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下級欄目:
 (Titanium)是一種化學元素,是一種銀白色的過渡金屬,其特征為重量輕、強度高、具金屬光澤,耐濕氯氣腐蝕。但鈦不能應用于干氯氣中,即使是溫度0℃以下的干氯氣,也會發生劇烈的化學反應,生成四氯化鈦,再分解生成二氯化鈦,甚至燃燒。只有當氯氣中的含水量高于0.5%的時候,鈦在其中才能保持可靠的穩定性。
  鈦被認為是一種稀有金屬,這是由于在自然界中其存在分散并難于提取。但其相對豐富,在所有元素中居第十位。 鈦的礦石主要有鈦鐵礦及金紅石,廣布于地殼及巖石圈之中。鈦亦同時存在于幾乎所有生物、巖石、水體及土壤中。從主要礦石中萃取出鈦需要用到克羅爾法 或亨特法。鈦最常見的化合物是二氧化鈦,可用于制造白色顏料。其他化合物還包括四氯化鈦(TiCl4)(作催化劑和用于制造煙幕作空中掩護)及三氯化鈦(TiCl3)(用于催化聚丙烯的生產)。
鈦元素描述
  具有金屬光澤,有延展性。密度為4.5克/cm3。熔點1660±10℃。沸點3287℃?;蟽r+2、+3和+4。電離能為6.82電子伏特。鈦的主要特點是密度小,機械強度大,容易加工。鈦的塑性主要依賴于純度。鈦越純,塑性越大。有良好的抗腐蝕性能,不受大氣和海水的影響。在常溫下,不會被7%以下鹽酸、5%以下硫酸、硝酸、王水或稀堿溶液所腐蝕;只有氫氟酸、濃鹽酸、濃硫酸等才可對它作用。
鈦元素來源
  鈦屬于稀有金屬,實際上鈦并不稀有,其在地殼中的豐度占第七位,占0.45%,遠遠高于許多常見的金屬。但由于鈦的性質活潑,對冶煉工藝要求高,使得人們長期無法制得大量的鈦,從而被歸類為“稀有”的金屬。用于冶煉鈦的礦物主要有鈦鐵礦(FeTiO3)、金紅石(TiO2)和鈣鈦礦等。礦石經處理得到易揮發的四氯化鈦,再用鎂還原而制得純鈦。
鈦含量分布 :地球表面十公里厚的地層中,含鈦達千分之六,比銅多61倍,在地殼中的含量排第十位(地殼中元素排行:氧、硅、鋁、鐵、鈣、鈉、鉀、鎂、氫、鈦),隨便從地下抓起一把泥土,其中都含有千分之幾的鈦,世界上儲量超過一千萬噸的鈦礦并不稀罕。
        地球上有成億噸的砂石,鈦和鋯這兩種比砂石重的礦物,就混雜在砂石中,經過海水千百萬年晝夜不停地淘洗,把比較重的鈦鐵礦和鋯英砂礦沖在一起,在漫長的海岸邊,形成了一片一片的鈦礦層和鋯礦層。這種礦層是一種黑色的砂子,通常有幾厘米到幾十厘米厚。
       鈦沒有鐵磁性,用鈦建造的核潛艇不必擔心磁性水雷的攻擊。
鈦發展歷史
  從發現鈦元素到制得純品,歷時一百多年。而鈦真正得到利用,認識其本來的真面目,則是20世紀40年代以后的事情了。
  第一種發現的鈦礦石是一種黑色沙子叫做鈦鐵砂,是由格雷戈爾(Reverend William Gregor)在康沃爾于1791年發現的。他分析了它并推斷其是由鐵和一種未知金屬的氧化物組成,并報告給了康沃爾的皇家地質學會。
  在1795年,德國柏林的科學家克拉普羅特(Martin Heinrich Klaproth)研究了一種來自匈牙利的叫做Schrl的紅色礦石。這是金紅石(TiO2)的一種形式,而且意識到這是一種未知元素的氧化物,將此元素命名為titanium(鈦)。當他被告知格雷格爾的發現時,他研究了鈦鐵砂并確認了它也包含鈦。
  直到1910年,工作于美國通用電氣的亨特(M. A. Hunter)才制造出了純凈的鈦金屬,由加熱四氯化鈦和鈉金屬實現。
  1947年,人們才開始在工廠里冶煉鈦。當年,產量只有2噸。1955年產量激增到2萬噸。1972年,年產量達到了 20萬噸。鈦的屈服強度比鋼鐵要高,而它的重量幾乎只有同體積的鋼鐵的一半,鈦雖然稍稍比鋁重一點,它的屈服強度卻比鋁大2倍。鈦的比強度高于鋁和鋼,比模量與鋁、鋼十分接近。在宇宙火箭和導彈中,就大量用鈦代替鋼鐵。據統計,世界上每年用于宇宙航行的鈦,已達一千噸以上。極細的鈦粉,還是火箭的好燃料,所以鈦被譽為宇宙金屬,空間金屬。
