采矿和精炼：钛，我们最年轻的工业金属

在本系列的前面部分，我们阐述了铜是“构建技术的金属”。一些读者对这一说法提出了质疑，他们正确地指出，早在我们的祖先能够找到和开采天然铜露头之前，陨铁和金就已经被开采出来，因此在历史上击败了铜。不过，这似乎没有抓住重点。弄清楚如何制作黄金装饰品和铁饰品似乎并不像是为工业奠定基础。学习用铜制造工具，无论是纯铜还是与锡合金制成青铜？这就是建立工业基地的方法。

因此，现在是我们为人类工业金属稳定中最新添加的物质：钛提供理由的时候了。尽管钛于 1791 年被发现，但直到 1940 年代，钛仍被锁在分布广泛的矿石中，当时，世界大战的技术需求，加上不断增长的化学实力和对足够能源的掌握，使我们最终获得了“众神的元素”来自它的矿物质。这一切的突然性也令人叹为观止。 1945 年，钛仍然是一种极其昂贵的实验室怪品，但仅仅十年后，我们就开始大量生产钛（仍然非常昂贵），并围绕金属建立了一个全新的航空航天工业。

在本期“采矿和精炼”中，我们将了解钛，了解为什么我们花了 11,000 多年的时间才弄清楚如何让它为我们所用。

从沙子开始

对于商业开发还不到一个世纪的东西来说，钛的储量却惊人地丰富。它是地壳中第九丰富的元素，占质量的一半以上。钛在自然界中从来不以金属状态存在，而是以氧化物形式存在，例如二氧化钛 (TiO ₂ )，因此广泛分布在世界各地。

来自巴西米纳斯吉拉斯州的金红石石英。针状晶体就是金红石。资料来源：詹姆斯·圣约翰， CC BY 2.0

钛的主要矿物是金红石和钛铁矿。金红石基本上是晶体形式的纯 TiO ₂ ，存在于许多类型的岩石中，包括石英、片麻岩和片岩。钛铁矿是一种与铁复合的钛氧化物 (FeTiO ₃ )，虽然有时以纯净形式存在，但更常见的是与锰和镁混合。钛铁矿主要存在于从固体岩石沉积物中风化出来的重矿砂中，这使得使用标准露天采矿技术相对容易收获钛铁矿。

南非、澳大利亚、加拿大、中国和乌克兰有大量钛铁矿矿床。商业上可行的金红石矿床更难获得，大部分矿物来自澳大利亚、非洲南端周边国家和乌克兰。世界上约 80% 的钛供应来自钛铁矿，只有 5% 来自金红石；其余的来自“含钛矿渣”，它们本质上是钛精炼过程中的含铁和含钛废品。

挪威的一个露天钛铁矿矿，远不如金红石那么迷人。资料来源：迈克诺顿， CC BY-SA 4.0

与铝一样，钛是一种形成热稳定和化学稳定氧化物的元素，因此将其从矿物中释放出来是一个复杂且耗能的过程。加工从采矿开始，对于某些钛铁矿矿床来说，采矿过程非常简单，只需用装载机铲起沙子或用高压水对其进行侵蚀，然后泵出所得泥浆即可。有时也直接从风化沙子中回收金红石，但当任何一种矿物嵌入其他岩石中时，可能需要采取更极端的措施，例如爆破和破碎，将矿石磨成足够细的颗粒，以便在加工厂周围方便地移动。

接下来是矿石的浓缩和非矿石材料（脉石）和其他有价值矿物的去除。含有大量铁的矿石原料（例如钛铁矿）经过磁选步骤，使用强大的旋转磁铁从传送带携带的磨碎矿石中去除磁性颗粒。还使用静电分离，其中带静电的矿石颗粒通过强电场从脉石中去除氧化钛颗粒。螺旋选矿机也用于石墨精炼，通常用于将矿浆中致密的脉石颗粒与密度较低的氧化钛分离。

带来热量

原矿浓缩后，需要除去氧化钛中紧密结合的氧。克罗尔工艺是当今最常用的方法，说它是一个能源密集型工艺有点轻描淡写。第一步是用氯取代钛氧化物中的氧原子以制备四氯化钛（TiCl ₄ ）。对于钛铁矿原料，反应如下所示：

