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(元素)

钛是一种化学,化学符号Ti,原子序数22,在化学元素周期表中位于第4周期、第IVB族。是一种银白色的,其特征为重量轻、强度高、具金属光泽,耐湿氯气腐蚀。

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,在所有元素中居第十位。 钛的矿石主要有,广布于之中。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,可用于制造白色颜料。其他化合物还包括(TiCl4)(作及用于制造或空中文字)及(TiCl3)(用于催化的生产)。[1]

中文名

外文名

Titanium

原子量

47。867

元素符号

Ti

元素类型

金属元素

原子序数

22

发现人

发现时间

目录

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  1  发展历史

从发现钛到制得纯品,历时一百多年。而钛真正得到利用,认识其本来的真面目,则是20世纪40年代以后的事情了。

地球表面十公里厚的地层中,含钛达千分之六,比铜多61倍,在地壳中的含量排第十位(地壳中元素排行:氧、硅、铝、铁、钙、钠、钾、镁、氢、钛),随便从地下抓起一把泥土,其中都含有千分之几的钛,世界上超过一千万吨的并不稀罕。

地球上有成亿的砂石,钛和这两种比砂石重的,就混杂在砂石中,经过千百万年昼夜不停地淘洗,把比较重的矿冲在一起,在漫长的海岸边,形成了一片一片的钛矿层和锆矿层。这种矿层是一种黑色的砂子,通常有几厘米到几十厘米厚。

钛矿石

钛没有,用钛建造的不必担心磁性的攻击。

1947年,们才开始在工厂里冶炼钛。当年,产量只有2吨。1955年产量激增到2万吨。1972年,年产量达到了 20万吨。钛的比钢铁要高,而它的重量几乎只有同的钢铁的一半,钛虽然稍稍比铝重一点,它的屈服强度却比铝大2倍。钛的比强度高于铝和钢,比模量与铝、钢十分接近。在中,就大量用钛代替钢铁。据统计, 世界上每年用于宇宙航行的钛,已达一千吨以上。极细的钛粉,还是的好燃料,所以钛被誉为金属,金属。

钛在高温下极易和空气发生反应,但熔点高达1668℃。在常温下,钛不怕王水和稀硝酸腐蚀,但不耐5%以上硫酸腐蚀和7%盐酸腐蚀。钛不怕常温海水,有人曾把一块钛沉到海底,五年以后取上来一看,上面粘了许多小动物与海底植物,却一点也没有生锈,依旧亮闪闪的。

人们开始用钛来制造潜艇——钛。由于钛非常结实,能承受很高的压力,这种潜艇可以在深达4500米的深海中航行。

 2  信息介绍 

CAS No.:7440-32-6

EINECS号:241-036-9[2]

元素在海水中的含量:(ppm)

0.00048

元素在太阳中的含量:(ppm)

钛块

4

元素类型:金属

核内:22

核外:22

核电荷数:22

外围电子层排布:3d2 4s2

电子层:K-L-M-N

:3。6806E-26

质子:22.154

体积:(立方厘米/)

10.64

地壳中含量:(ppm)

5600

以下为增加内容:

氧化态:

Main Ti+4

Other Ti-1,Ti0,Ti+2,Ti+3

所属周期:4

所属族数:ⅣB

:48

氢化物:TiH4

氧化物:TiO

最高价氧化物:TiO2

密度:4.54g/立方厘米

熔点:1660.0℃

沸点:3287.0℃

(kJ /mol)

M - M+ 658

M+ - M2+ 1310

M2+ - M3+ 2652

M3+ - M4+ 4175

M4+ - M5+ 9573

M5+ - M6+ 11516

M6+ - M7+ 13590

M7+ - M8+ 16260

M8+ - M9+ 18640

M9+ - M10+ 20830

外围:2 8 8 4

:2,8,10,2

晶体结构:为六方晶胞。

a = 295。08 pm

b = 295.08 pm

c = 468.55 pm

α = 90°

β = 90°

γ = 120°

:6

声音在其中的:(m/S)5090

颜色和状态:银灰色金属

:2

常见:+2,+3,+4

发现人:格雷戈尔 发现年代:1791年

已知的钛的有13种,包括钛-41至钛-53。其中钛的有钛-46,钛-47,钛-48,钛-49,钛-50共五种,其余的同位素均有

 3  钛的用途

钛柱

是一种化学,化学符号Ti,原子序数22,是一种银白色的,其特征为重量轻、强度高、具金属光泽,亦有良好的抗腐蚀能力(包括)。由于其稳定的化学性质,良好的耐高温、耐低温、抗强酸、抗强碱,以及高强度、低密度,被美誉为“太空金属”[2]。钛于1791年由(William Gregor)于英国发现,并由(Martin Heinrich Klaproth)用为其命名。

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。[3]钛的矿石主要有,广布于之中。钛亦同时存在于几乎所有生物、岩石、水体及土壤中[4]。从主要矿石中萃取出钛需要用到克罗尔法[5]或亨特法。钛最常见的化合物,可用于制造白色颜料[6]。其他化合物还包括(TiCl4)(作及用于制造或空中文字)及(TiCl3)(用于催化的生产)[4]。

钛能与等其他元素熔成,造出高强度的轻合金,在各方面有着广泛的应用,包括航天()、军事、工业程序(化工与石油制品、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。[4]。

钛最有用的两个特性是,抗腐蚀性,及金属中最高的强度-重量比[7]。在非合金的状态下,钛的强度跟某些相若,但却还要轻45%[8]。有两种[9]和五种天然的,由Ti到Ti,其中最高的是Ti(73.8%)[3] [10]。钛的化学性质及物理性质和相似,这是因为两者的数目相同,并于中同属一