  鈦在高溫下極易和空氣發生反應,但熔點高達1668℃。在常溫下,鈦不怕王水和稀硝酸腐蝕,但不耐5%以上濃度的硫酸和7%鹽酸腐蝕。鈦不怕常溫的海水,有人曾把一塊鈦沉到海底,五年以后取上來一看,上面粘了許多小動物與海底植物,卻一點也沒有生銹,依舊亮閃閃的
。
  人們開始用鈦來制造潛艇——鈦潛艇。由于鈦非常結實,能承受很高的壓力,這種潛艇可以在深達4500米的深海中航行?! ?br /> 鈦的用途
  鈦是一種化學元素,化學符號Ti,原子序數22,是一種銀白色的過渡金屬,其特征為重量輕、強度高、具金屬光澤,亦有良好的抗腐蝕能力(包括海水、王水及氯氣)。由于其穩定的化學性質,良好的耐高溫、耐低溫、抗強酸、抗強堿,以及高強度、低密度,被美譽為“太空金屬”。鈦于1791年由格雷戈爾(William Gregor)于英國康沃爾郡發現,并由克拉普羅特(Martin Heinrich Klaproth)用希臘神話的泰坦為其命名。
  鈦被認為是一種稀有金屬,這是由于在自然界中其存在分散并難于提取。但其相對豐度在所有元素中居第十位。鈦的礦石主要有鈦鐵礦及金紅石,廣布于地殼及巖石圈之中。鈦亦同時存在于幾乎所有生物、巖石、水體及土壤中。從主要礦石中萃取出鈦需要用到克羅爾法或亨特法。鈦最常見的化合物,二氧化鈦可用于制造白色顏料]。其他化合物還包括四氯化鈦(TiCl4)(作催化劑及用于制造煙幕或空中文字)及三氯化鈦(TiCl3)(用于催化聚丙烯的生產)。
  鈦能與鐵、鋁、釩或鉬等其他元素熔成合金,造出高強度的輕合金,在各方面有著廣泛的應用,包括航天(噴氣發動機、導彈及航天器)、軍事、工業程序(化工與石油制品、海水淡化及造紙)、汽車、農產食品、醫學(義肢、骨科移植及牙科器械與填充物)、廚房用具 運動用品、珠寶及手機等等。
  鈦最有用的兩個特性是,抗腐蝕性,及金屬中最高的強度-重量比。在非合金的狀態下,鈦的強度跟某些鋼相若,但卻還要輕45%]。有兩種同素異形體和五種天然的同位素,分別為:46Ti(8.25%)、47Ti(7.44%)、48Ti(73.72%)49Ti(5.41%)50Ti(5.18%) 鈦的化學性質及物理性質和鋯相似,這是因為兩者的價電子數目相同,并于元素周期表中同屬一族。
  在地殼中,鈦的儲量僅次于鐵、鋁、鎂,居第四位。由于鈦具有熔點高、比重小、比強度高、韌性好、抗疲勞、耐腐蝕、導熱系數低、高低溫度耐受性能好、在急冷急熱條件下應力小等特點,其商業價值在二十世紀五十年代開始被人們認識,被應用于航空、航天等高科技領域。隨著不斷向化工、石油、電力、海水淡化、建筑、日常生活用品等行業推廣,鈦金屬日益被人們重視,被譽為“現代金屬”和“戰略金屬”,是提高國防裝備水平不可或缺的重要戰略物資。
  衡量一個國家鈦工業規模有兩個重要指標:海綿鈦產量和鈦材產量,其中海綿鈦產量反映原料生產能力,鈦材產量反映的是深加工能力。鈦工業已形成中國、美國、獨聯體、日本和歐洲五大生產和消費主體。
  中國鈦工業于1954年起步,經過試驗研究、工業化生產的定點布局、應用推廣和不斷的技術進步逐步發展起來。特別是21世紀以來,在國家需求的拉動下,在改革開放政策的推動下,中國鈦工業更是突飛猛進。
  2011年是我國“十二五”規劃的第一年,在這一年里,我國海綿鈦和鈦加工材的產量繼續慣性增長。根據中國有色金屬工業協會鈦鋯鉿分會統計,國內14家海綿鈦生產企業2011年總產量為64952t,同比增加了12.4%。根據30家企業的統計,2011年中國共生產鈦加工材50962t,同比增長33.0%。
