鈦材的生產(chǎn)工藝和在工業(yè)上的應(yīng)用

許芳芳 孟慶松 尤長升 劉曉鵬 張超杰 史勇春

摘 要：化工設(shè)備防腐操作，是社會(huì)生產(chǎn)環(huán)節(jié)最優(yōu)化調(diào)節(jié)與科學(xué)性運(yùn)用的步驟之一?；诖?，本文以山東天力能源股份有限公司為例，通過材設(shè)備程序開發(fā)需求、專業(yè)防腐技術(shù)等方面，探究化工干燥設(shè)備的材料選用及其防腐蝕措施方法，以達(dá)到把握化工設(shè)備運(yùn)用要點(diǎn)，促進(jìn)國內(nèi)化工產(chǎn)業(yè)技術(shù)進(jìn)步的目的。

關(guān)鍵詞：鈦材;生產(chǎn)工藝;工業(yè)應(yīng)用

化工生產(chǎn)加工技術(shù)得以不斷優(yōu)化，能夠降低資源利用率，保障生產(chǎn)安全性。為了進(jìn)一步加強(qiáng)化工企業(yè)內(nèi)部資源管理工作，技術(shù)人員應(yīng)充分結(jié)合生產(chǎn)設(shè)備制備資源優(yōu)勢，做好有序的資源運(yùn)用防護(hù)工作，方可實(shí)現(xiàn)做好企業(yè)內(nèi)部資源管理工作的效果。

一、金屬鈦的來源

金屬鈦以鈦礦石的形成藏于地殼中，其蘊(yùn)藏量極為豐富，約有15.2億噸。鈦的儲(chǔ)量在各元素中占第9位，在金屬元素中僅次于鋁、鐵、鎂而排列在第4位。我國鈦儲(chǔ)量約為4.8億噸，居世界之首位，這為我國開展鈦的應(yīng)用研究提供了極為有利的條件。

二、鈦材的生產(chǎn)工藝

常溫下鈦不和非金屬、強(qiáng)酸反應(yīng)，紅熱時(shí)卻能與常見的非金屬單質(zhì)反應(yīng)。鈦是航空、軍工、電力等方面的必需原料。目前大規(guī)模生產(chǎn)鈦的方法是：第一步，金紅石（主要成分TiO2）、炭粉混合在高溫條件下通入氯氣制得TiCl4和一種可燃性氣體。該反應(yīng)的化學(xué)方程式為TiO2+2C+2Cl2==高溫==TiCl4+2CO，該反應(yīng)的還原劑是碳。第二步，在氬氣的氣氛中，用過量的鎂在加熱條件下與TiCl4反應(yīng)制得金屬鈦。該反應(yīng)的化學(xué)方程式為2Mg+TiCl4==高溫==2MgCl2+Ti，先使用水溶解氯化鎂除去產(chǎn)物中的氯化鎂雜質(zhì)，然后利用鈦常溫下不與酸反應(yīng)的性質(zhì)，把混合物放入足量稀鹽酸，除去產(chǎn)物中過量的鎂，最后洗滌干燥即得較為純凈的金屬鈦.

鈦白在自然界中以金紅石礦存在.目前大規(guī)模生產(chǎn)鈦的方法是：

第一步：首先將金紅石、炭粉混合，在高溫條件下通入氯氣制得TiCl4;

第二步：在氮?dú)夥諊杏眠^量的鎂在加熱條件下與TiCl4反應(yīng)制得金屬鈦.

（1）已知：

①C（s）+O2（g）=CO2（g）

②2CO（g）+O2（g）=2CO2（g）

③TiO2（s）+2Cl2（g）=TiCl4（s）+O2（g）

則TiO2（g）+2Cl2（g）+2C（s）=TiCl4（s）+2CO（g）。

從上述所得產(chǎn)物中獲得純凈金屬鈦的主要步驟：

納米TiO2可通過TiCl4水解制備：TiCl4+4NH3+（n+2）H2OTiO2·nH2O+4NH4Cl。

過程為：在冰水浴強(qiáng)力攪拌下，將一定量的TiCl4滴加到溶有HCl和（NH4）2SO4的冰的TiCl4水溶液中，控制TiCl4濃度為1.1mol/L時(shí)撤去冰浴，逐步升溫到95℃，恒溫水解1h后，滴加氨水，調(diào)節(jié)溶液pH約為6，自然冷卻后過濾，產(chǎn)物經(jīng)水洗至無Cl-和SO42-后，再用乙醇洗滌3遍，高溫煅燒2h制備納米TiO2。