在地壳中,钛的储量仅次于铁、铝、镁,居第四位。由于钛具有熔点高、比重小、比强度高、韧性好、抗疲劳、耐腐蚀、导热系数低、高低温度耐受性能好、在急冷急热条件下应力小等特点,其商业价值在二十世纪五十年代开始被人们认识,被应用于航空、航天等高科技领域。随着不断向化工、石油、电力、海水淡化、建筑、日常生活用品等行业推广,钛金属日益被人们重视,被誉为“现代金属”和“战略金属”,是提高国防装备水平不可或缺的重要战略物资。

衡量一个国家钛工业规模有两个重要指标:海绵钛产量和钛材产量,其中海绵钛产量反映原料生产能力,钛材产量反映的是深加工能力。钛工业已形成中国、美国、独联体、日本和欧洲五大生产和消费主体。

中国钛工业于1954年起步,经过试验研究、工业化生产的定点布局、应用推广和不断的技术进步逐步发展起来。特别是21世纪以来,在国家需求的拉动下,在改革开放政策的推动下,中国钛工业更是突飞猛进。

2011年是我国“十二五”规划的第一年,在这一年里,我国海绵钛和钛加工材的产量继续惯性增长。根据中国有色金属工业协会钛锆铪分会统计,国内14家海绵钛生产企业2011年总产量为64952t,同比增加了12。4%。根据30家企业的统计,2011年中国共生产钛加工材50962t,同比增长33。0%。

  4  历史简介 

第一种发现的钛矿石是一种黑色沙子叫做钛铁砂,是由Reverend William Gregor在康沃尔于1791年发现的。他分析了它并推断其是由铁和一种未知金属的氧化物组成,并报告给了康沃尔的皇家地质学会。

在1795年,德国柏林的科学家Martin Heinrich Klaproth研究了一种来自匈牙利的叫做Schörl的红色矿石。这是金红石(TiO2)的一种形式,而且Klaproth意识到它一种以前未知元素的氧化物,他命名为titanium(钛)。当他被告知Gregor的发现时,他研究了钛铁砂并确认了它也包含钛。

直到1910年,工作于美国通用电气的M. A. Hunter才制造出了纯净的钛金属,由加热四氯化钛和钠金属实现。[4]

 5  物理性质

钛是钢与合金中重要的合金元素,钛的为4。506-4。516克/立方厘米(20℃),高于铝而低于铁、铜、镍。位于金属之首[5] 1668±4℃,熔化潜热3.7-5.0千卡/克原子,3260±20℃,汽化潜热102。5-112。5千卡/克原子,4350℃,1130大气压。钛的导热性和导电性能较差,近似或略低于,钛具有超导性,纯钛的为 0.38-0.4K。在25℃时,钛的热容为0.126卡/克[6-7]   原子·度,热焓1149卡/克原子,熵为7.33卡/克原子·度,金属钛是,导磁率为1.00004。

钛具有可塑性,的延伸率可达50-60%,断面收缩率可达70-80%,但收缩强度低(即收缩时产生的力度),不宜作。钛中杂质的存在,对其影响极大,特别是间隙杂质(氧、氮、)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而达到的。

  6  化学性质 

钛在较高的温度下,可与许多元素和发生反应。各种元素,按其与钛发生不同反应可分为四类:

第一类:和氧族元素与钛生成键化合物;

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:、碱土金属、(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HF和氟化物氟化体在加热时与钛发生反应生成TiF4,反应式为⑴;不含水的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。即使是为1%的氢氟酸,也能与钛发生激烈反应,见式⑵;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⑴2Ti+6HF=2TiF3+3H2 ⑵ HCl和氯化物气体能腐蚀金属钛,干燥的氯化氢在>300℃时与钛反应生成TiCl4,见 式⑶;浓度<5%的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⑷;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⑶2Ti+6HCl=TiCl3+3H2钛与5%的硫酸有明显的反应,在常温下,约40%的硫酸对钛的腐蚀速度最快,当浓度大于40%,达到60%时腐蚀速度反而变慢,80%又达到最快。加热的稀酸或50%的可与钛反应生成硫酸钛,见式⑸、⑹,加热的浓硫酸可被钛还原,生成SO2,见式⑺。常温下钛与硫化氢反应,在其表面生成一层保护膜,可阻止硫化氢与钛的进一步反应。但在高温下,硫化氢与钛反应析出氢,见式⑻,粉末钛在600℃开始与硫化氢反应生成钛的硫化物,在900℃时反应产物主要为TiS,1200℃时为Ti2S3。 Ti+H2SO4=TiSO4+H2⑸ 2Ti+3H2SO4=Ti2(SO4)3+3H2⑹  2Ti+6H2SO4=Ti2(SO4)3+3SO2+6H2O+202千卡⑺Ti+H2S=TiS+H2+70千卡⑻和王水 致密的表面光滑的钛对硝酸具有很好的稳定性,这是由于硝酸能快速在钛表面生成一层牢固的氧化膜,但是表面粗糙,特别是海绵钛或粉末钛,可与次、热稀硝酸发生反应,见式⑼、⑽,高于70℃的浓硝酸也可与钛发生反应,见式⑾;常温下,钛不与王水反应。温度高时,钛可与王水反应生成TiCl2。 3Ti+4HNO3+4H2O=3H4TiO4+4NO ⑼3Ti+4HNO3+H2O=3H2TiO3+4NO ⑽  Ti+8HNO3=Ti(NO3)4+4NO2+4H2O ⑾ 综上所述,钛的性质与温度及其存在形态、纯度有着极其密切的关系。致密的金属钛在自然界中是相当稳定的,但是,粉末钛在中可引起自燃。钛中杂质的存在,显著的影响钛的物理、化学性能、机械性能和耐腐蚀性能。特别是一些间隙杂质,它们可以使钛晶格发生畸变,而影响钛的的各种性能。常温下钛的化学活性很小,能与氢氟酸等少数几种物质发生反应,但温度增加时钛的活性迅速增加,特别是在高温下钛可与许多物质发生剧烈反应。钛的冶炼过程一般都在800℃以上的高温下进行,因此必须在真空中或在惰性气氛保护下操作。金属钛的物理性质金属钛(Ti),灰色金属。原子序数为22,47.87。核外电子在亚层中的排布情况为1S2 2S2 2P6 3S2 3P6 3d2 4S2。金属活动性在镁、铝之间,常温下并不稳定,因此在自然界中只以化合态存在,常见的钛的化合物有钛铁矿(FeTiO3)、金红石(TiO2)等。钛在地壳中含量较高,排行第九,达5600ppm,换算成百分比为0.56%。纯钛密度为4.54×103kg/m3,摩尔体积为10.54cm3/mol,硬度较差,莫氏硬度只有4左右,因此延展性好。钛的热稳定性很好,熔点为1660±10℃,沸点为3287℃。金属钛的化学性质 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,还能从部分氧化铝)中夺取氧。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硝酸,稀硫酸,稀盐酸反应,以及酸中之王——王水。它与、浓硫酸反应。

