Od rudy do gotowego produktu: trudności procesowe i przełomy w tytanie

Tytan plasuje się w pierwszej dziesiątce metali pod względem zasobów skorupy ziemskiej i nie jest zasobem rzadkim. Niemniej jednak przekształcanie rud ilmenitu i rutylu w materiały na bazie tytanu wiąże się z ogromnymi wyzwaniami metalurgicznymi i technologicznymi. Dzięki ciągłym wysiłkom badawczo-rozwojowym i przemysłowym osiągnięto wiele przełomów technicznych w całym łańcuchu przemysłowym tytanu, obejmujących wzbogacanie rud, wytapianie gąbki tytanowej, kucie w topieniu i precyzyjną obróbkę, stopniowo przełamując bariery technicznewysokiej klasy materiały tytanowe.

 

 

 

 

1. Wzbogacanie i wzbogacanie rudy

Surowce: ilmenit, rutyl
Proces: separacja grawitacyjna, separacja magnetyczna, flotacja → koncentrat wysokotytanowy

 

2.Redukcja chlorowania w produkcji gąbek tytanowych

Proces: chlorowanie w wysokiej temperaturze + oczyszczanie rektyfikacyjne → czterochlorek tytanu; Proces Krolla → destylacja próżniowa w celu usunięcia zanieczyszczeń, kruszenia i przesiewania → gąbka tytanowa

 

3. Topienie i odlewanie próżniowe do produkcji wlewków tytanu

Proces: do gąbki tytanowej dodawane są składniki stopowe, takie jak aluminium, wanad i molibden, a następnie topienie i odlewanie próżniowe → wlewki tytanowe

 

4. Przetwarzanie ciśnieniowe i precyzyjna produkcja wyrobów tytanowych

Proces: kucie, walcowanie, wytłaczanie, spawanie, obróbka cieplna → gotowe produkty, w tym pręty, płyty, rury i odkuwki tytanowe

Zastosowania: przemysł lotniczy, inżynieria morska, urządzenia medyczne, sprzęt chloro-alkaliczny i inne dziedziny

 

 

1. Wyzwania związane ze wzbogacaniem rud i chlorowaniem

Naturalny ilmenit charakteryzuje się niską zawartością dwutlenku tytanu i dużą ilością zanieczyszczeń. Produkcja żużla wysokotytanowego / rutylu syntetycznego wymaga długich procedur uszlachetniania i dużego zużycia energii. Chlorowanie generuje wysoce korozyjny tetrachlorek tytanu, powodując poważne zużycie sprzętu. Rektyfikacja-oczyszczanie surowego tetrachlorku tytanu wymaga skomplikowanych procesów, powodując znaczne straty materiału i duże ciśnienie w przypadku usuwania produktów ubocznych.

 

2. Niedociągnięcia w wytapianiu gąbki tytanowej

Główny nurt redukcji termicznej magnezu firmy Kroll to technologia produkcji w trybie wsadowym. Pojedynczy cykl pieca trwa od kilku do kilkunastu dni i jest nieciągły w przeciwieństwie do produkcji stali czy aluminium, co skutkuje niską wydajnością i dużym zużyciem energii. W całym procesie wymagana jest ochrona przed gazem obojętnym o wysokiej czystości, a sprzęt do recyklingu chlorku magnezowo-magnezowego jest wyrafinowany. Porowata struktura gąbki tytanowej ma tendencję do zatrzymywania zanieczyszczeń, narzucając rygorystyczne wymagania dotyczące uszczelnienia, jakości surowców i kontroli operacyjnej. Drobne nieprawidłowe działanie może spowodować uszkodzenie całego wsadu pieca, tworząc wysokie bariery dla produkcji gąbki tytanowej klasy lotniczej.

 

3. Trudności w topieniu, odlewaniu i kuciu

Topienie gąbki tytanowej musi odbywać się w próżni lub atmosferze obojętnej. Wielkogabarytowe wlewki tytanowe są podatne na defekty w postaci segregacji i inkluzji składu. Stopy tytanu wykazują wysoką odporność na odkształcenia, wąskie zakresy temperatur przetwarzania, podatność na wchłanianie zanieczyszczeń i utlenianie w wysokich temperaturach oraz słabą odkształcalność w niskich temperaturach. Stopy tytanu wykazują dużą lepkość podczas skrawania, co prowadzi do dużego zużycia narzędzi. Straty materiału podczas obróbki elementów wlewków odlewanych mogą przekraczać 70%, podnosząc koszty ogólne. Spawanie w kontakcie z powietrzem powoduje powstawanie kruchych warstw tlenku, a w przypadku sprzętu lotniczego i morskiego obowiązują niezwykle rygorystyczne normy jakości spawania.