  鈦的強度大,純鈦抗拉強度最高可達180kg/mm2。有些鋼的強度高于鈦合金,但鈦合金的比強度(抗拉強度和密度之比)卻超過優質鋼。鈦合金有好的耐熱強度、低溫韌性和斷裂韌性,故多用作飛機發動機零件和火箭、導彈結構件。鈦合金還可作燃料和氧化劑的儲箱以及高壓容器。已有用鈦合金制造自動步槍,迫擊炮座板及無后座力炮的發射管。在石油工業上主要作各種容器、反應器、熱交換器、蒸餾塔、管道、泵和閥等。鈦可用作電極和發電站的冷凝器以及環境污染控制裝置。鈦鎳形狀記憶合金在儀器儀表上已廣泛應用。在醫療中,鈦可作人造骨頭和各種器具。鈦還是煉鋼的脫氧劑和不銹鋼以及合金鋼的組元。鈦白粉是顏料和油漆的良好原料。碳化鈦,氫化鈦是新型硬質合金材料。氮化鈦顏色近于黃金,在裝飾方面應用廣泛。
  鈦和鈦的合金大量用于航空工業,有"空間金屬"之稱;另外,在造船工業、化學工業、制造機械部件、電訊器材、硬質合金等方面有著日益廣泛的應用。
  此外,由于鈦合金還與人體有很好的相容性,所以鈦合金還可以作人造骨。
  鈦的抗腐蝕性根據實驗,鈦放入海底20~50年均不會被腐蝕。
鈦物理性質 
  鈦是鋼與合金中重要的合金元素,鈦的密度為4.506-4.516g/cm3(20℃),高于鋁而低于鐵、銅、鎳。但比強度位于金屬之首。熔點1668±4℃,熔化潛熱3.7-5.0千卡/克原子,沸點3260±20℃,汽化潛熱102.5-112.5千卡/克原子,臨界溫度4350℃,臨界壓力1130大氣壓。鈦的導熱性和導電性能較差,近似或略低于不銹鋼,鈦具有超導性,純鈦的超導臨界溫度為 0.38-0.4K。在25℃時,鈦的熱容為0.126卡/克原子·度,熱焓1149卡/克原子,熵為7.33卡/克原子·度,金屬鈦是順磁性物質,導磁率為1.00004。
  鈦具有可塑性,高純鈦的延伸率可達50-60%,斷面收縮率可達70-80%,但收縮強度低(即收縮時產生的力度)。鈦中雜質的存在,對其機械性能影響極大,特別是間隙雜質(氧、氮、碳)可大大提高鈦的強度,顯著降低其塑性。鈦作為結構材料所具有的良好機械性能,就是通過嚴格控制其中適當的雜質含量和添加合金元素而達到的。   
鈦化學性質
鈦化學反應
  鈦在較高的溫度下,可與許多元素和化合物發生反應。各種元素,按其與鈦發生不同反應可分為四類:
  第一類:鹵素和氧族元素與鈦生成共價鍵與離子鍵化合物;
  第二類:過渡元素、氫、鈹、硼族、碳族和氮族元素與鈦生成金屬間化物和有限固溶體;
  第三類:鋯、鉿、釩族、鉻族、鈧元素與鈦生成無限固溶體;
  第四類:惰性氣體、堿金屬、堿土金屬、稀土元素(除鈧外),錒、釷等不與鈦發生反應或基本上不發生反應。與化合物HF和氟化物氟化氫氣體在加熱時與鈦發生反應生成TiF4,反應式為
  Ti+4HF=TiF4+2H2+135.0千卡
  不含水的氟化氫液體可在鈦表面上生成一層致密的四氟化鈦膜,可防止HF浸入鈦的內部。氫氟酸是鈦的最強溶劑。即使是濃度為1%的氫氟酸,也能與鈦發生激烈反應:
  2Ti+6HF=2TiF3+3H2
  無水的氟化物及其水溶液在低溫下不與鈦發生反應,僅在高溫下熔融的氟化物與鈦發生顯著反應。 HCl和氯化物氯化氫氣體能腐蝕金屬鈦,干燥的氯化氫在>300℃時與鈦反應生成TiCl4
  Ti+4HCl=TiCl4+2H2+94.75千卡
  濃度<5%的鹽酸在室溫下不與鈦反應,20%的鹽酸在常溫下與鈦發生瓜在生成紫色的TiCl3
  2Ti+6HCl=2TiCl3+3H2