发展历程:

钛元素发现于1789年,1908年和美国开始用硫酸法生产钛白,1910年在试验室中第一次用钠法制得海绵钛,1948年美国杜邦公司才用镁法成吨生产海绵钛---这标志着海绵钛即钛工业化生产的开始。

中国钛工业起步于20世纪50年代。1954,开始进行海绵钛制备工艺研究,1956年国家把钛当作战略金属列入了12年发展规划,1958年在实现了海绵钛工业试验,成立了中国第一个海绵钛生产车间,同时在有色金属加工厂成立了中国第一个钛加工材生产试验车间。

20世纪60-70年代,在国家的统一规划下,先后建设了以钛厂为代表的10余家海绵钛生产单位,建设了以有色金属加工厂为代表的数家钛材加工单位,同时也形成了以北京有色金属研究总院为代表的科研力量,成为继美国、前苏联和之后的第四个具有完整钛工业体系的国家。

1980年前后,中国海绵钛产量达到2800吨,然而由于当时大多数人对认识不足,钛材的高价格也限制了钛的应用,钛加工材的产量仅200吨左右,中国钛工业陷入困境。在这种情况下,由当时国务院副总理同志倡导,朱镕基和同志支持,于1982年7月成立了跨部委的全国钛应用推广领导小组,专门协调钛工业的发展事宜,促成了20世纪80年代至90年代初期中国海绵钛和钛加工材产销两旺、钛工业快速平稳发展的良好局面。

综上所述,中国钛工业大致经历了三个发展期:即20世纪50年代的开创期,60-70年代的建设期和80-90年代的初步发展期。在新世纪,得益于国民经济的持续、快速发展,中国钛工业也进入了一个快速成长期。

钛耐腐蚀,所以在上常常要用到它。过去,中装热硝酸的部件都用不锈钢。不锈钢也怕那强烈的腐蚀剂——热硝酸,每隔半年,这种部件就要统统。用钛来制造这些部件,虽然成本比不锈钢部件贵一些,但是它可以连续不断地使用五年,计算起来反而合算得多。

在电化学中,钛是单向阀型金属,很负,通常无法用钛作为阳极进行分解。

钛的最大缺点是难于提炼。主要是因为钛在高温下化合能力极强,可以与氧、碳、氮以及其他许多元素化合。因此,不论在冶炼或者铸造的时候,人们都小心地防止这些元素“侵袭”钛。在冶炼钛的时候,空气与水当然是严格禁止接近的,甚至连上常用的氧化铝也禁止使用,因为钛会从氧化铝里夺取氧。人们利用镁与在惰性气体——中相作用,来提炼钛。

人们利用钛在高温下化合能力极强的特点,在炼钢的时候,氮很容易溶解在钢水里, 当钢锭冷却的时候,钢锭中就形成气泡,影响钢的质量。所以炼钢工人往钢水里加进金属钛,使它与氮化合,变成一—氮化钛,浮在钢水表面,这样钢锭就比较纯净了。

飞行时,它的机翼的温度可以达到500℃。如用比较耐热的制造机翼,一到二三百度也会吃不消,必须有一种又轻、又韧、又耐高温的材料来代替铝合金而钛恰好能够满足这些要求。钛还能经得住零下一百多度的考验,在这种低温下,钛仍旧有很好的而不发脆。

利用钛和锆对空气的强大吸收力,可以除去空气,造成真空。比方,利用钛制成的,可以把空气抽到只剩下十万亿分之一。

钛的氧化物——,是雪白的粉末,是最好的白色,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,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,、陶土、耐高温的实验器皿等。

二氧化钛是世界上最白的东西, 1克二氧化钛可以把 450多平方厘米的面积涂得雪白。它比常用的白颜料一—还要白5倍,因此是调制白油漆的最好颜料。世界上用作颜料的二氧化钛,一年多到几十万吨。二氧化钛可以加在纸里,使纸变白并且不透明,效果比其他物质大10倍,因此,钞票纸和美术品用纸就要加二氧化钛。此外,为了使塑料的颜色变浅,使人造丝光泽柔和,有时也要添加二氧化钛。在橡胶工业上,二氧化钛还被用作为白色橡胶的填料。

四氯化钛是种有趣的液体,它有股刺鼻的气味,在中便会大冒白烟——它了,变成白色的二氧化钛的水凝胶。在军事上,人们便利用四氯化钛的这股怪脾气,作为人造烟雾剂。特别是在海洋上,水气多,一放四氯化钛,浓烟就象一道白色的长城,挡住了敌人的视线。在农业上,人们利用四氟化钛来防霜。

有这样的特性:当它受压力而改变形状的时候,会产生电流,一通电又会改变形状。于是,人们把钛酸钡放在超声波中,它受压便产生电流,由它所产生的电流的大小可以测知超声波的强弱。相反,用高频电流通过它,则可以产生超声波。几乎所有的超声波仪器中,都要用到。除此之外,钛酸钡还有许多用途。例如:铁路工人把它放在铁轨下面,来测量火车通过时候的压力;医生用它制成脉搏记录器。用钛酸钡做的水底探测器,是锐利的水下眼睛,它不只能够看到鱼群,而且还可以看到水底下的暗礁、冰山和敌人的潜水艇等。

