Del mineral al producte acabat: dificultats del procés i avenços en titani

El titani es troba entre els deu millors metalls pel que fa a reserves de l'escorça i no és un recurs escàs. No obstant això, convertir minerals d'ilmenita i rutil en materials basats en titani comporta enormes reptes metal·lúrgics i de processament. Gràcies a la investigació i el desenvolupament continus i als esforços industrials, s'han aconseguit múltiples avenços tècnics a tota la cadena industrial del titani, que inclouen l'aprofitament del mineral, la fosa d'esponges de titani, la forja de fusió i el mecanitzat de precisió, trencant progressivament les barreres tècniques permaterials de titani de gamma alta.

 

 

 

 

1.Aprofitament i enriquiment del mineral

Matèries primeres: ilmenita, rutil
Procés: separació per gravetat, separació magnètica, flotació → concentrat d'alt titani

 

2. Reducció de la cloració per a la producció d'esponges de titani

Procés: cloració a alta temperatura + purificació de rectificació → tetraclorur de titani; Procés Kroll → destil·lació al buit per a l'eliminació d'impureses, trituració i cribratge → esponja de titani

 

3.Fusió i fosa al buit per a la producció de lingots de titani

Procés: s'afegeixen elements d'aliatge com l'alumini, el vanadi i el molibdè a l'esponja de titani, seguit de la fusió al buit i la fosa → lingots de titani

 

4.Processament a pressió i fabricació de precisió de productes de titani

Procés: forja, laminació, extrusió, soldadura, tractament tèrmic → productes acabats incloses barres de titani, plaques, tubs i forjats

Aplicacions: aeroespacial, enginyeria marina, dispositius mèdics, equips de clor-àlcali i altres camps

 

 

1.Reptes en l'enriquiment i la cloració de minerals

Ilmenita natural presenta un baix contingut de diòxid de titani i abundants impureses. La producció d'escòries d'alt titani/rutil sintètic requereix llargs procediments d'actualització amb un alt consum d'energia. La cloració genera tetraclorur de titani altament corrosiu, provocant un sever desgast de l'equip. La rectificació i purificació del tetraclorur de titani brut implica fluxos de treball complexos, que comporta una pèrdua substancial de material i una gran pressió per a l'eliminació dels subproductes.

 

2. Deficiències en la fosa d'esponges de titani

La reducció tèrmica de magnesi Kroll principal és una tecnologia de producció en mode per lots. Un sol cicle de forn dura des de diversos dies fins a més de deu dies, discontinu a diferència de la producció d'acer o alumini, el que resulta en una baixa eficiència i un alt consum d'energia. Es requereix una protecció de gas inert d'alta puresa durant tot el procés i l'equip per al reciclatge de clorur de magnesi i magnesi és sofisticat. L'estructura porosa de l'esponja de titani tendeix a atrapar impureses, imposant requisits estrictes de segellat, qualitat de les matèries primeres i control operatiu. Un mal funcionament menor pot degradar tot el lot del forn, creant barreres elevades per a la fabricació d'esponges de titani de grau aeroespacial.

 

3.Dificultats de fusió, fosa i forja

La fusió d'esponges de titani s'ha de fer sota buit o atmosfera inert. Els lingots de titani de gran mida són propensos a defectes de segregació i inclusió de composició. Els aliatges de titani mostren una alta resistència a la deformació, finestres de temperatura de processament estretes, susceptibilitat a la recollida d'impureses i oxidació a altes temperatures i una formabilitat pobra a baixes temperatures. Els aliatges de titani presenten una alta viscositat durant el tall, cosa que provoca un gran desgast de les eines. La pèrdua de material durant el mecanitzat de components de lingot de fosa pot superar el 70%, augmentant els costos globals. La soldadura en contacte amb l'aire produeix capes d'òxid fràgils i s'apliquen estàndards de qualitat de soldadura extremadament estrictes per als equips aeroespacials i d'aigües profundes.

 

4.Reptes en el control de rendiment dels aliatges de gamma alta

Les aplicacions aeroespacials, d'enginyeria d'aigües profundes, mèdiques i altres imposen requisits de rendiment divergents als aliatges de titani. Les lleugeres variacions en la formulació de l'aliatge, els procediments de fusió i refrigeració i els paràmetres de tractament tèrmic poden alterar les propietats del material, creant barreres tècniques elevades per als aliatges de titani de gamma alta.

 

 

1.Fosa d'esponges de titani

Els forns de destil·lació de reducció a gran escala de construcció nacional han aconseguit la localització. Els forns de gran tonatge milloren la producció i la qualitat de l'esponja de titani alhora que redueixen el consum d'energia, augmenten la proporció de productes de qualitat aeroespacial i redueixen la dependència dels subministraments importats de gamma alta. Els processos de circulació de clor de magnesi optimitzats redueixen els costos i la contaminació per a la ruta tradicional de Kroll. Les noves tecnologies d'electròlisi de sal fosa com FFC i USTB poden produir directament titani i saltar-se l'etapa de cloració, però es mantenen en fase de laboratori sense un desplegament a escala industrial.

 

2.Fussió del lingot

S'ha industrialitzat la fusió per feix d'electrons. Soluciona defectes d'inclusió en lingots, permet el reciclatge de ferralla de titani i fabrica lingots de titani de gran puresa, trencant els monopolis estrangers. La fusió en diverses etapes mitiga la segregació de la composició. Els lingots nacionals d'aliatge de titani de gran mida donen suport a la fabricació d'equips nacionals clau, com ara avions de gran mida i submergibles tripulats d'aigües profundes per a operacions de 10 000 metres de profunditat.

 

3.Processament a pressió

S'han posat en servei equips de fabricació nacional, com ara premses de forja ràpida de deu mil tones i laminadors continus en calent de tires de titani. Permeten la producció en massa de materials de titani d'amplada ampla, grans dimensions i parets primes. Productes com ara bobines laminats en calent Gr5 de 2,5 mm i tires de titani ultrafines de 0,1 mm serveixen a les indústries de piles de combustible, 3C i química. Materials compostos d'acer i titani i pèrdua de material de tall en forma propera a la xarxa. Les tecnologies de soldadura avançades permeten la fabricació de components a gran escala, com ara cilindres resistents a la pressió marins i materials de substrat per a ànodes DSA clor-àlcali.

 

4.Desenvolupament d'aliatges i fabricació additiva

Els aliatges de titani desenvolupats de manera independent compleixen condicions de funcionament extremes per a equips d'aigües profundes i motors aeris. La producció massiva de pols d'impressió 3D de titani s'ha realitzat per a components de càrrega aeroespacial. El postprocessament millora la resistència a la fatiga de les peces fabricades additivament i la formació de forma propera a la xarxa redueix el consum de material durant la producció.

 

Ruihang és un fabricant directe de productes de titani, subministrant matèries primeres de qualitat òptima per als vostres components de precisió. Per a més detalls, si us plau, no dubteu a contactar amb nosaltres per correu electrònic:Sam.Rui@bjrh-titanium.com