Tio₂を含む中間体を介してチタンコンパウンド構造を生産するプロセス

チタン は、腐食に対する強度、軽量、例外的な抵抗について評価される驚くべき金属です。航空宇宙、医療インプラント、海洋アプリケーション、および高性能スポーツ用品で広く使用されています。しかし、チタンは地球の生鉱物からきらめく高性能の材料にどのように変身しますか？鉱石から完成したチタン製品への旅は複雑であり、化学、工学、精度を融合し、慎重に制御された一連のステップが含まれます。

この記事では、チタンの抽出と生産のプロセス全体を説明します。これは、生鉱石の採掘から使用可能な金属の生産までです。これらの段階を理解することは、なぜチタンが他の金属よりも高価である理由と、パフォーマンスが本当に重要なアプリケーションに予約されている理由を説明するのに役立ちます。

原材料の採掘：チタンが始まる場所

チタンは 、自然界では金属の形では発生しません。代わりに、それは主にミネラル鉱石の形で見られます - 栄養（Tio₂）とイルメナイト（fetio₃）。これらの鉱石は、オーストラリア、南アフリカ、カナダ、インド、中国などの国で一般的に採掘されています。イルメナイトはより豊富ですが、チタンを抽出するにはより多くの処理が必要です。

チタン鉱石の採掘プロセスには、従来のopenピットまたはdrの技術が含まれます。重機は地球の層を除去し、イルメナイトまたはルチルを含むミネラル砂を抽出します。収集された砂を洗浄して分類して鉱石を集中させます。

採掘後、鉱石は、粉砕、スクリーニング、磁気分離を伴う受益プロセスを経ます。これらのステップは、チタンの含有量を集中し、不純物を除去し、化学処理のために材料を準備します。

鉱石を二酸化チタンに変換します

次の主要なステップは、生のチタン鉱石を二酸化チタン（Tio₂）に変えることです。これは、チタン金属を生産するための中間製品として機能します。これは通常、硫酸プロセスまたは塩化物プロセスの2つのプロセスを通じて行われます。

• 硫酸プロセス では、硫酸チタンを産生するために硫酸でイルメナイトを消化することが含まれます。次に、これを加水分解して二酸化潤いチタンを形成します。これは、純粋なtio₂を生成するために焼成（加熱）されます。

• チタン金属の生産により一般的に使用される塩化物プロセスは、炭素の存在下で高温で塩素ガスでルチルを処理することを伴います。これにより、四塩化チタン（Ticl₄）が形成されます。これは、 'Tickle。'の不純物として知られる揮発性および反応性の化合物であり、これらの条件下で反応せず、分離されています。

Ticl₄は重要な中間体であり、蒸留によって精製されます。高温のガスであるため、不揮発性の不純物から簡単に分離でき、高純度の四塩化チタンをもたらすことができます。

クロールプロセス：チタンスポンジの生産

高純度のticl₄が利用可能になると、Krollプロセスを通じて金属チタンに変換されます。これは、今日で最も広く使用されているTitaniumスポンジを生産するために最も広く使用されています。

Krollプロセスでは、800〜1000°C前後の温度で不活性雰囲気のマグネシウムと四塩化チタンを反応させることが含まれます。化学反応は次のとおりです。

ticl₄ + 2mg→ti +2mgcl₂

マグネシウムは、副産物としてチタン金属と塩化マグネシウムを形成し、ティクリウムを減らします。この反応は非常に敏感であり、汚染を避けるために慎重に制御する必要があります。結果として得られるチタンは、灰色のスポンジのような質量として現れます。したがって、「チタンスポンジ。」という名前が表示されます。

反応後、チタンスポンジは塩化マグネシウムと未反応のマグネシウムから分離されます。これらの副産物は通常、真空蒸留または浸出によって除去されます。次に、精製されたチタンスポンジを押しつぶし、さらに処理するために保存されます。

融解と合金：スポンジを使用可能な金属に変える

チタンスポンジは、ほとんどのアプリケーションで直接使用できません。溶かしてインゴットまたはスラブにキャストする必要があります。インゴットまたはスラブを巻き、鍛造、または最終製品に機械加工することができます。

融解プロセスでは、多くの場合、真空アークリメルティング（VAR）または電子ビーム融解（EBM）炉を使用します。これらの方法により、金属は純粋で酸素または窒素汚染がないことを保証し、その強度と耐久性を大幅に低下させることができます。

この段階では、チタンは、強度、延性、耐性抵抗などの特定の特性を改善するために、アルミニウム、バナジウム、モリブデン、またはスズなど、他の元素と合金化することもできます。たとえば、TI-6AL-4Vは最も一般的なチタン合金であり、航空宇宙、医療、および産業用途で使用されています。

溶けると、チタンは大きなインゴットに投げ込まれます。これらのインゴットは、最終的なアプリケーションに応じて、シート、バー、チューブ、またはカスタムシェイプを形成するために、数回のローリング、鍛造、または押し出しを受けます。

形成と機械加工：最終製品の形になります

チタンは、硬度と熱伝導率が低いため、機械加工するのが困難であり、最先端に熱が蓄積します。特別なツールとテクニックは、切断または形成中に材料を損傷するのを避けるために使用されます。

チタンはいくつかの方法で形成できます。

• 構造コンポーネントを作成するための 鍛造とローリング

• チューブとロッドの 押し出し

• 特に航空宇宙における複雑な形の キャスト

• 添加剤の製造（3D印刷） 、最小限の廃棄物で軽量で複雑な部品を生産するための新たな方法

形成後、製品は、その外観と腐食抵抗を改善するために、研磨、サンドブラスト、または陽極酸化などの表面処理を受ける可能性があります。

最終製品のアプリケーション

処理されると、チタン製品は幅広い業界で使用されます。

• 航空宇宙：ジェットエンジン、機体、着陸装置

• 医療：骨インプラント、歯科用ネジ、外科用具

• 海洋：船部、熱交換器、水中バルブ

• 産業：化学反応器、パイプライン、淡水化システム

• 消費財：眼鏡フレーム、時計、スポーツ用具

その強さ、重量が低く、腐食に対する抵抗のおかげで、チタンは高度なエンジニアリングと設計に新しい役割を見つけ続けています。

環境および経済的考慮事項

チタンの生産は、他の金属と比較してエネルギー集約的で費用がかかります。 Krollプロセスには、効果的ですが、複数の高温段階と大量のマグネシウムが含まれます。ただし、研究者はFFCケンブリッジプロセスなどの新しいテクノロジーを開発しています。これにより、コストを削減し、将来の持続可能性が向上する可能性があります。

さらに、チタンは非常にリサイクル可能です。機械加工と製造からのスクラップは溶けて再利用でき、環境フットプリントを下げます。

結論

鉱石から完成品へのチタンの変換は、マイニング、化学的変換、およびクロールプロセスや合金などの正確な冶金ステップを含む複雑なプロセスです。各段階では、高レベルの制御と専門知識が必要であり、航空宇宙、医療、海洋産業などの要求の厳しいアプリケーションで、チタンの優れた強度、腐食抵抗、およびパフォーマンスに貢献しています。

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