 

4. Wyzwania w kontroli wydajności stopów wysokiej klasy

Zastosowania lotnicze, inżynieria głębinowa, medycyna i inne nakładają na stopy tytanu rozbieżne wymagania dotyczące wydajności. Niewielkie różnice w składzie stopu, procedurach topienia i chłodzenia oraz parametrach obróbki cieplnej mogą zmieniać właściwości materiału, tworząc wysokie bariery techniczne dla wysokiej klasy stopów tytanu.

 

 

1. Wytapianie gąbki tytanowej

Wielkoskalowe piece redukcyjno-destylacyjne produkowane w kraju osiągnęły lokalizację. Piece wielkotonażowe poprawiają wydajność i jakość gąbki tytanowej, jednocześnie zmniejszając zużycie energii, zwiększając udział produktów klasy lotniczej i zmniejszając zależność od importowanych wysokiej klasy materiałów eksploatacyjnych. Zoptymalizowane procesy cyrkulacji magnezu i chloru obniżają koszty i zanieczyszczenie tradycyjnej trasy Kroll. Nowatorskie technologie elektrolizy stopionej soli, takie jak FFC i USTB, umożliwiają bezpośrednią produkcję tytanu z pominięciem etapu chlorowania, pozostają jednak na etapie laboratoryjnym bez wdrożenia na skalę przemysłową.

 

2. Topienie wlewków

Topienie na zimno za pomocą wiązki elektronów zostało uprzemysłowione. Rozwiązuje wady wtrąceniowe we wlewkach, umożliwia recykling złomu tytanu oraz produkuje wielkogabarytowe wlewki tytanowe o wysokiej czystości, łamiąc zagraniczne monopole. Wielostopniowe topienie łagodzi segregację składu. Krajowe wielkogabarytowe wlewki ze stopu tytanu służą do produkcji kluczowego sprzętu krajowego, takiego jak duże samoloty i załogowe łodzie podwodne głębinowe do operacji na głębokości 10 000 metrów.

 

3. Przetwarzanie ciśnieniowe

Oddano do użytku sprzęt produkcji krajowej, w tym dziesięciotysięczne prasy do szybkiego kucia i walcarki do ciągłego walcowania na gorąco taśmy tytanowej. Umożliwiają masową produkcję szerokich, wielkogabarytowych i cienkościennych materiałów tytanowych. Produkty takie jak walcowane na gorąco cewki Gr5 o grubości 2,5 mm i ultracienkie paski tytanowe o grubości 0,1 mm służą przemysłowi ogniw paliwowych, 3C i chemicznemu. Materiały kompozytowe stalowo-tytanowe i straty materiału po cięciu w kształcie zbliżonym do netto. Zaawansowane technologie spawania umożliwiają wytwarzanie komponentów na dużą skalę, takich jak cylindry odporne na ciśnienie do zastosowań morskich i materiały podłoża do anod chloro-alkalicznych DSA.

 

4. Rozwój stopów i produkcja przyrostowa

Niezależnie opracowane stopy tytanu spełniają ekstremalne warunki pracy sprzętu głębinowego i silników lotniczych. Zrealizowano masową produkcję tytanowego proszku do drukowania 3D do elementów nośnych w przemyśle lotniczym. Obróbka końcowa poprawia odporność zmęczeniową części wytwarzanych metodą addytywną, a formowanie zbliżone do kształtu netto zmniejsza zużycie materiału podczas produkcji.

 

Ruihang jest bezpośrednim producentem wyrobów tytanowych, dostarczającym najwyższej jakości surowce do precyzyjnych komponentów. Aby uzyskać więcej szczegółów, skontaktuj się z nami za pośrednictwem poczty elektronicznej:Sam.Rui@bjrh-titanium.com