  當溫度長高時,即使稀鹽酸也會腐蝕鈦。各種無水的氯化物,如鎂、錳、鐵、鎳、銅、鋅、汞、錫、鈣、鈉、鋇和NH4+離子及其水溶液,都不與鈦發生反應,鈦在這些氯化物中具有很好的穩定性。硫酸和硫化氫鈦與5%的硫酸有明顯的反應,在常溫下,約40%的硫酸對鈦的腐蝕速度最快,當濃度大于40%,達到60%時腐蝕速度反而變慢,80%又達到最快。加熱的稀酸或50%的濃硫酸可與鈦反應生成硫酸鈦:
  Ti+H2SO4=TiSO4+H2
  2Ti+3H2SO4=Ti2(SO4)3+3H2
  加熱的濃硫酸可被鈦還原,生成SO2
  2Ti+6H2SO4=Ti2(SO4)3+3SO2+6H2O+202千卡
  常溫下鈦與硫化氫反應,在其表面生成一層保護膜,可阻止硫化氫與鈦的進一步反應。但在高溫下,硫化氫與鈦反應析出氫:
  Ti+H2S=TiS+H2+70千卡
  粉末鈦在600℃開始與硫化氫反應生成鈦的硫化物,在900℃時反應產物主要為TiS,1200℃時為Ti2S3。硝酸和王水 致密的表面光滑的鈦對硝酸具有很好的穩定性,這是由于硝酸能快速在鈦表面生成一層牢固的氧化膜,但是表面粗糙,特別是海綿鈦或粉末鈦,可與次、熱稀硝酸發生反應:
  3Ti+4HNO3+4H2O=3H4TiO4+4NO
  3Ti+4HNO3+H2O=3H2TiO3+4NO
  高于70℃的濃硝酸也可與鈦發生反應:
  Ti+8HNO3=Ti(NO3)4+4NO2+4H2O
  常溫下,鈦不與王水反應。溫度高時,鈦可與王水反應生成TiCl2。Ti+8HNO3=Ti(NO3)4+4NO2+4H2O 綜上所述,鈦的性質與溫度及其存在形態、純度有著極其密切的關系。致密的金屬鈦在自然界中是相當穩定的,但是,粉末鈦在空氣中可引起自燃。鈦中雜質的存在,顯著的影響鈦的物理、化學性能、機械性能和耐腐蝕性能。特別是一些間隙雜質,它們可以使鈦晶格發生畸變,而影響鈦的的各種性能。常溫下鈦的化學活性很小,能與氫氟酸等少數幾種物質發生反應,但溫度增加時鈦的活性迅速增加,特別是在高溫下鈦可與許多物質發生劇烈反應。鈦的冶煉過程一般都在800℃以上的高溫下進行,因此必須在真空中或在惰性氣氛保護下操作。金屬鈦的物理性質金屬鈦(Ti),灰色金屬。原子序數為22,相對原子質量47.87。核外電子在亞層中的排布情況為1S2 2S2 2P6 3S2 3P6 3d2 4S2。金屬活動性在鎂、鋁之間,常溫下并不穩定,因此在自然界中只以化合態存在,常見的鈦的化合物有鈦鐵礦(FeTiO3)、金紅石(TiO2)等。鈦在地殼中含量較高,排行第九,達5600ppm,換算成百分比為0.56%。純鈦密度為4.54×103kg/m3,摩爾體積為10.54cm3/mol,硬度較差,莫氏硬度只有4左右,因此延展性好。鈦的熱穩定性很好,熔點為1660±10℃,沸點為3287℃。金屬鈦的化學性質 金屬鈦在高溫環境中的還原能力極強,能與氧、碳、氮以及其他許多元素化合,還能從部分金屬氧化物(比如氧化鋁)中奪取氧。常溫下鈦與氧氣化合生成一層極薄致密的氧化膜,這層氧化膜常溫下不與硝酸,稀硫酸,稀鹽酸反應,以及酸中之王——王水。它與氫氟酸、濃鹽酸、濃硫酸反應。
鈦發展歷程
  鈦元素發現于1789年,1908年挪威和美國開始用硫酸法生產鈦白,1910年在試驗室中第一次用鈉法制得海綿鈦,1948年美國杜邦公司才用鎂法成噸生產海綿鈦---這標志著海綿鈦即鈦工業化生產的開始。
  中國鈦工業起步于20世紀50年代。1954年北京有色金屬研究總院開始進行海綿鈦制備工藝研究,1956年國家把鈦當作戰略金屬列入了12年發展規劃,1958年在撫順鋁廠實現了海綿鈦工業試驗,成立了中國第一個海綿鈦生產車間,同時在沈陽有色金屬加工廠成立了中國第一個鈦板帶加工材生產試驗車間。