冶炼钛时,要经过复杂的步骤。把钛铁矿变成四氯化钛,再放到密封的中,充以氩气,使它们与金属镁反应,就得到“海绵钛”。这种多孔的“海绵钛”是不能直接使用的,还必须把它们在中融化成液体,才能铸成。但制造这种电炉又谈何容易!除了电炉的空气必须抽干净外,更伤脑筋的是,简直找不到盛装钛的坩埚,因为一般都含有氧化物,而其中的氧就会被液态钛夺走。后来,人们终于发明了一种“水冷铜坩埚”的电炉。这种电炉只有中央一部分区域很热,其余部分都是冷的,钛在电炉中熔化后,流到用水冷却的铜坩埚壁上,马上凝成钛锭。用这种方法已经能够生产几吨重的钛块,但它的成本就可想而知了。

发现过程

钛是英国化学家格雷戈尔(Gregor R W ,1762—1817。)在1791年研究钛铁矿和金红石时发现的。四年后,1795年,德国化学家(Klaproth M H ,1743—1817。)在分析产的红色金红石时也发现了这种元素。他主张采取为铀(1789年由克拉普罗特发现的)命名的方法,引用希腊神话中泰坦神族“Titanic”的名字给这种新元素起名叫“Titanium”。中文按其译音定名为钛。

格雷戈尔和克拉普罗特当时所发现的钛是粉末状的二氧化钛,而不是金属钛。因为钛的氧化物极其稳定,而且金属钛能与氧、氮、氢、碳等直接激烈地化合,所以钛很难制取。直到1910年才被美国化学家(Hunter M A)第一次制得纯度达99.9%的金属钛。

元素描述

具有,有延展性。密度为4.5克/立方厘米。熔点1660±10℃。沸点3287℃。化合价+2、+3和+4。电离能为6.82。钛的主要特点是密度小,机械强度大,容易加工。钛的塑性主要依赖于纯度。钛越纯,塑性越大。有良好的抗腐蚀性能,不受和海水的影响。在常温下,不会被7%以下盐酸、5%以下硫酸、硝酸、王水或稀碱溶液所腐蚀;只有氢氟酸、浓盐酸、浓硫酸等才可对它作用。

  7  元素来源 

钛属于,实际上钛并不稀有,其在地壳中的占第七位,占0.45%,远远高于许多常见的金属。但由于钛的性质活泼,对冶炼工艺要求高,使得人们长期无法制得大量的钛,从而被归类为“稀有”的金属。用于冶炼钛的矿物主要有钛铁矿(FeTiO3)、金红石(TiO2)和钙钛矿等。经处理得到易挥发的四氯化钛,再用镁还原而制得纯钛。

  8  元素用途

钛的强度大,纯钛抗拉强度最高可达180kg/mm2。有些钢的强度高于,但钛合金的比强度(抗拉强度和密度之比)却超过优质钢。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。钛合金还可作燃料和的储箱以及高压容器。已有用钛合金制造自动步枪,迫击炮座板及无后座力炮的发射管。在工业上主要作各种容器、反应器、热交换器、、管道、泵和阀等。钛可用作和发电站的以及环境污染控制装置。钛镍在仪器仪表上已广泛应用。在中,钛可作人造骨头和各种器具。钛还是炼钢的脱氧剂和不锈钢以及的组元。是颜料和油漆的良好原料。碳化钛,氢化钛是新型硬质材料。氮化钛颜色近于黄金,在装饰方面应用广泛。

钛和钛的合金大量用于航空工业,有"空间金属"之称;另外,在造船工业、化学工业、制造机械部件、电讯器材、硬质合金等方面有着日益广泛的应用。

此外,由于钛合金还与人体有很好的相容性,所以钛合金还可以作人造骨。

钛的抗腐蚀性

硝酸锆与氢氧化钛

是一种应用于工业和在高温高压下用作耐蚀,但在溶液中其活泼性仅次于钠。

那么,在氢氧化钛溶液里加入活波的溶液,会发现钛把硝酸锆拒之门外(如图)。

可以看到,图中有明显的分层,上面是硝酸锆,下面是氢氧化钛。

我们知道,氢氧化钛的密度小于硝酸锆,但依然能保持明显的分层,并把硝酸锆停留在上层,这证明了钛的抗腐蚀性。

根据实验,钛放入海底20~50年均不会被腐蚀。

  9  地理分布

中国钛资源总量9。65亿吨,居世界之首,占世界探明储量的38。85%,主要集中在、云南、、广西及等地,其中攀西(攀枝花西昌)地区是中国最大的钛资源基地,钛为8.7亿吨。

中国探明的钛在21个省(、直辖市)共108个(图3.5.1及表3.5.4)。主要产区为四川,次有、海南、广东、、广西、云南、、山西等省(区)。

岩矿:主要分布在四川省红格和白马,西昌的;河北省的大庙、,丰宁的招兵沟,的南天门;山西省的桐峪;陕西省的毕机沟;的尾亚;河南省的赵案庄;广东省的霞岚;黑龙江省的;北京市的上庄和的新地。其中四川省表内储量(TiO2 44256.32万t)占全国同类储量(TiO2 46522.83万t)的95.1%,河北省(TiO2 1544.46万t)占3.3%,陕西省占0.46%,山西省占0.35%。

金红石岩矿 主要矿床分布在湖北省的大阜山;山西省的碾子沟;河南省新县的;山东省县的刘家庄。其中湖北省金红石(TiO2)表内储量(534。43万t)占全国同类储量(750。86万t)的71。2%,山西省(154。79万t)占20。6%,陕西省(44。4万t)占5。9%。

