan worden gebruikt, wordt ilmeniet verwerkt om het ijzer te verwijderen, zodat het ten minste 85% titaandioxide bevat. Deze materialen worden samen met chloorgas en koolstof in een wervelbedreactor gedaan. Het materiaal wordt verwarmd tot 1.652°F (900°C) en de daaropvolgende chemische reactie resulteert in de vorming van onzuiver titaniumtetrachloride (TiCl4) en koolmonoxide. Onzuiverheden zijn het gevolg van het feit dat er in het begin geen puur titaandioxide wordt gebruikt. Daarom moeten de verschillende ongewenste metaalchloriden die worden geproduceerd, worden verwijderd.

Zuivering

• 2 Het gereageerde metaal wordt in grote destillatietanks gedaan en verwarmd. Tijdens deze stap worden de onzuiverheden gescheiden door middel van gefractioneerde destillatie en precipitatie. Deze actie verwijdert metaalchloriden, waaronder die van ijzer, vanadium, zirkonium, silicium en magnesium.

Productie van de spons

• 3 Vervolgens wordt het gezuiverde titaantetrachloride als vloeistof overgebracht naar een roestvrijstalen reactorvat. Magnesium wordt vervolgens toegevoegd en de houder wordt verwarmd tot ongeveer 2.012 °F (1.100 °C). In de container wordt argon gepompt waardoor lucht wordt verwijderd en besmetting met zuurstof of stikstof wordt voorkomen. Het magnesium reageert met het chloor en produceert vloeibaar magnesiumchloride. Hierdoor blijft puur titanium vast omdat het smeltpunt van titanium hoger is dan dat van de reactie.
• 4 De vaste titaan wordt uit de reactor verwijderd door te boren en vervolgens behandeld met water en zoutzuur om overtollig magnesium en magnesiumchloride te verwijderen. De resulterende vaste stof is een poreus metaal dat een spons wordt genoemd.

Legering maken

• 5 De pure titaniumspons kan vervolgens worden omgezet in een bruikbare legering via een vlamboogoven met verbruikselektroden. Op dit punt wordt de spons gemengd met de verschillende legeringstoevoegingen en schroot. De exacte verhouding van spons tot legeringsmateriaal wordt voorafgaand aan de productie in een laboratorium geformuleerd. Deze massa wordt vervolgens tot compacts geperst en aan elkaar gelast, waardoor een sponselektrode wordt gevormd.
• 6 De sponselektrode wordt vervolgens in een vacuümboogoven geplaatst om te smelten. In deze watergekoelde, koperen container wordt een elektrische boog gebruikt om de sponselektrode te smelten tot een staaf. Alle lucht in de container wordt verwijderd (waardoor een vacuüm ontstaat) of de atmosfeer wordt gevuld met argon om besmetting te voorkomen. Typisch wordt de ingot nog een of twee keer omgesmolten om een ​​commercieel aanvaardbare ingot te produceren. In de Verenigde Staten wegen de meeste blokken die met deze methode worden geproduceerd ongeveer 9000 lb (4,082 kg) en hebben ze een diameter van 30 inch (76,2 cm).
• 7 Nadat een ingot is gemaakt, wordt deze uit de oven gehaald en gecontroleerd op defecten. Het oppervlak kan naar wens van de klant worden geconditioneerd. De ingot kan vervolgens worden verzonden naar een fabrikant van afgewerkte goederen, waar deze kan worden gemalen en tot verschillende producten kan worden verwerkt.

Bijproducten/afval

Tijdens de productie van puur titanium wordt een aanzienlijke hoeveelheid magnesiumchloride geproduceerd. Dit materiaal wordt direct na productie in een recyclingcel gerecycled. De recyclingcel scheidt eerst het magnesiummetaal af en vervolgens wordt het chloorgas opgevangen. Beide componenten worden hergebruikt bij de productie van titanium.

De Toekomst

Toekomstige ontwikkelingen in de titaniumproductie zullen waarschijnlijk te vinden zijn op het gebied van verbeterde productie van ingots, de ontwikkeling van nieuwe legeringen, de verlaging van de productiekosten en de toepassing op nieuwe industrieën. Momenteel is er behoefte aan grotere blokken dan de beschikbare ovens kunnen produceren. Er wordt onderzoek gedaan om grotere ovens te ontwikkelen die aan deze behoeften kunnen voldoen. Ook wordt er gewerkt aan het vinden van de optimale samenstelling van verschillende titaniumlegeringen. Uiteindelijk hopen onderzoekers dat gespecialiseerde materialen met gecontroleerde microstructuren gemakkelijk zullen worden geproduceerd. Ten slotte hebben onderzoekers verschillende methoden voor titaniumzuivering onderzocht. Onlangs hebben wetenschappers van de Universiteit van Cambridge een methode aangekondigd om puur titanium rechtstreeks uit titaniumdioxide te produceren. Dit kan de productiekosten aanzienlijk verlagen en de beschikbaarheid verhogen.

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. Mineralen Jaarboek Volume 1. Washington, DC:Drukkerij van de Amerikaanse overheid, 1998.

Tijdschriften

Freemantle, M. "Titanium rechtstreeks geëxtraheerd uit TiO2." Chemisch en technisch nieuws (25 september 2000).

Eylon D. "Titanium voor energie- en industriële toepassingen." Metallurgische Vereniging AIME (1987).

Overige

WebElements-webpagina. december 2001. .

Perry Romanowski