钛的制备与应用

钛被认为是一种稀有金属，这是由于在自然界中其存在分散并难于提取。但其相对丰度在所有元素中居第十位。钛的矿石主要有钛铁矿及金红石，广布于地壳及岩石圈之中。钛亦同时存在于几乎所有生物、岩石、水体及土壤中。从主要矿石中萃取出钛需要用到克罗尔法或亨特法。钛最常见的化合物是二氧化钛，可用于制造白色颜料。其他化合物还包括四氯化钛（TiCl4，作催化剂及用于制造烟幕或空中文字）及三氯化钛（TiCl3，用于催化聚丙烯的生产）。

钛能与铁、铝、钒或钼等其他元素熔成合金，造出高强度的轻合金，在各方面有着广泛的应用，包括宇宙航行（喷气发动机、导弹及航天器）、军事、工业程序（化工与石油制品、海水淡化及造纸）、汽车、农产食品、医学（义肢、骨科移植及牙科器械与填充物）、运动用品、珠宝及手机等等。

钛的产业链

钛产业链可以分为以下四个部分：

1. 钛铁矿、金红石等原始矿产的选矿，通过物理方法取得品位更高的精矿

2. 通过对精矿的再加工提纯，制取高纯度的二氧化钛，用于钛白粉行业。

3. 通过对二氧化钛的氧化、还原等工艺手段生成四氯化钛，制取中间产品海绵钛

4. 通过对海绵钛的熔铸加工，制取晶体结构致密的钛锭，用于生产钛材及各种钛合金

制备

钛（精矿）

处理钛金属主要分四个步骤：一、把钛矿石还原成“海绵体”（一种透气的形态）；二、制造铸锭，熔化海绵体（或用海绵体加一种母合金）来形成铸锭；三、初步制造，把铸锭制成一般机械制品，如坯、棒、板、片、条及管；四、加工制造，把机械制品进一步加工成型。

由于钛在高温时会与氧气反应的关系，所以不能用还原反应来从氧化物中提炼钛。因此商业上提炼钛金属要用到克罗尔法，一种既繁复又昂贵的分批处理法。（钛的市价相对地高，是因为在提炼的过程中，需要氧化另一种昂贵的金属——镁。）在克罗尔法中，氧化物首先经过碳氯化，转化成氯化物，过程中氯气会在有碳的情况下，通过红热的金红石或钛铁矿，生成四氯化钛（TiCl4）。氯化物经分馏法浓缩及提纯后，在800摄氏度的氩气中被熔镁还原成钛。

一种最近开发的提炼法，FFC剑桥法，日后有可能完全取代克罗尔法。此法的原料是粉末状的二氧化钛（一种精炼过的金红石），而最后成品则会是钛粉末或海绵体。假如在原料的粉末中混入粉末状的氧化物，那么成品就会是廉价钛合金，这样做比使用一般的多步熔化法要便宜得多。FFC剑桥法使钛不像从前那样的如此稀少和昂贵，可为航天工业及奢侈品市场提供更多的选择，同时可取代一些制品中的铝或特殊等级的钢。

一般钛合金是由还原反应所造出来的。例如，铜钛合金（把加了铜的金红石还原而成）、碳钛铁合金（把钛铁矿和焦炭用电炉还原而成）和锰钛合金（金红石加锰或氧化锰）都是经还原而成的。

2 FeTiO3 + 7 Cl2 + 6 C —900℃→ 2 TiCl4 + 2 FeCl3 + 6 CO

TiCl4 + 2 Mg —1100℃→ 2 MgCl2 + Ti

应用

钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，钛合金具有密度低、比强度高、耐蚀性好、导热率低、无毒无磁、可焊接、生物相容性好、表面可装饰性强等特性，广泛应用于航空、航天、化工、石油、电力、医疗、建筑、体育用品等领域。世界上许多国家都已经认识到钛合金材料的重要性，相继对其进行研究开发，并得到了实际应用。