  10  辅助资料 

钛的主要矿石是金红石TiO2和钛铁矿FeTiO3,它的发现也正是从这两种矿石的分析而来。早在1791年英国英格兰西南端(Cornwall)郡门拉陈(Menacan)教区的牧师格累高尔,也是一位科学家,分析出产在他教区内的一种黑色矿砂,也就是今天成为钛铁矿的矿石时发现了一种新的金属物质并命名为menacenite。三年后,1795年,克拉普罗特分析了匈牙利布伊尼克(Boinik)地区出产的金红石,认识到它是一种新金属的氧化物,具有抵抗酸、碱溶液的特性,借用希腊神话中大地的第一代儿子们泰坦神族Titans,命名这个金属为titanium,定为Ti。两年后,克拉普罗特证实格累高尔发现的menacenite就是钛。

钛对于酸、碱具有较强的耐腐蚀性,已成为化工生产中重要的材料。

钛一般被认为是稀有金属,其实它在地壳中的含量相当大,比一般的常用的金属锌、铜、锡等都大,甚至比氯、磷都大。

  11  总体状况

截至1995年底,世界金红石(包括锐钛矿)储量和分别为3330万t和16440万t,资源总量约2.3亿t(TiO2含量,下同),主要集中在、澳大利亚。世界钛(TiO2)储量和储量基础分别为2。743亿t和4。353亿t,资源总量约10亿t;主要集中在南非、挪威、澳大利亚、和印度。

截至1996年底中国保有(磁)铁矿(折TiO2)储量35704。09万t(其中A+B+C级23191。50万t);钛铁矿(砂矿)矿物储量3803。19万t(其中A+B+C级2147。17万t);金红石矿物储量256。86万t(其中A+B+C级73。73万t);金红石TiO2储量750.86万t(其中A+B+C级242.43万t)。

若将中国1996年保有钛铁矿砂矿的A+B+C级矿物储量2147.17万t,按含TiO2 48%折算,则其TiO2储量为1030.64万t,仅占同年世界钛铁矿(TiO2)27000万t的3.83%;若再将其与原生钛磁铁矿岩矿(TiO2)的A+B+C级储量(23 191。50万t)中可利用的约占50%以粒状钛铁矿产出的(TiO2)储量11595。75万t相加,其TiO2总储量为12626.4万t,则占世界钛铁矿(TiO2)储量27000万t的47。76%,从这个意义上说,中国可称为世界钛铁矿资源最丰富的国家。

若将中国1996年保有金红石矿物的A+B+C级储量73.73万t按含TiO2 94%折算成TiO2储量为69。31万t,再加上同年金红石(TiO2)的A+B+C级储量242.43万t,合计为311.74万t,则占同年世界金红石(TiO2)储量3330万t的9.36%,由此可见中国金红石资源并不丰富。

  12  主要特性

工业纯钛:工业纯钛的杂质含量较化学纯钛要多,因此其强度、硬度也稍高,其力学性能及化学性能与不锈钢相近,比起钛合金纯钛强度较好,在抗方面优于,但耐热性较差,TA1、TA2、TA3依次杂质含量增高,机械强度、硬度依次增强,但塑性韧性依次下降。

β 型钛:β型钛合金属可强化,合金强度高、焊接性、压力加工性良好,但性能不稳定,且熔炼工艺复杂。

A、β钛板:0。5-4。0mm

B、眼镜板(纯钛):0.8-8.0mm

C、标板(纯钛):1 x 2m 厚度:0.5-20mm

D、电镀及其它行业用板(纯钛):0.1-50mm

用途:电子、化工、钟表、眼镜、、体育用品、机械设备、电镀设备、环保设备、高尔夫球及精密加工等行业。

钛管规格:φ6-φ120mm 壁厚:0.3-3.0mm

钛管用途:环保设备、冷却管、钛发热管、电镀设备、及各种精密电器用管等行业。

A、β钛丝规格:φ0.8-φ6.0mm

B、眼镜钛丝规格:φ1.0-φ6.0mm专用钛丝

C、钛丝规格:φ0。2-φ8。0mm挂具专用

钛丝用途:、医用、体育用品、眼镜、耳环、头饰、、焊丝等行业。

A、方棒规格:方条:8-12mm

B、磨光圆棒:φ4-φ60mm

C、毛棒、黑皮棒:φ6-φ120mm

钛棒用途:主要用于机械设备、电镀设备、医用、各种精密机件等行业。

【钛】

  13  冶炼方法 

制取金属钛的原料主要为金红石,其中含TiO2大于96%。缺少金红石矿的国家,例如苏联,则采用钛铁矿制成的"",其中含TiO290%左右。因天然金红石涨价和储量日减,各国都趋向于用钛铁矿制成富钛料,即高钛渣和人造金红石。

制取钛流程

钛在1791年被发现,而第一次制得纯净的钛却是在1910年,中间经历了一百余年。原因在于:钛在高温下性质十分活泼,很易和氧、氮、碳等元素化合,要提炼出纯钛需要十分苛刻的条件。

工业上常用硫酸分解钛铁矿的方法制取二氧化钛,再由二氧化钛制取金属钛。浓硫酸处理磨碎的钛铁矿(),发生下面的

FeTiO3+3H2SO4 == Ti(SO4)2+FeSO4+3H2O

FeTiO3+2H2SO4 == TiOSO4+FeSO4+2H2O

FeO+H2SO4 == FeSO4+H2O

Fe2O3+3H2SO4 ==Fe2(SO4)3+3H2O

为了除去杂质Fe2(SO4)3,加入铁屑,Fe3+ 还原为Fe2+,然后将溶液冷却至273K以下,使得FeSO4·7H2O()作为副产品结晶析出。

Ti(SO4)2和TiOSO4水解析出白色的偏钛酸沉淀,反应是:

