티타늄은 지각에 풍부하며 중국은 티타늄 자원 측면에서 세계 1위를 차지하고 있으며 확인된 매장량은 세계 전체의 약 38.8%를 차지합니다. 이러한 자원은 주로 중국 남서부, 중남부 및 북부 지역에 집중되어 있는 20개가 넘는 성 및 지역의 100개 이상의 광산 지역에 분산되어 있습니다. 특히, 판시(Panxi) 지역의 바나듐-티타늄 자철광 광상은 풍부한 매장량으로 세계적으로 유명하며, 중국 티타늄 자원의 92%를 차지하며 중국 티타늄 산업의 탄탄한 기반을 제공하고 있습니다. 그러나 현재 티타늄 생산 공정은 긴 공정 주기, 높은 에너지 소비, 심각한 오염으로 인해 가격이 비싸고 광범위한 사용이 제한되는 것이 특징입니다. 결과적으로, 새로운 저비용 티타늄 생산 방법을 개발하는 것은 중국이 주요 티타늄 자원 국가에서 티타늄 생산 강국으로의 전환을 가속화하는 데 가장 중요합니다.
전통적인 티타늄 야금 공정
"크롤 공정"으로 알려진 전통적인 티타늄 제련 공정은 사염화티타늄(TiCl4)을 금속 나트륨 또는 마그네슘으로 환원하여 금속 티타늄을 얻는 과정을 포함합니다. 티타늄은 녹는점 이하에서 생성되기 때문에 스폰지와 같은 형태로 존재하므로 "스펀지 티타늄"이라는 이름이 붙었습니다. Kroll 공정은 티타늄이 풍부한 물질의 준비, TiCl4 생산, 스펀지 티타늄 생산을 위한 환원 및 증류의 세 가지 주요 단계로 구성됩니다.
새로운 티타늄 야금 공정
연구진은 금속 티타늄의 생산 비용을 줄이기 위해 TiCl4 전기분해, ITP(Armstrong) 공정, FFC 공정, OS 공정, Pre-Reduction 공정(PRP), QT 공정, MER 공정, USTB 공정 등 다양한 새로운 추출 방법을 탐색했습니다. .
티타늄 생산을 위한 TiCl4 전기분해
산화티타늄과 염화티타늄은 산업용 티타늄 생산의 원료로 사용될 수 있습니다. 그러나 염화티타늄만이 산소와 탄소 불순물을 효과적으로 제거하는 능력으로 인해 티타늄 금속 생산의 전구체로 사용되어 왔습니다. 현재 연구는 나트륨 열 환원, 산소 환원, 수소 환원 및 직접 전기분해와 같은 방법을 탐구하면서 TiCl4의 제조 및 정제에 중점을 두고 있습니다.
암스트롱/ITP(국제 티타늄 분말) 공정
1997년에 설립된 미국 시카고에 본사를 둔 ITP는 기체 나트륨을 활용하여 TiCl4를 환원함으로써 티타늄 분말의 지속적인 생산을 가능하게 합니다. 이 방법은 나트륨 가스 기류에 TiCl4 증기를 주입하여 티타늄 분말과 NaCl을 생성한 후 증류, 여과, 세척을 통해 분리하는 방법입니다. 이 공정은 높은 제품 순도와 친환경성을 자랑하지만, 생산원가 절감과 제품 품질 향상에는 여전히 과제가 남아있습니다.
FFC 공정(케임브리지 공정)
2000년 케임브리지 대학의 DJ 프레이(DJ Fray) 교수와 그의 동료들이 제안한 FFC 공정은 고체 산화티타늄을 음극으로, 흑연을 양극으로, 알칼리 토금속 염화물 용융물을 전해질로 전기분해하는 과정을 포함합니다. 이 방식은 생산주기가 짧고 환경친화적이지만, 제품 내 높은 산소 함량, 공정 불연속성 등의 문제에 직면해 있습니다.