普通鈦白的化學(xué)制法通常是硫酸法.首先使磨細(xì)的鈦鐵礦用濃硫酸在不斷地通入空氣攪拌的條件下進(jìn)行反應(yīng)，制得可溶性二水合硫酸氧鹽，其反應(yīng)方程式：FeTiO3+2H2SO4=FeSO4+TiOSO4·2H2O;趁熱過濾，所得濾液叫鈦液，加熱鈦液，促進(jìn)水解，制得一水合二氧化鈦沉淀（TiO2·H2O）;然后在1173K～1223K煅燒即得普通鈦白。

三、鈦材的應(yīng)用

鈦是一種輕金屬，近幾十年來已成為新一代的先進(jìn)材料。世界上鈦市場，仍然與傳統(tǒng)空間和工業(yè)使用為主，除了鈦光（4.5的比例，遠(yuǎn)低于7.8—8.1）鋼的屬性，其他如：傳導(dǎo)，耐熱性，耐蝕性也因?yàn)樗母玫匦阅芎酮?dú)特的目的，如：使用管/摩托車排氣管的冷凝器、海水淡化是鈦的應(yīng)用非常成功。

（一）鈦在電子產(chǎn)品中的應(yīng)用

根據(jù)當(dāng)前信息電子應(yīng)用金屬底盤組件，包括鈦合金鈦由于其高強(qiáng)度、高耐腐蝕性能和良好的表面紋理，看起來應(yīng)該是非常適合便攜式電子產(chǎn)品外殼材料的信息，已深深材料，其應(yīng)用也在不斷地高階產(chǎn)品應(yīng)用實(shí)例，如：照相機(jī)，筆記本電腦，手機(jī)外殼，等等）。但由于鈦的高成本的直接結(jié)果處理產(chǎn)品價(jià)格也較高，手機(jī)外殼，例如，如果工程塑料制造，產(chǎn)品一套完整的手機(jī)情況下通常只有3到5美元（新臺(tái)幣100元-170）可以完全覆蓋，鈦/鈦合金產(chǎn)品價(jià)格每一塊新臺(tái)幣150元以上，不僅遠(yuǎn)高于鋁合金產(chǎn)品，和相對高的鎂合金產(chǎn)品，是目前所有普通結(jié)構(gòu)材料中最高的。因此，在3C產(chǎn)品中，鈦通常只用于高端3C產(chǎn)品，如高端手機(jī)/筆記本電腦、高端相機(jī)、紀(jì)念品等高端產(chǎn)品，這是鈦/鈦合金產(chǎn)品受歡迎的最大原因。目前，盡管鈦合金專家在世界各地正盡全力學(xué)習(xí)，沒有好的配方降低鈦/鈦合金產(chǎn)品的價(jià)格，所以很難看到鈦應(yīng)用的一個(gè)重要發(fā)展在短期到中期產(chǎn)品供給。

（二）鈦在鹽礦上的應(yīng)用

湘澧鹽礦規(guī)劃出產(chǎn)能為年產(chǎn)30萬噸精鹽，3萬噸芒硝。1977年3月份開端，運(yùn)用鈦材制作制鹽、提硝設(shè)備和鹽漿管道，并在出產(chǎn)上正式運(yùn)用，不只延長了設(shè)備運(yùn)用壽命，減少了設(shè)備換修次數(shù)，降低了出產(chǎn)成本，并且改進(jìn)了出產(chǎn)條件，提高了鹽硝質(zhì)量，獲得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。湘澧鹽礦屬硫酸鈉型鹽礦，出產(chǎn)用質(zhì)料鹵水，首要成分是氯化鈉、硫酸鈉。除出產(chǎn)真空鹽外，為保證鹽質(zhì)，還要提取芒硝。原規(guī)劃因受其當(dāng)時(shí)條件約束，沒有更多地從質(zhì)料上考慮防腐問題，所以出產(chǎn)的首要設(shè)備及工藝配管，大多選用碳鋼。1975年3月鹽礦領(lǐng)導(dǎo)到輕工部請示匯報(bào)，在評論會(huì)上食物局鹽處的同志介紹了冶金部有色金屬研討院關(guān)于鈦材民用推行經(jīng)歷，并主張研討試用。9月中旬，鹽礦建立了鈦材領(lǐng)導(dǎo)小組，擬定了作業(yè)方案，收集了有關(guān)技能資料。冶金部將湘澧鹽礦列為真空制鹽工業(yè)推行運(yùn)用鈦材重點(diǎn)單位，并去函冶金部廣州有色金屬研討院，請他們在技能上予以協(xié)助。在此基礎(chǔ)上，鹽礦提出50噸鈦材運(yùn)用訂購方案，并與寶雞有色金屬加工廠、簽訂了鈦管、鈦板及鈦鑄件訂購合同。為鈦材的試用作業(yè)發(fā)明了較好的物質(zhì)與技能條件。