  20世紀60-70年代,在國家的統一規劃下,先后建設了以遵義鈦廠為代表的10余家海綿鈦生產單位;在1967年在洛陽銅加工廠成立了中國第一個鈦管棒加工材生產試驗車間和第二條鈦板帶材生產試驗車間,并為主承擔了當時國內第一艘核潛艇、第一艘導彈驅逐艦及航空用鈦材的試制開發任務,直到1972年寶雞有色金屬加工廠建成投產后,洛陽銅加工將工藝資料移交北京有色研究總院,按照冶金部的專業劃分,不再承擔鈦材料的開發試制工作;以北京有色研究總院、沈陽鋁鎂院、撫順鋁廠、沈陽有色金屬加工廠、東北輕合金加工廠、洛陽銅加工廠等單位為主,援建了寶雞有色金屬加工廠和寶雞貴金屬所,從此按照行業劃分,以寶雞有色金屬加工廠和寶雞貴金屬所為主,承擔了國內大部分鈦加工材料的生產開發試制工作。同時中國也成為繼美國、前蘇聯和日本之后的第四個具有完整鈦工業體系的國家。
  1980年前后,中國海綿鈦產量達到2800噸,然而由于當時大多數人對鈦金屬認識不足,鈦材的高價格也限制了鈦的應用,鈦加工材的產量僅200噸左右,中國鈦工業陷入困境。在這種情況下,由當時國務院副總理方毅同志倡導,朱镕基和袁寶華同志支持,于1982年7月成立了跨部委的全國鈦應用推廣領導小組,專門協調鈦工業的發展事宜,促成了20世紀80年代至90年代初期中國海綿鈦和鈦加工材產銷兩旺、鈦工業快速平穩發展的良好局面。
  綜上所述,中國鈦工業大致經歷了三個發展期:即20世紀50年代的開創期,60-70年代的建設期和80-90年代的初步發展期。在新世紀,得益于國民經濟的持續、快速發展,中國鈦工業也進入了一個快速成長期。
  鈦耐腐蝕,所以在化學工業上常常要用到它。過去,化學反應器中裝熱硝酸的部件都用不銹鋼。不銹鋼也怕那強烈的腐蝕劑——熱硝酸,每隔半年,這種部件就要統統換掉。用鈦來制造這些部件,雖然成本比不銹鋼部件貴一些,但是它可以連續不斷地使用五年,計算起來反而合算得多。
  在電化學中,鈦是單向閥型金屬,電位很負,通常無法用鈦作為陽極進行分解。
  鈦的最大缺點是難于提煉。主要是因為鈦在高溫下化合能力極強,可以與氧、碳、氮以及其他許多元素化合。因此,不論在冶煉或者鑄造的時候,人們都小心地防止這些元素“侵襲”鈦。在冶煉鈦的時候,空氣與水當然是嚴格禁止接近的,甚至連冶金上常用的氧化鋁坩堝也禁止使用,因為鈦會從氧化鋁里奪取氧。人們利用鎂與四氯化鈦在惰性氣體——氦氣或氬氣中相作用,來提煉鈦。
  人們利用鈦在高溫下化合能力極強的特點,在煉鋼的時候,氮很容易溶解在鋼水里, 當鋼錠冷卻的時候,鋼錠中就形成氣泡,影響鋼的質量。所以煉鋼工人往鋼水里加進金屬鈦,使它與氮化合,變成爐渣一—氮化鈦,浮在鋼水表面,這樣鋼錠就比較純凈了。
  當超音速飛機飛行時,它的機翼的溫度可以達到500℃。如用比較耐熱的鋁合金制造機翼,一到二三百度也會吃不消,必須有一種又輕、又韌、又耐高溫的材料來代替鋁合金而鈦恰好能夠滿足這些要求。鈦還能經得住零下一百多度的考驗,在這種低溫下,鈦仍舊有很好的韌性而不發脆。
  利用鈦和鋯對空氣的強大吸收力,可以除去空氣,造成真空。比方,利用鈦制成的真空泵,可以把空氣抽到只剩下十萬億分之一。
鈦鈦的化合物
  鈦的氧化物為二氧化鈦,天然TiO2是金紅石,純凈的TiO2是雪白的粉末,是最好的白色顏料,俗稱鈦白,冷時為白色,熱時呈淺黃色。以前,人們開采鈦礦,主要目的便是為了獲得二氧化鈦。鈦白的粘附力強,不易起化學變化,永遠是雪白的,是極好的白色涂料,它折射率高,著色里強,遮蓋力大,化學性能穩定。其他白色涂料,如鋅白ZnO和鉛白2PbCO3·Pb(OH)2等,不具有鈦白的這些優良性能。特別可貴的是鈦白無毒。它的熔點很高,被用來制造耐火玻璃 ,釉料,琺瑯、陶土、耐高溫的實驗器皿等。
