¿Cómo se funde el titanio?
El titanio, un elemento conocido como "metal espacial", desempeña un papel irreemplazable en la aviación, la industria aeroespacial, la medicina y otros campos gracias a sus propiedades físicas y químicas únicas. Entonces, ¿cómo se extrae el titanio de un mineral subterráneo profundo? A continuación, emprendamos juntos este viaje de fundición de titanio.
1. Materias primas del titanio
Las materias primas para la fabricación de titanio metálico son principalmente rutilo, que contiene más del 96% de dióxido de titanio. Los países que carecen de minas de rutilo utilizan "escoria de alto contenido de titanio" hecha de ilmenita, que contiene alrededor del 90% de dióxido de titanio. Debido al aumento de precio y la disminución de las reservas de rutilo natural, los países tienden a utilizar ilmenita para fabricar materiales ricos en titanio, a saber, escoria de alto contenido de titanio y rutilo artificial. El titanio se descubrió en 1791, pero el primer titanio puro se produjo en 1910, lo que llevó más de cien años. La razón es que el titanio es muy activo a altas temperaturas y es fácil de combinar con elementos como el oxígeno, el nitrógeno y el carbono. Se necesitan condiciones muy duras para extraer titanio puro.
2. Etapas de la fundición del titanio
Para fundir titanio, se requieren pasos complicados. Se convierte la ilmenita en tetracloruro de titanio, se coloca en un tanque de acero inoxidable sellado, se llena con argón y se hace reaccionar con magnesio metálico para obtener "titanio esponjoso". Este "titanio esponjoso" poroso no se puede utilizar directamente y debe fundirse en líquido en un horno eléctrico antes de poder fundirse en lingotes de titanio. Pero ¡qué fácil es fabricar un horno eléctrico de este tipo! Además de que se debe evacuar el aire del horno eléctrico, lo más problemático es que es simplemente imposible encontrar un crisol para titanio líquido, porque los materiales refractarios generales contienen óxidos y el oxígeno que contienen será absorbido por el titanio líquido.
3. “Crisol de cobre refrigerado por agua”
Más tarde, finalmente se inventó un horno eléctrico con un "crisol de cobre enfriado por agua". Este horno eléctrico tiene solo una parte de la zona central que está muy caliente, y el resto está frío. Después de que el titanio se funde en el horno eléctrico, fluye hacia la pared del crisol de cobre enfriado por agua y se condensa inmediatamente en un lingote de titanio. Este método puede producir bloques de titanio que pesan varias toneladas, pero su costo es imaginable.
4. Extracción industrial de dióxido de titanio
En la industria, el dióxido de titanio se produce a menudo descomponiendo ilmenita con ácido sulfúrico, y luego se produce titanio metálico a partir de dióxido de titanio. Para eliminar la impureza Fe2(SO4)3, se añaden limaduras de hierro, se reduce Fe3+ a Fe2+ y luego se enfría la solución por debajo de 273 K, de modo que el FeSO4·7H2O (vitriolo verde) se cristaliza como subproducto.
5. El dióxido de titanio se produce calcinando ácido metatitánico para producir dióxido de titanio. El metal titanio se produce industrialmente reduciendo el tetracloruro de titanio mediante reducción térmica del metal. El dióxido de titanio (o rutilo natural) y el polvo de carbono se mezclan y se calientan a 1000-1100K, se cloran y el vapor de TiCl4 generado se condensa.
6. El tetracloruro de titanio se reduce con magnesio metálico.
El tetracloruro de titanio se reduce con magnesio metálico en un gas inerte en una proporción molar y la temperatura de reacción se controla a unos 900 grados para producir titanio esponjoso. El cloruro de magnesio, como subproducto, se puede separar del titanio calentándolo a 1000 grados en vacío.
7. Purificación
El dióxido de titanio se puede reducir a TiCl4 en argón con magnesio fundido a 1070 K para producir titanio esponjoso poroso. Este titanio esponjoso se tritura, se funde en un horno de arco al vacío y finalmente se transforma en varios materiales de titanio. El TiCl4 obtenido se descompone a alta temperatura (alrededor de 1250 grados) en TiCl4=Ti+2CI2, obteniendo así titanio puro.
Al mirar atrás y ver todo el proceso de fundición del titanio, no podemos evitar suspirar ante la grandeza de la sabiduría humana. Desde el mineral enterrado en las profundidades de la tierra hasta el ligero y resistente metal titanio, cada paso encarna la sabiduría y el sudor de innumerables personas. Es el trabajo duro de estos trabajadores aparentemente ordinarios lo que hace que el precioso metal titanio sea ampliamente utilizado en varios campos y haya hecho grandes contribuciones al progreso y desarrollo de la sociedad humana.