Ti(SO4)2+H2O == TiOSO4+H2SO4

TiOSO4+2H2O == H2TiO3+H2SO4

锻烧偏钛酸即制得

H2TiO3== TiO2+H2O

工业上制金属钛采用金属热还原法还原四氯化钛。将TiO2(或天然的金红石)和炭粉混合加热至1000~1100K,进行氯化处理,并使生成的TiCl4,蒸气冷凝。

TiO2+2C+2Cl2=TiCl4+2CO

在1070K 用熔融的镁在氩气中还原TiCl4可得多孔的海绵钛:

TiCl4+2Mg=2MgCl2+Ti

这种海绵钛经过粉碎、放入里熔炼,最后制成各种钛材。

也可以通过反应:Ti+2CI2=TiCI4

得到的TiCI4经过高温(1250℃左右)情况下分解:

TiCI4=Ti+2CI2

由此得到纯钛棒。

钛及钛合金的特性、用途

纯钛是银白色的金属,它具有许多优良性能。钛的密度为4.54g/立方厘米,比钢轻43% ,比久负盛名的镁稍重一些。机械强度却与钢相差不多,比铝大两倍,比镁大五倍。钛耐高温,熔点1942K,比黄金高近1000K ,比钢高近500K。

钛属于比较活泼的金属。加热时能与O2、N2、H2、S和卤素等非金属作用。但在常温下,钛表面易生成一层极薄的致密的氧化物保护膜,可以抵抗强酸甚至的作用,表现出强的抗腐蚀性。因此,一般金属在酸、碱、盐的溶液中变得千疮百孔而钛却安然无恙。

液态钛几乎能溶解所有的金属,因此可以和多种金属形成合金。钛加入钢中制得的坚韧而富有弹性。钛与金属Al、Sb、Be、Cr、Fe等生成填隙式化合物或

钛合金制成飞机比其它金属制成同样重的飞机多载旅客100多人。制成的潜艇,既能抗,又能抗深层压力,其下潜深度比不锈钢潜艇增加80%。同时,钛无磁性,不会被水雷发现,具有很好的反监护作用。

钛具有“亲”性。在人体内,能抵抗分泌物的腐蚀且无毒,对任何杀菌方法都适应。因此被广泛用于制,制人造髋关节、膝关节、肩关节、胁关节、头盖骨,主动心瓣、固定夹。当新的肌肉纤维环包在这些“钛骨”上时,这些钛骨就开始维系着人体的正常活动。

钛在人体中分布广泛,正常中的含量为每70kg体重不超过15mg,其作用尚不清楚。但钛能刺激吞噬细胞,使增强这一作用已被证实。

钛的化合物及用途

重要的钛化合物有:二氧化钛(TiO2)、四氯化钛(TiCl4)、偏钛酸钡(BaTiO3)。

纯净的二氧化钛是白色粉末,是优良的白色颜料,商品名称“钛白”。它兼有铅白(PbCO3)的遮盖性能和锌白(ZnO)的持久性能。因此,人们常把钛白加在油漆中,制成高级白色油漆;在中作为填充剂加在纸桨中;

中作为人造纤维的消光剂;在、搪瓷工业上作为添加剂,改善其性能;在许多化学反应中用作催化剂。在化学工业日益发展的今天,二氧化钛及钛系化合物作为精细化工产品,有着很高的附加价值,前景十分诱人。

四氯化钛是一种无色液体;熔点250K、沸点409K,有制激性气味。它在水中或潮湿的空气中都极易水解,冒出大量的白烟。

TiCl4+3H2O == H2TiO3+4HCl

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。

将TiO2和BaCO3一起熔融制得偏钛酸钡:

TiO2+BaCO3 == BaTiO3十CO2

人工制得的BaTiO3具有高的介电常数,由它制成的电容器有较大的容量,更重要的是BaTiO3具有显著的“压电性能”,其受压会产生电流,一通电,又会改变形状。人们把它置于超声波中,它受压便产生电流,通过测量电流强弱可测出超声波强弱。几乎所有的超声波仪器中都要用到它。随着的开发利用,它愈来愈广泛地用来制造非线性元件、介质放大器、电子计算机记忆元件、微型电容器、材料、材料、强磁、半导体材料、光学仪器、等。

钛、钛合金及钛化合物的优良性能促使人类迫切需要它们。然而,生产成本之高,使应用受到限制。我们相信在不久的将来,随着钛的冶炼技术不断改进和提高,钛、钛合金及钛的化合物的应用将会得到更大的发展。

钛产品:

钛及钛合金是极其重要的轻质结构材料,在航空、、车辆工程、等领域具有非常重要的应用价值和广阔的应用前景。

类型:碘化钛,, α 型钛, β 型钛, α +β型钛

  14  设备制造

1.反应釜:由于用户因生产工艺、操作条件不尽相同,夹套加热型式分为电热棒加热、蒸汽加热、导热油循环加热;轴封装置分为填料密封和机械密封;搅拌型式有锚式、浆式、锅轮式、推进式或框式。开孔数量、规格或其它要求可根据用户要求设计、制作。

2。冷凝器:,按材质分为复合钛列管冷凝、钛列管式冷凝器和与钛混合列管式冷凝三种,按形式分为固定管板式、浮头式、U型管式, 按结构分为单管程、双管程和多管程。传热面积0。5-500m2,可根据用户不同需要定制。

3。罐:我厂设计的发酵罐为标准式罐型,这种罐型当公称容积在6m3以下时罐采用夹套式。发酵气的冷却或加热,均由夹套来完成。公称容积为6m3以上时,发酵气的冷却由立式排管来担负,在罐内排管的连接方面我们作了改进。这主要避免在罐体上多开孔,开成死角。这种连续方式在实际使用中得到满意的效果。发酵设备罐型可分为两大类:一类是嫌气发酵的锥型(如发酵),另一类是为气发酵的罐型(如标准式、伍式、自吸式等)。这类设备尤以标准式罐型使用最为普遍。我厂设计的发酵罐系列图纸资料属于标准式罐型。在设计各种规格的发酵设备时,做到设计结构严密,有足够的强度和使用寿命,力求设备内部附件少,表面光滑,注意到要有良好的气枣汽接触和汽刺固混和性能,使物质传递,气体交换有效地进行。有足够的热交换面积,以保证发酵能在最适宜的温度下进行。重视设备的密封性能以保证灭菌操作。