$\bf FeTiO_{3} + 7 Cl_{2} + 6 C \rightarrow 2 TiCl_{4} + 2 FeCl_{3} + 6CO$

碳（通常以焦炭的形式）被添加到钛矿石中，然后将 900°C 的氯气吹入反应室直至反应完成。所得的 TiCl ₄也称为“tickle”，是一种稠密的挥发性液体，沸点低 (136.4°C)，这很方便，因为这使得通过蒸馏相对容易纯化。不纯的 TiCl ₄在不锈钢蒸馏室中加热，蒸气直接送入主克罗尔反应室，在那里发生高能魔法。

克罗尔反应堆是一个厚壁不锈钢容器，气氛为氩气。加热到约 850°C 的容器底部是一池液态镁。进入的纯 TiCl ₄气体与金属镁在长达四天的时间内发生反应，形成氯化镁 (MgCl ₂ ) 和元素钛：

$\bf 2 Mg + TiCl_{4} \rightarrow 2 MgCl_{2} + Ti$

在反应室中形成的钛块被称为海绵钛，鉴于其多孔性质，因此恰如其分。海绵中含有大量的MgCl ₂废物；通过将海绵加热至 1,400°C 以上并冷凝蒸汽，进行另一轮蒸馏，将其回收。然后可以通过电解回收MgCl ₂中的镁金属以供再利用。

刚从真空电弧重熔炉出来的钛锭。资料来源：Alexey Rezvykh，Adobe Stock。

一旦海绵钛块冷却并从克罗尔反应器中取出，反应产物形成的表面垢就会被去除。海绵的不同部分含有不同等级的钛——来自块体底部的低等级废料，顶部和外部周围的中等级材料，核心是最高等级的金属。断头台剪切机将金属块切成几段，中级产品进行混合和进一步精炼，而高级金属则进一步切碎并压碎成小块。这些碎片与可能需要的任何合金金属一起被压入压机中，将它们形成电极。

将电极放入水冷真空电弧重熔 (VAR) 炉中，通过电流加热至 1,700°C，熔化成钛锭。根据成品金属所需的性能，铸锭可能会经过另一次 VAR 纯化。然后，纯锭经过一系列的锻造、铣削、磨削和轧制工艺，通常在每次操作之间进行热处理工艺。其结果是钛合金板材、钢坯或卷材，可供制造使用。

尽可能白

金属钛并不是钛矿石开采和精炼中唯一理想的产品。二氧化钛本身有数百种工业用途，其中大部分与粉末状固体的亮白度有关。所生产的所有颜料中 60% 都含有二氧化钛；查看最近的油漆墙壁或天花板，几乎可以肯定它至少含有一些 TiO ₂ 。它在造纸、药品和化妆品、防晒产品、陶瓷釉料、食品添加剂和薄膜光学产品中也很重要。

所有TiO ₂均以TiCl ₄为原料；事实上，每年生产的“tickle-four”中有 90% 用于生产二氧化钛，通常通过简单的水解反应进行：

$\bf TiCl_{4} + 2 H_{2}O \rightarrow TiO_{2} + 4 HCl$

或者，也可以用氧气吹发痒：

$\bf TiCl_{4} + O_{2} \rightarrow TiO_{2} + 2 Cl_{2}$

无论哪种方式，TiCl ₄的氧化都会产生细小的二氧化钛白色晶体，将其捕获、干燥、研磨、分级并包装用于运输。

铝热剂让它变得更好

钛的开采和提炼几乎没有什么是环保的。整个过程中需要大量的能源投入，从收获和准备矿石所需的化石燃料到运行真空电弧炉和回收氯化镁所需的电力。不幸的是，由于钛氧化物的化学和热稳定性，该过程中没有太多地方适合绿色处理。

但这并不意味着我们不会寻找使钛精炼更具可持续性的方法。日本公司 Toho Titanium 正在研究一种很有前景的烟火铝热法生产钛。该方法将钛矿石粉与萤石（氟化钙的矿物形式）以及一些铝粉结合在一起。当混合物被点燃时，它会发生极其活跃的铝热反应，无需外部能量输入即可加热熔炼炉。该反应将矿石中的钛氧化物还原成氧化铝和氟化钙渣下的熔融钛池。钛通过电解精炼进一步纯化，但即使采用这一能源密集型步骤，该公司声称他们的工艺也可以减少 70% 至 80% 的电力消耗。

原文： https://hackaday.com/2023/12/05/mining-and-refining-titanium-our-youngest-industrial-metal/