  二氧化鈦是世界上最白的東西, 1克二氧化鈦可以把 450多平方厘米的面積涂得雪白。它比常用的白顏料一—鋅鋇白還要白5倍,因此是調制白油漆的最好顏料。世界上用作顏料的二氧化鈦,一年多到幾十萬噸。二氧化鈦可以加在紙里,使紙變白并且不透明,效果比其他物質大10倍,因此,鈔票紙和美術品用紙就要加二氧化鈦。此外,為了使塑料的顏色變淺,使人造絲光澤柔和,有時也要添加二氧化鈦。在橡膠工業上,二氧化鈦還被用作為白色橡膠的填料。
  四氯化鈦非常有趣,它在通常狀況下為無色液體(熔點-25℃,沸點136.4℃),有刺鼻氣味,在濕空氣中便會大冒白煙——它水解了,變成白色的二氧化鈦的水凝膠。在水中則強烈水解為偏鈦酸HTiO。在軍事上,人們便利用四氯化鈦的這股怪脾氣,作為人造煙霧劑。特別是在海洋上,水氣多,一放四氯化鈦,濃煙就象一道白色的長城,擋住了敵人的視線。在農業上,人們利用四氟化鈦來防霜。
  TiCl是紫色晶體,其水溶液可用做還原劑。Ti3+比Sn2+有更強的還原性 。
  鈦酸鋇晶體有這樣的特性:當它受壓力而改變形狀的時候,會產生電流,一通電又會改變形狀。于是,人們把鈦酸鋇放在超聲波中,它受壓便產生電流,由它所產生的電流的大小可以測知超聲波的強弱。相反,用高頻電流通過它,則可以產生超聲波。幾乎所有的超聲波儀器中,都要用到鈦酸鋇。除此之外,鈦酸鋇還有許多用途。例如:鐵路工人把它放在鐵軌下面,來測量火車通過時候的壓力;醫生用它制成脈搏記錄器。用鈦酸鋇做的水底探測器,是銳利的水下眼睛,它不只能夠看到魚群,而且還可以看到水底下的暗礁、冰山和敵人的潛水艇等。
  冶煉鈦時,要經過復雜的步驟。把鈦鐵礦變成四氯化鈦,再放到密封的不銹鋼罐中,充以氬氣,使它們與金屬鎂反應,就得到“海綿鈦”。這種多孔的“海綿鈦”是不能直接使用的,還必須把它們在電爐中融化成液體,才能鑄成鈦錠。但制造這種電爐又談何容易!除了電爐的空氣必須抽干凈外,更傷腦筋的是,簡直找不到盛裝液態鈦的坩堝,因為一般耐火材料都含有氧化物,而其中的氧就會被液態鈦奪走。后來,人們終于發明了一種“水冷銅坩堝”的電爐。這種電爐只有中央一部分區域很熱,其余部分都是冷的,鈦在電爐中熔化后,流到用水冷卻的銅坩堝壁上,馬上凝成鈦錠。用這種方法已經能夠生產幾噸重的鈦塊,但它的成本就可想而知了。
鈦發現過程
  鈦是英國化學家格雷戈爾(Gregor R W ,1762—1817。)在1791年研究鈦鐵礦和金紅石時發現的。四年后,1795年,德國化學家克拉普羅特(Klaproth M H ,1743—1817。)在分析匈牙利產的紅色金紅石時也發現了這種元素。他主張采取為鈾(1789年由克拉普羅特發現的)命名的方法,引用希臘神話中泰坦神族“Titanic”的名字給這種新元素起名叫“Titanium”。中文按其譯音定名為鈦。
  格雷戈爾和克拉普羅特當時所發現的鈦是粉末狀的二氧化鈦,而不是金屬鈦。因為鈦的氧化物極其穩定,而且金屬鈦能與氧、氮、氫、碳等直接激烈地化合,所以單質鈦很難制取。直到1910年才被美國化學家亨特(Hunter M A)第一次制得純度達99.9%的金屬鈦。
鈦地理分布
  中國鈦資源總量9.65億噸,居世界之首,占世界探明儲量的38.85%,主要集中在四川、云南、廣東、廣西及海南等地,其中攀西(攀枝花西昌)地區是中國最大的鈦資源基地,鈦資源量為8.7億噸。
  鈦磁鐵礦巖礦:主要礦床分布在四川省攀枝花的鹽邊紅格和米易白馬,西昌的太和;河北省承德的大廟、黑山,豐寧的招兵溝,崇禮的南天門;山西省左權的桐峪;陜西省洋縣的畢機溝;新疆的尾亞;河南省舞陽的趙案莊;廣東省興寧的霞嵐;黑龍江省的呼瑪;北京市昌平的上莊和懷柔的新地。其中四川省表內儲量(TiO2 44256.32萬t)占全國同類儲量(TiO2  46522.83萬t)的95.1%,河北?。═iO2 1544.46萬t)占3.3%,陜西省占0.46%,山西省占0.35%。
