钛金属基本知识

目录钛工业发展史..................................................................................2钛矿资源..............................................................................................3钛的原子结构............................................................................................5钛的物理性质............................................................................................5钛的化学性质............................................................................................5钛的腐蚀数据............................................................................................8钛的三大功能..........................................................................................10钛的十大性能..........................................................................................11钛的存在..................................................................................................13钛的冶炼..................................................................................................13钛及钛合金的特性、用途......................................................................14钛的化合物及用途..................................................................................15钛的表面处理技术..................................................................................16金属管道腐蚀防护基础知识..................................................................20钛工业发展史1791年英国牧师W．格雷戈尔(Gregor)在黑磁铁矿中发现了一种新的金属元素。1795年德国化学家M．H．克拉普鲁斯(Klaproth)在研究金红石时也发现了该元素，并以希腊神Titans命名之。1910年美国科学家M．A．亨特(Hunter)首次用钠还原TiCI：制取了纯钛。1940年卢森堡科学家W．J．克劳尔(kroll)用镁还原TiCl：制得了纯钛。从此，镁还原法(又称为克劳尔法)和钠还原法(又称为亨特法)成为生产海绵钛的工业方法。美国在1948年用镁还原法制出2t海绵钛，从此达到了工业生产规模。随后，英国、日本、前苏联和中国也相继进入工业化生产，其中主要的产钛大国为前苏联、日本和美国。钛是一种新金属，由于它具有一系列优异特性，被广泛用于航空、航天、化工、石油、冶金、轻工、电力、海水淡化、舰艇和日常生活器具等工业生产中，它被誉为现代金属。金属钛生产从1948年至今才有半个世纪的历史，它是伴随着航空和航天工业而发展起来的新兴工业。它的发展经受了数次大起大落，这是因为钛与飞机制造业有关的缘故。但总的说来，钛发展的速度是很快的，它超过了任何一种其他有色金属的发展速度。这从全世界海绵钛工业发展情况可以看出：海绵钛生产规模60年代为60kt/a，70年代为1l0kt/a，80年代为130kt/a，到1992年已达140kt/a。实际产量1990年达到历史最高水平，为105kt/a。目前，世界海绵钛生产厂家和生产能力列于表1—1。进入90年代后，由于军用钛量减少和俄罗斯等一些国家抛售库存海绵钛，使前几年市场疲软。1995年钛的市场开始回升，主要由于B777等民用飞机和高尔夫球杆等民用钛量大幅度增加，1996年钛的需求量达到一个新的高点。专家预测今后几年内钛的需求量将继续较大幅度增长。目前妨碍钛应用的主要原因是价格贵。可以预料，随着科学技术的进步和钛生产工艺的不断完善、扩大企业的生产能力和提高管理水平、进一步降低钛制品的成本，必然会开拓出更广泛的钛市场。表1—1世界海绵钛生产厂家和生产能力国家公司名称方法公称生产能力/h·a-1实际生产能力/kt·a-1备注美国钛冶金公司(Timet)俄勒冈冶金公司(Oremet)活性金属公司MDMHMD12．76．8(11．0)106生产中2001年停产1992年关闭日本住友钛公司东邦钛公司昭和钛公司MDMDMD18．012．03．01510．83．0原大阪钛公司（生产中）生产中关闭乌克兰第聂伯镁钛联合企业MD15．O生产中俄罗斯阿维斯玛镁钛联合企业MD35．035．0生产中哈萨克斯坦马斯季卡缅诺戈尔斯克镁钛联合企业MD40．O40．0生产中英国迪赛德钛公司SL5．03．01993年关闭中国两个工厂D--生产中合计-155．