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3.钛的性质及用途：

3.1钛的物理性质

金属钛呈银白色，外观似钢。熔点1668±4℃，沸点3260±20℃。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。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。钛属多晶型金属，有两种同素异构晶型，低于882.5℃为α晶型，呈密排六方晶格；高于882.5℃为稳定的β晶型，呈体心立方晶格。

3.2钛的化学性质

钛是ⅣB族过渡元素，属于活泼金属。价电子构型3d24s2，因此钛以失去4个电子为特征。主要氧化态有+4，+3及少量+2价的化合物。常温下钛与氧气化合生成一层极薄致密的氧化膜，这层氧化膜常温下不与绝大多数强酸、强碱反应，它只与氢氟酸，热的浓盐酸、浓硫酸反应，因此钛体现了抗腐蚀性。金属钛在高温环境中的还原能力极强，能与氧、碳、氮以及其他许多元素化合，还能从部分金属氧化物（比如氧化铝）中夺取氧。

钛的主要化合物

二氧化钛，是雪白的粉末，是最好的白色颜料，俗称钛白。以前，人们开采钛矿，主要目的便是为了获得二氧化钛。钛白的粘附力强，不易起化学变化，永远是雪白的。特别可贵的是钛白无毒。它的熔点很高，被用来制造耐火玻璃，釉料，珐琅、陶土、耐高温的实验器皿等。

四氯化钛，无色液体，有刺激性酸味，在水中或潮湿的空气中都极易水解，冒出大量的白烟。因此TiCl4在军事上作为人、造烟雾剂，犹其是用在海洋战争中。在农业上，人们用TiCl4形成的浓雾地面，减少夜间地面热量的散失，保护蔬菜和农作物不受严寒、霜冻的危害。

3.3钛的应用

钛合金有好的耐热强度、低温韧性和断裂韧性，故多用作飞机发动机零件和火箭、导弹结构件。

在石油工业上主要作各种容器、反应器、热交换器、蒸馏塔、管道、泵和阀等，并可用作电极、发电站的冷凝器以及环境污染控制装置。

钛镍形状记忆合金在仪器仪表上已广泛应用。在医疗中，钛可作人造骨头和各种器具。

钛还是炼钢的脱氧剂和脱硫剂。锰钢、铬钢、铬钼钢中都含有钛，钛是生产

优质合金钢不可缺少的元素。

钛白粉是颜料和油漆的良好原料。碳（氢）化钛是新型硬质合金材料。氮化钛颜色近于黄金，在装饰方面应用广泛

金属钛的消费比例，因国家而异。航空航天工业（应用最大的领域）：在此领域中，美国占80.4％(其中民用机40.1%，军用机40．1％)，前苏联占50％，欧洲占57％，日本仅占10．3％。在非航空工业中：以日本为例，电力用钛占31．8％，化工用钛占24．7％，电极用钛占4．1％，其他工业用钛占29．1％。由此看出，钛的应用已由航空航天工业扩展到化工、冶金、电力、船艇和日常生活领域中。

表3 钛合金在航天航空工业上的应用举例 飞机 机翼、管道、蒙皮和机身骨架、连结件、发动机、喷管、弹射舱、主起落架大 梁等各部件 航天 飞船船舱、蒙皮、后舱壁和地板构件、结构骨架、液体燃料贮箱、 高压容器、制动火箭主起落架、登月舱及推进系统、人造卫星外壳、 翼、推力构件、油压配管 火箭 导弹 外壳、喷嘴、火箭发动机、高压容器、液体燃料贮箱、机翼 军用品 炮筒、车辆、装甲板、防弹背心、头盔、雷达三角支架、坦克天窗