4.冷却器:

主要用途:主要适用于制药、食品、化工等对液料的浓缩,并且亦能回收酒精和简单的回流提取。 结构:本设备主要包括浓缩罐、第一冷凝器、汽液分离器、第二冷凝器、冷却器、受液桶六个部件组成,全部有钛制造。浓缩罐为夹套结构,冷凝器为列管式,冷却器为蛇管式。【要求可根据用户要求设计、制作】

  15  应急处置 

皮肤接触:脱去污染的衣着,用肥皂水和清水彻底冲洗皮肤。

眼睛接触:提起眼睑,用流动清水或冲洗。就医。

吸入:迅速脱离现场至空气新鲜处。保持呼吸道通畅。如呼吸困难,给输氧。如呼吸停止,立即进行人工呼吸。就医。

食入:饮足量温水,催吐。就医。

呼吸系统防护:可能接触其粉尘时,必须佩戴自吸过滤式防尘口罩。

眼睛防护:戴。

身体防护:穿透气型防毒服。

手防护:戴防毒物渗透手套。

其他防护:工作现场禁止吸烟、进食和饮水。工作完毕,淋浴更衣。注意个人清洁卫生。

:隔离泄漏污染区,限制出入。切断火源。建议应急处理人员戴防尘面具(全面罩),穿防毒服。不要直接接触泄漏物。小量泄漏:避免扬尘,用洁净的铲子收集于干燥、洁净、有盖的容器中。转移回收。大量泄漏:用塑料布、帆布覆盖。使用无火花工具转移回收。

有害:氧化钛。

灭火方法:采用干粉、干砂灭火。严禁用水、、二氧化碳扑救。高热或剧烈燃烧时,用水扑救可能会引起爆炸。

·管理信息库

操作的管理:密闭操作,局部排风。操作人员必须经过专门培训,严格遵守操作规程。建议操作人员佩戴自吸过滤式防尘口罩,戴安全防护眼镜,穿透气型防毒服,戴防毒物渗透手套。远离火种、热源,工作场所严禁吸烟。使用防爆型的通风系统和设备。避免产生粉尘。避免与氧化剂、酸类、卤素接触。在氩气中操作处置。搬运时要轻装轻卸,防止包装及容器损坏。配备相应品种和数量的消防器材及泄漏应急处理设备。倒空的容器可能残留有害物。

储存的管理:为安全起见,储存时常以不少于25%的水润湿、。储存于阴凉、通风的库房。远离火种、热源。库温不超过30℃,相对湿度不超过80%。保持容器密封,严禁与空气接触。应与氧化剂、酸类、卤素等分开存放,切忌混储。配备相应品种和数量的消防器材。储区应备有合适的材料收容泄漏物。

运输的管理:运输时运输车辆应配备相应品种和数量的消防器材及泄漏应急处理设备。装运该品的车辆排气管须有阻火装置。运输过程中要确保容器不泄漏、不倒塌、不坠落、不损坏。严禁与氧化剂、酸类、卤素、食用化学品等混装混运。运输途中应防曝晒、雨淋,防高温。中途停留时应远离火种、热源。车辆运输完毕应进行彻底清扫。铁路运输时要禁止溜放。

废弃的管理:恢复材料的原状态,以便重新使用。

·毒理学资料库

急性毒性:金属钛、氧化钛和碳化钛属低毒类。大鼠一次气管内注入20-50mg二氧化钛和兔注入400 mg后肺部无特异反应。

亚急性和慢性毒性:大鼠气管内注入后6和12个月,只见肺纤维化效应。大鼠吸入二氧化钛尘每天4次,每周5 d,历时13个月,停止吸入后7个月,肺无任何病理反应;但豚鼠反复吸入二氧化钛观察到纤维化效应和嗜酸性自浸润。气管内注入金属钛无肺纤维化发生。大鼠气管内一次注入氢化钛、碳化钛、硼化钛和一氮化钛后观察到肺部轻度纤维化。大鼠吸入氢化钛16个月亦见轻度纤维化。

代谢:人体一般饮食中每日约摄入300μg钛,大部分从粪排出,其中约3%吸收入血液。进入体内的钛蓄积于脾、肾上腺、横纹肌、肺、皮肤及肝脏等部位。吸收入体内的钛主要由尿排出。正常人血浆中钛浓度约3μg/dl,尿钛浓度为10μg/L左右。

中毒机理:金属钛,氧化钛,碳化钛(titanium carbonide)等不溶性钛毒性低,口服吸收量少,不显示毒性反应。金属钛植入机体未见有病理反应。吸入钛的不溶性化合物,未见肺部有严重损害,其致纤维化作用甚微。用含钛饮水长期饲养动物未见对生长发育有影响,也未见。

致癌性:大鼠肌肉注射溶于三辛素的钛金属粉,引起纤维肉瘤和淋巴肉瘤增加。注射有机钛,注射部位出现纤维肉瘤,发生肝细胞瘤和脾的恶性淋巴瘤。

燃爆危险:该品易燃,具刺激性。

·应急医疗库

主要用途及接触机会:钛用于制造、合金、钛陶瓷及。金属钛也用于飞机、导弹制造及原子反应堆。还用于生产耐火材料、焊条、建筑材料和塑料等。上述工业中可接触金属钛,二氧化钛的粉尘和烟尘。四氯化钛及其部分水解物,还常夹杂氯及其氧化物。在金属钛过程中也接触钛氧化物的烟尘。