  金紅石巖礦 主要礦床分布在湖北省棗陽的大阜山;山西省代縣的碾子溝;河南省新縣的楊沖;山東省萊西縣的劉家莊。其中湖北省金紅石(TiO2)表內儲量(534.43萬t)占全國同類儲量(750.86萬t)的71.2%,山西?。?54.79萬t)占20.6%,陜西?。?4.4萬t)占5.9%。
鈦主要特性
  工業純鈦:工業純鈦的雜質含量較化學純鈦要多,因此其強度、硬度也稍高,其力學性能及化學性能與不銹鋼相近,比起鈦合金純鈦強度較好,在抗氧化性方面優于奧氏體不銹鋼,但耐熱性較差,TA1、TA2、TA3依次雜質含量增高,機械強度、硬度依次增強,但塑性韌性依次下降。
  β 型鈦:β型鈦合金屬可熱處理強化,合金強度高、焊接性、壓力加工性良好,但性能不穩定,且熔煉工藝復雜?! ?br />         A、β鈦板:0.5-4.0mm
  B、眼鏡板(純鈦):0.8-8.0mm
  C、標板(純鈦):1 x 2m 厚度:0.5-20mm
  D、電鍍及其它行業用板(純鈦):0.1-50mm
  用途:電子、化工、鐘表、眼鏡、首飾、體育用品、機械設備、電鍍設備、環保設備、高爾夫球及精密加工等行業?! ?br /> 鈦管規格:φ6-φ120mm 壁厚:0.3-3.0mm
  鈦管用途:環保設備、冷卻管、鈦發熱管、電鍍設備、戒指及各種精密電器用管等行業。
  A、β鈦絲規格:φ0.8-φ6.0mm
  B、眼鏡鈦絲規格:φ1.0-φ6.0mm專用鈦絲
  C、鈦絲規格:φ0.2-φ8.0mm掛具專用
  鈦絲用途:軍工、醫用、體育用品、眼鏡、耳環、頭飾、電鍍掛具、焊絲等行業?! ?br />         A、方棒規格:方條:8-12mm
  B、磨光圓棒:φ4-φ60mm
  C、毛棒、黑皮棒:φ6-φ120mm
  鈦棒用途:主要用于機械設備、電鍍設備、醫用、各種精密機件等行業。
鈦冶煉方法
  制取金屬鈦的原料主要為金紅石,其中含TiO2大于96%。缺少金紅石礦的國家,例如蘇聯,則采用鈦鐵礦制成的"高鈦渣",其中含TiO290%左右。因天然金紅石漲價和儲量日減,各國都趨向于用鈦鐵礦制成富鈦料,即高鈦渣和人造金紅石。
制取鈦流程
       鈦在1791年被發現,而第一次制得純凈的鈦卻是在1910年,中間經歷了一百余年。原因在于:鈦在高溫下性質十分活潑,很易和氧、氮、碳等元素化合,要提煉出純鈦需要十分苛刻的條件。
  工業上常用硫酸分解鈦鐵礦的方法制取二氧化鈦,再由二氧化鈦制取金屬鈦。濃硫酸處理磨碎的鈦鐵礦(精礦),發生下面的化學反應:
  FeTiO3+3H2SO4 == Ti(SO4)2+FeSO4+3H2O
  FeTiO3+2H2SO4 == TiOSO4+FeSO4+2H2O
  FeO+H2SO4 == FeSO4+H2O
  Fe2O3+3H2SO4 ==Fe2(SO4)3+3H2O
  為了除去雜質Fe2(SO4)3,加入鐵屑,Fe3+還原為Fe2+,然后將溶液冷卻至273K以下,使得FeSO4·7H2O(綠礬)作為副產品結晶析出。
  Ti(SO4)2和TiOSO4水解析出白色的偏鈦酸沉淀,反應是:
  Ti(SO4)2+H2O == TiOSO4+H2SO4
  TiOSO4+2H2O == H2TiO3+H2SO4
  鍛燒偏鈦酸即制得二氧化鈦:
  H2TiO3== TiO2+H2O
  工業上制金屬鈦采用金屬熱還原法還原四氯化鈦。將TiO2(或天然的金紅石)和炭粉混合加熱至1000~1100K,進行氯化處理,并使生成的TiCl4,蒸氣冷凝。
  TiO2+2C+2Cl2=TiCl4+2CO
  在1070K 用熔融的鎂在氬氣中還原TiCl4可得多孔的海綿鈦:
  TiCl4+2Mg=2MgCl2+Ti
  這種海綿鈦經過粉碎、放入真空電弧爐里熔煉,最后制成各種鈦材。