4.海绵钛工业生产方法

4.1制取钛的各种途径

以含TiO?的富钛料为原料制取金属钛的途径很多， 现已研究过的方法概括在图中。

制取金属钛的方法归纳起来大致有以下几类：钛氧化物的还原法、氯化钛的还原法、钛化合物的电解法、氯化钛的热分解法和其他方法。

经过无数科学家的探索研发，比较后认为亨特法和克劳尔法具有众多的优点，形成后来的工业化生产方法。

目前海绵钛的工业生产方法是以TiCl4为原料的金属热还原法，也就是必须将TiO2转化为TiCl4。作为TiCl4的还原剂，应满足下列要求：

（1）还原剂具有足够的还原能力，能将TiCl4 完全还原为金属钛，并且有较快的反应速度;

（2）还原剂不与钛生成稳定的化合物或合金，生成的金属钛容易从还原剂及其氯化物中分离出来；

（3）还原剂容易从它的氯化物中再生，其生产成本低廉并且资源丰富； （4）还原剂的密度应比其氯化物密度小，在还原过程中生成的还原剂氯化物

能够沉底而不干扰还原反应的继续进行。

工业方法的选择依据是：能保证产品质量，获得优质纯钛；成本低廉，产品有竞争力；三废少等。 目前，人们认为比较符合这些条件的海绵钛工业生产方法，是以金属镁或金属钠为还原剂还原TiCl4 的方法，即镁还原法和钠还原法。

4.1 镁热还原法生产海绵钛

图2 镁热法生产海绵钛工艺流程

（1）镁还原

镁还原过程包括：TiCl4液体的气化→气体TiCl4和液体Mg 的外扩散→TiCl4 和Mg 分子吸附在活性中心→在活性中心上进行化学反应→结晶成核→钛晶粒长大→MgCl2 脱附→MgCl2 外扩散。

镁还原的主要反应为：TiCl4（g）+2Mg(g，l）=Ti（s）+2MgCl2（l） 在还原过程中，TiCl4 中的微量杂质，如AlCl3、FeCl3、SiCl4、VOCl3 等均被镁还原生成相应的金属，这些金属全部混在海绵钛中。而混杂在镁中的杂质钾、钙、钠等，也是还原剂，它们分别将TiCl4 还原并生成相应的杂质氯化物。 （2）真空蒸馏

还原工序所得产物， 其组成大约是含Ti55%-60%、 Mg25%-30%、MgCl210%-15%，及少量TiCl3 和TiCl2，常用蒸馏法将海绵钛中的Mg和MgCl2分离。

还原产物海绵钛在真空蒸馏过程中经受长期高温烧结，逐渐致密化、毛细孔逐渐缩小，树枝状结构消失，最后呈一坨状整块，俗称钛坨。

工艺设备：

还原-蒸馏装置主要由加热炉、反应罐和冷凝器等主体设备组成，并设有加料、控温、充氩和测压系统，以及真空系统和还原过程排热系统。此外，另有TiCl4贮槽、液镁抬包及MgCl2槽等附属设备。

加热炉一般为电阻炉，分区域控温。还原过程排热通风带和罐内反应区位置相对应；在真空蒸馏过程中使炉膛保持低真空状态，以防止反应罐体在高温下受压变形。钢制反应罐和冷凝器互换使用，即冷凝器连同蒸馏冷凝物(Mg+MgCl2)用作下一炉的还原反应罐，反应罐经冷却取出海绵钛坨后用作另一炉的冷凝器，这样便可实现蒸馏镁循环。用高温阀门或镁板隔断连结反应罐与冷凝器间的通道，由还原转入蒸馏作业时可适时开通。

半联合法装置前苏联各钛厂普遍采用此种装置(图1)，单炉生产能力约4t海绵钛。还原过程中MgCl2由罐底部排放。还原反应结束后。适当降低反应罐的温度，并在氩气保护下将罐盖中部通道内的钢盲板(连同TiCl4加料管)拆下，换为镁盲板，并尽快组装好冷凝器等设备，使罐内还原产物保持在较高温度下直接转入真空蒸馏作业。

联合法装置反应罐和冷凝器呈水平排列，中间用管道连接(图2)。罐盖上设有高温密封阀门，用来隔断或连通管道。反应罐置于电阻炉内，冷凝器置于冷却槽内，直接用水冷却。