侵入途径:吸入、食入。

人体危害:吸入后对上呼吸道有刺激性,引起咳嗽、胸部紧束感或疼痛。长期吸入TiO2粉尘的工人,肺部无任何变化。在生产钛金属过程,接触四氯化钛及其水解产物对眼和上呼吸道粘膜有刺激作用。长期作用可形成。TiO2曾用作闪光灼伤的皮肤防护剂,未见产生接触性皮炎、变态反应和经皮吸收。100℃氯氮化钛的飞溅和吸入钛酸及氯氮化钛烟引起皮肤烧伤并致疤痕形成和咽、声带、气管粘膜充血,由于形成瘢痕引起喉狭窄。眼短期接触氯氮化钛引起结膜炎和角膜炎。此外,四氯化钛吸入可引起弥散性支气管内息肉。

处理原则:皮肤接触四氯化钛后应尽快用软纸或布擦掉,然后用水冲洗,防止四氯化钛遇水放出大量热及盐酸,加重及扩大灼伤范围。吸入四氯化钛应立即雾化吸入5%溶液,以中和四氯化钛水解产生的盐酸;吸氧、保持呼吸进通畅.安静休息,减少氧的消耗;早期给予足量糖皮质激素,并给抗生素预防继发感染及抗支气管痉挛药物、祛痰药对症治疗。严密观察,防治肺水肿。

预防措施:接触四氯化钛及其水解产物的工种,应注意皮肤、粘膜和呼吸道的防护。产生钛及其化合物粉尘的工作地点,亦须加强防尘措施。大量微小钛粉尘可着火爆炸,因此钛的生产、浇铸、加工应有良好通风防尘设施,及应有防火防爆设备。四氯化钛生产过程应尽量密闭,防止其烟气逸出及“跑、冒、滴、漏”。加强个人防护,四氯化钛生产设备开盖、清洗、维修时应截防毒面其、防护眼镜。穿防酸防护衣帽。定期对接触四氯化钛的生产工人进行休检,有慢性呼吸道疾病患者不能从事接触四氯化钛的工作。

  16  十大性能

密度小,比强度高

金属钛的密度为4.51g/立方厘米,高于铝而低于钢、铜、镍,但比强度位于金属之首。

耐腐蚀性能

钛是一种非常活泼的金属,其平衡电位很低,在介质中的热力学腐蚀倾向大。但实际上钛在许多介质中很稳定,如钛在氧化性、中性和弱还原性等介质中是耐腐蚀的。这是因为钛和氧有很大的亲和力,在空气中或含氧的介质中,钛表面生成一层致密的、附着力强、惰性大的氧化膜,保护了钛不被腐蚀。即使由于也会很快自愈或重新再生。这表明了钛是具有强烈钝化倾向的金属。介质温度在315℃以下钛的氧化膜始终保持这一特性。

为了提高钛的耐蚀性,研究出氧化、电镀、等离子喷涂、离子氮化、离子注入和激光处理等技术,对钛的氧化膜起到了增强保护性作用,获得了所希望的耐腐蚀效果。针对在硫酸、盐酸、甲胺溶液、高温湿氯气和高温氯化物等生产中对的需要 ,开发出钛-钼、钛-钯、钛-钼-镍等一系列耐蚀钛合金。钛使用了钛-32,对常发生缝隙腐蚀或点蚀的环境使用了钛-0。3钼-0。8镍合金或的局部使用了钛-0。2,均获得了很好的使用效果。

耐热性能好

新型钛合金可在600℃或更高的温度下长期使用。

耐低温性能好

钛合金TA7(Ti-5Al-2.5Sn),TC4(Ti-6Al-4V)和Ti-2.5Zr-1.5Mo等为代表的,其强度随温度的降低而提高,但塑性变化却不大。在-196-253℃低温下保持较好的延性及韧性,避免了金属冷脆性,是低温容器,贮箱等设备的理想材料。

抗阻尼性能强

金属钛受到、电振动后,与钢、铜金属相比,其自身振动衰减时间最长。利用钛的这一性能可作音叉、医学上的超声粉碎机振动元件和高级音响的振动薄膜等。

无磁性、无毒

钛是无磁性金属,在很大的磁场中也不会被磁化,无毒且与人体组织及血液有好的相溶性,所以被医疗界采用。

抗拉强度与其屈服强度接近

钛的这一性能说明了其屈强比(抗拉强度/屈服强度)高,表示了金属钛材料在成形时塑性变形差。由于钛的屈服极限与的比值大,使钛成型时的回弹能力大。

换热性能好

金属钛的导热系数虽然比碳钢和铜低,但由于钛优异的耐腐蚀性能,所以壁厚可以大大减薄,而且表面与蒸汽的换热方式为滴状冷凝,减少了热组,钛表面不结垢也可减少热阻,使钛的换热性能显著提高。

弹性模量低

钛的弹性模量在常温时为106.4GPa,为钢的57%。

吸气性能

钛是一种化学性质非常活泼的金属,在高温下可与许多元素和化合物发生反应。钛吸气主要指高温下与碳、氢、氮、氧发生反应。

  17  超高纯钛

2014年9月,中国第一炉“电子级低氧超高纯钛”已在浙江省余姚市成功研发投产,一举打破了国外的垄断。低氧超高纯钛主要应用在半导体用溅射靶材、航空航天、海洋石油等核心工业领域,战略意义重大。特别值得一提的是,超高纯钛是中国自主大飞机项目的重要原材料保证。

在此之前,从国外进口的超高纯钛价格为120万元/吨左右,受到提纯工艺技术限制,全世界只有美国和日本的三家公司能够生产超高纯钛。作为高端战略性金属材料,美日政府严格限制对中国的出口。中国在超高纯钛领域经常要看美日的“脸色”。

宁波创润新材料有限公司"年产250吨电子级低氧超高纯钛项目"的投产,填补了中国高端钛材的技术空白,意味着中国已具备低氧超高纯钛的自主生产能力,实现了这一战略金属的独立自给,彻底摆脱了对国外的依赖。垄断打破后,直接受益的就是航空航天领域。[8]

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