1977年頭，鹽礦建立鈦設(shè)備制作專門出產(chǎn)班組，經(jīng)過共同努力，先后制作了鈦材蒸騰器5臺(tái)，預(yù)冷器4臺(tái)，預(yù)熱器6臺(tái)，加工了鈦冷凍泵4臺(tái)，鈦葉輪、鈦彎頭、鈦法蘭上百件，安裝了各種不同管徑的鈦鹽漿管440米，連續(xù)投入出產(chǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)，從七七年三月份起，鈦材就在鹽、硝出產(chǎn)中正式推行了。選用鈦材的依據(jù)據(jù)資料報(bào)道及有關(guān)出國考察報(bào)告介紹，國外真空制鹽設(shè)備上首要選用不銹鋼316L和蒙耐爾合金作為耐腐蝕材料，運(yùn)用作用杰出。美國、日本和西歐各國還很多運(yùn)用工業(yè)純鈦制作各種海水淡化設(shè)備，耐氯化物溶液腐蝕的各種換熱器。因?yàn)椋海?）實(shí)驗(yàn)室及出產(chǎn)實(shí)踐證明鈦的耐腐蝕性強(qiáng)，這是由于它對5氧的親和力特別大，能在其表面上生成一層致密的氧化膜，可保護(hù)鈦不受介質(zhì)腐蝕。金屬鈦在大多數(shù)水溶液中，都能在表面生成鈍化氧化膜。因此，鈦在酸性、堿性、中性鹽水溶液中和氧化性介質(zhì)中具有很好的穩(wěn)定性，比現(xiàn)有的不銹鋼和其他有色金屬的耐腐蝕性都好，甚至可與鉑比美。（2）鈦在高流速的介質(zhì)中（含氯化鈉）也具有很高的耐腐蝕性，因?yàn)殁伨哂忻艚菪拚浔Ｗo(hù)性氧化膜的才能，所以鈦的耐腐蝕功能極強(qiáng)。（3）鈦在硫酸鈉溶液中和氣、中的耐腐蝕功能也是杰出的，在各種溫度、濃度下腐蝕速度小于0.13mm/年。（4）工業(yè)純鈦對觸摸腐蝕、點(diǎn)腐蝕、晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕等都不靈敏。（5）鈦因?yàn)楸砻嫜趸さ慕櫺院懿?，表面潤滑而又無腐蝕，因此表面不易結(jié)垢，比其他金屬要好。盡管鈦的導(dǎo)熱系數(shù)與不銹鋼類似（導(dǎo)熱系數(shù)為14千卡/平方、小時(shí)、℃），但鈦耐腐蝕性好，能夠挑選更薄的管壁，表面不易結(jié)垢，一般不會(huì)生成阻礙傳熱的膜狀塵垢物，所以鈦的傳熱功率是很高的。

（三）鈦和鈦的合金大量用于航空工業(yè)，有“空間金屬”之稱;另外，在造船工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、制造機(jī)械部件、電訊器材、硬質(zhì)合金等方面有著日益廣泛的應(yīng)用

鈦合金制成飛機(jī)比其他金屬制成同樣重的飛機(jī)多載旅客100多人。制成的潛艇，既能抗海水腐蝕，又能抗深層壓力，其下潛深度比不銹鋼潛艇增加80%。同時(shí)，鈦無磁性，不會(huì)被水雷發(fā)現(xiàn)，具有很好的反監(jiān)護(hù)作用。

鈦具有“親生物”性。在人體內(nèi)，能抵抗分泌物的腐蝕且無毒，對任何殺菌方法都適應(yīng)。因此被廣泛用于制醫(yī)療器械，制人造髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、脅關(guān)節(jié)、頭蓋骨，主動(dòng)心瓣、骨骼固定夾。當(dāng)新的肌肉纖維環(huán)包在這些“鈦骨”上時(shí)，這些鈦骨就開始維系著人體的正?；顒?dòng)。鈦在人體中分布廣泛，正常人體中的含量為每70kg體重不超過15mg，其作用尚不清楚。但鈦能刺激吞噬細(xì)胞，使免疫力增強(qiáng)這一作用已被證實(shí)。

四、結(jié)論

綜上所述，化工干燥設(shè)備的材料選用及其防腐蝕措施思考，是社會(huì)產(chǎn)業(yè)優(yōu)化配置與科學(xué)性調(diào)整的理論歸納。在此基礎(chǔ)上，本文通過磷化防腐蝕工藝、酸洗防腐蝕策略、靜電粉末防護(hù)策略、設(shè)備日常生產(chǎn)環(huán)節(jié)防腐蝕準(zhǔn)備等方面，對如何做好化工干燥設(shè)備防腐工作進(jìn)行策略研究。因此，文章研究結(jié)果，將為國內(nèi)化工生產(chǎn)技術(shù)、生產(chǎn)手段的長效性開發(fā)提供新思路。

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作者簡介：許芳芳（1982—），女，漢族，山東威海人，本科，工程師，研究方向：干燥工藝和干燥設(shè)備。