OS 프로세스
일본의 One과 Suzuki가 개발한 이 공정은 전해로 얻은 칼슘을 활용하여 TiO2를 금속 티타늄으로 환원합니다. 이 공정은 Ca/CaO/CaCl2 용융물에서 이루어지며, 산화티타늄 분말은 음극 바스켓에 배치됩니다. 이 방법은 상당한 비용 절감을 약속하지만 상대적으로 산소 함량이 높은 티타늄 금속을 생산합니다.
PRP 프로세스
일본 학자들이 제안한 이 방법은 TiO2를 CaO나 CaCl2와 같은 용제와 혼합하여 혼합물을 성형하고 소결한 후 고온에서 칼슘 증기에 노출시켜 티타늄 분말을 생성하는 방법입니다. 생성된 분말은 산소 함량을 줄이면서 99%의 순도를 달성할 수 있습니다.
QiT 프로세스
Quebec Iron and Titanium Inc.에서 개발한 이 공정에는 용융염 환경에서 티타늄 슬래그를 전기분해하여 티타늄 금속을 생산하는 과정이 포함됩니다. 이 공정은 슬래그의 티타늄 함량과 불순물 수준에 따라 1단계 또는 2단계로 수행될 수 있습니다.
MER 프로세스
MER Corporation이 개발한 이 공정은 TiO2 또는 금홍석을 양극으로, 염화물 혼합물을 전해질로 사용합니다. 양극은 전기분해 중에 CO와 CO2 가스의 혼합물을 방출하는 반면, 음극에서는 티타늄 이온이 금속 티타늄으로 환원됩니다.
USTB 프로세스
2005년 베이징 과학 기술 대학의 Zhu Hongmin 교수와 그의 팀은 용융염 전기분해를 통해 스폰지 티타늄을 추출하는 새로운 방법, 즉 TiO2와 TiC의 용해성 고용체인 TiO·mTC 양극을 전기분해하는 새로운 방법을 제안했습니다. 순수한 티타늄을 생산합니다.
이 방법은 탄소와 이산화티타늄 또는 탄화티타늄과 이산화티타늄 분말을 화학양론적 비율로 혼합하고 이를 형태로 압축한 후 특정 조건에서 금속 전도성을 갖는 TiO·mTC 양극을 형성하는 방식입니다. 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 할로겐화물의 용융염을 전해질로 사용하여 특정 온도에서 전기 분해가 수행됩니다. 이 과정에서 티타늄은 저가 이온 형태로 용융염에 용해되어 음극에 침전되고, 양극에 함유된 탄소와 산소는 기체 형태의 탄소산화물(CO, CO2) 또는 산소(O2)를 형성하여 방출됩니다. . 이 방법은 산소 함량이 300×10-6 미만인 고순도 티타늄 금속 분말을 생산할 수 있으며, 국가 1급 표준을 충족하고 최대 89%의 음극 전류 효율을 달성할 수 있습니다.
이 방식의 주목할만한 장점은 양극 슬라임 발생 없이 연속적으로 전기분해 공정을 수행할 수 있는 능력, 공정의 단순성, 저비용, 친환경성 등이다.
금속 티타늄의 추출은 야금학의 중요한 연구 분야이며, 용융염 전기분해 공정은 티타늄 야금학의 크롤 공정에 대한 가장 유망한 대안으로 간주됩니다. 티타늄 자원의 광대한 매장량과 중요성을 고려할 때, 바나디퍼 티타노마그네타이트의 포괄적인 활용은 매우 중요합니다. 티타늄 추출 공정의 현재 연구 개발 상태를 살펴보면, TiCl4를 전구체로 사용하는 공정은 일반적으로 비용 절감에 어려움을 겪는 반면, TiO2에서 금속 티타늄을 직접 제조하는 방법은 더 심층적인 연구가 필요합니다. 기술적 문제를 극복할 수 있다면 산업 규모의 적용이 가능해질 수 있습니다.