5137．8-钛矿资源钛在地球上储量十分丰富，在地壳中含钛矿物有140多种，但现具有开采价值的仅十余种。已开采的钛矿物矿床可分为岩矿床和砂矿床两大类，岩矿床为火成岩矿，具有矿床集中、贮量大的特点，FeO（相对于Fe2O3）含量高，脉石含量多，结构致密，且多是共生矿，这类矿床的主要矿物有钛铁矿、钛磁铁矿等，矿石选矿分离较为困难，产出的钛精矿TiO2含量一般不超过50％。砂钛矿床是次生矿床，由岩矿床经风化剥离再经水流冲刷富集而成，主要集中在海岸、河滩、稻田等地，矿物有金红石、砂状钛铁矿、板钛矿、白钛矿等，该矿物的特点是：Fe2O3（相对于FeO）含量较高、结构疏松、杂质易分离，选出的大部分精矿含TiO2达５０％以上。（见表１）。表１世界各地钛铁矿精矿的化学组成（％）国别及地区矿床类型TiO2FeOFe2O3SiO2Al2O3P2O5佛吉尼亚(美)岩矿44.335.913.82.001.211.01阿拉德(加)岩矿34.3027.5025.204.303.500.015挪威岩矿43.9036.0011.103.280.850.03乌拉尔(俄)岩矿48.0712.2124.591.544.650.16乌克兰岩矿58.46-27.800.344.040.19攀枝花(中国)岩矿47.034.275.552.891.340.01印度喀拉邦砂矿54.2026.6014.200.401.250.12斯里兰卡砂矿53.1319.1122.950.860.610.05马来西亚砂矿55.3026.7013.000.700.590.19卡伯尔(澳)砂矿54.5725.1516.340.530.100.13巴西砂矿61.901.9030.201.600.25-新西兰砂矿46.5037.603.304.102.800.22佛罗里达(美)砂矿64.104.7025.600.301.500.21广西(中国)砂矿50.9428.6116.682.271.070.071云南(中国)砂矿48.9332.3714.860.810.970.03国别及地区矿床类型ZrO2MgOMnOCaOV2O5Cr2O3佛吉尼亚(美)岩矿0.550.07-0.520.160.27阿拉德(加)岩矿-3.100.160.900.270.10挪威岩矿1.093.690.330.180.200.03乌拉尔(俄)岩矿-0.752.250.620.0843.25乌克兰岩矿-0.980.660.20-3.58攀枝花(中国)岩矿0.806.120.650.750.095-印度喀拉邦砂矿-1.030.400.400.160.07斯里兰卡砂矿0.100.920.940.260.190.09马来西亚砂矿-0.020.700.500.070.03卡伯尔(澳)砂矿0.070.321.670.301.180.04巴西砂矿-0.300.300.100.200.10新西兰砂矿-1.201.201.400.030.03佛罗里达(美)砂矿-0.351.350.130.130.10广西(中国)砂矿-0.602.570.07--云南(中国)砂矿-1.150.620.230.84-钛的原子结构钛位于元素周期表中ⅣB族，原子序数为22，原子核由22个质子和20-32个中子组成，核外电子结构排列为1S22S22P63S23D24S2。原子核半径5×10-13厘米。钛的物理性质钛的密度为4.506-4.516克/立方厘米（20℃），熔点1668±4℃，熔化潜热3.7-5.0千卡/克原子，沸点3260±20℃，汽化潜热102.5-112.5千卡/克原子，临界温度4350℃，临界压力1130大气压。钛的导热性和导电性能较差，近似或略低于不锈钢，钛具有超导性，纯钛的超导临界温度为0.38-0.4K。在25℃时，钛的热容为0.126卡/克原子·度，热焓1149卡/克原子，熵为7.33卡/克原子·度，金属钛是顺磁性物质，导磁率为1.00004。钛具有可塑性，高纯钛的延伸率可达50-60%，断面收缩率可达70-80%，但强度低，不宜作结构材料。钛中杂质的存在，对其机械性能影响极大，特别是间隙杂质（氧、氮、碳）可大大提高钛的强度，显著降低其塑性。钛作为结构材料所具有的良好机械性能，就是通过严格控制其中适当的杂质含量和添加合金元素而达到的。钛的化学性质钛在较高的温度下，可与许多元素和化合物发生反应。各种元素，按其与钛发生不同反应可分为四类：第一类：卤素和氧族元素与钛生成共价键与离子键化合物；第二类：过渡元素、氢、铍、硼族、碳族和氮族元素与钛生成金属间化物和有限固溶体；第三类：锆、铪、钒族、铬族、钪元素与钛生成无限固溶体；第四类：惰性气体、碱金属、碱土金属、稀土元素（除钪外），锕、钍等不与钛发生反应或基本上不发生反应。与化合物的反应：◇HF和氟化物氟化氢气体在加热时与钛发生反应生成TiF4，反应式为（1）；不含水的氟化氢液体可在钛表面上生成一层致密的四氟化钛膜，可防止HF浸入钛的内部。氢氟酸是钛的最强熔剂。即使是浓度为1%的氢氟酸，也能与钛发生激烈反应，见式（2）；无水的氟化物及其水溶液在低温下不与钛发生反应，仅在高温下熔融的氟化物与钛发生显著反应。Ti＋4HF＝TiF4＋2H2＋135.0千卡（1）2Ti＋6HF＝2TiF4＋3H2（2）◇HCl和氯化物氯化氢气体能腐蚀金属钛，干燥的氯化氢在300℃时与钛反应生成TiCl4，见式(3);浓度5%的盐酸在室温下不与钛反应，20%的盐酸在常温下与钛发生瓜在生成紫色的TiCl3，见式(4);当温度长高时，即使稀盐酸也会腐蚀钛。各种无水的氯化物，如镁、锰、铁、镍、铜、锌、汞、锡、钙、钠、钡和NH4离子及其水溶液，都不与钛发生反应，钛在这些氯化物中具有很好的稳定性。Ti＋4HCl＝TiCl4＋2H2＋94.75千卡(3)2Ti＋6HCl＝TiCl3＋3H2(4)◇硫酸和硫化氢钛与5%的稀硫酸反应后在钛表面上生成保护性氧化膜，可保护钛不被稀酸继续腐蚀。但5%的硫酸与钛有明显的反应，在常温下，约40%的