  也可以通過反應:Ti+2CI2=TiCI4
  得到的TiCI4經過高溫(1250℃左右)情況下分解:
  TiCI4=Ti+2CI2
  由此得到純鈦棒。
  鈦及鈦合金的特性、用途
  純鈦是銀白色的金屬,它具有許多優良性能。鈦的密度為4.54g/cn3,比鋼輕43% ,比久負盛名的輕金屬鎂稍重一些。機械強度卻與鋼相差不多,比鋁大兩倍,比鎂大五倍。鈦耐高溫,熔點1942K,比黃金高近1000K ,比鋼高近500K。
  鈦屬于化學性質比較活潑的金屬。加熱時能與O2、N2、H2、S和鹵素等非金屬作用。但在常溫下,鈦表面易生成一層極薄的致密的氧化物保護膜,可以抵抗強酸甚至王水的作用,表現出強的抗腐蝕性。因此,一般金屬在酸、堿、鹽的溶液中變得千瘡百孔而鈦卻安然無恙。
  液態鈦幾乎能溶解所有的金屬,因此可以和多種金屬形成合金。鈦加入鋼中制得的鈦鋼堅韌而富有彈性。鈦與金屬Al、Sb、Be、Cr、Fe等生成填隙式化合物或金屬間化合物。
  鈦合金制成飛機比其它金屬制成同樣重的飛機多載旅客100多人。制成的潛艇,既能抗海水腐蝕,又能抗深層壓力,其下潛深度比不銹鋼潛艇增加80%。同時,鈦無磁性,不會被水雷發現,具有很好的反監護作用。
  鈦具有“親生物”性。在人體內,能抵抗分泌物的腐蝕且無毒,對任何殺菌方法都適應。因此被廣泛用于制醫療器械,制人造髖關節、膝關節、肩關節、脅關節、頭蓋骨,主動心瓣、骨骼固定夾。當新的肌肉纖維環包在這些“鈦骨”上時,這些鈦骨就開始維系著人體的正?;顒?。
  鈦在人體中分布廣泛,正常人體中的含量為每70kg體重不超過15mg,其作用尚不清楚。但鈦能刺激吞噬細胞,使免疫力增強這一作用已被證實。
  鈦的化合物及用途
  重要的鈦化合物有:二氧化鈦(TiO2)、四氯化鈦(TiCl4)、偏鈦酸鋇(BaTiO3)。
  純凈的二氧化鈦是白色粉末,是優良的白色顏料,商品名稱“鈦白”。它兼有鉛白(PbCO3)的遮蓋性能和鋅白(ZnO)的持久性能。因此,人們常把鈦白加在油漆中,制成高級白色油漆;在造紙工業中作為填充劑加在紙槳中;紡織工業中作為人造纖維的消光劑;在玻璃、陶瓷、搪瓷工業上作為添加劑,改善其性能;在許多化學反應中用作催化劑。在化學工業日益發展的今天,二氧化鈦及鈦系化合物作為精細化工產品,有著很高的附加價值,前景十分誘人。
  四氯化鈦是一種無色液體;熔點250K、沸點409K,有刺激性氣味。它在水中或潮濕的空氣中都極易水解,冒出大量的白煙。
  TiCl4+3H2O == H2TiO3+4HCl
  因此TiCl4在軍事上作為人造煙霧劑,猶其是用在海洋戰爭中。在農業上,人們用TiCl4形成的濃霧地面,減少夜間地面熱量的散失,保護蔬菜和農作物不受嚴寒、霜凍的危害。
  將TiO2和BaCO3一起熔融制得偏鈦酸鋇:
  TiO2+BaCO3 == BaTiO3十CO2
  人工制得的BaTiO3具有高的介電常數,由它制成的電容器有較大的容量,更重要的是BaTiO3具有顯著的“壓電性能”,其晶體受壓會產生電流,一通電,又會改變形狀。人們把它置于超聲波中,它受壓便產生電流,通過測量電流強弱可測出超聲波強弱。幾乎所有的超聲波儀器中都要用到它。隨著鈦酸鹽的開發利用,它愈來愈廣泛地用來制造非線性元件、介質放大器、電子計算機記憶元件、微型電容器、電鍍材料、航空材料、強磁、半導體材料、光學儀器、試劑等。
  鈦、鈦合金及鈦化合物的優良性能促使人類迫切需要它們。然而,生產成本之高,使應用受到限制。我們相信在不久的將來,隨著鈦的冶煉技術不斷改進和提高,鈦、鈦合金及鈦的化合物的應用將會得到更大的發展。
  鈦產品:
  鈦及鈦合金是極其重要的輕質結構材料,在航空、航天、車輛工程、生物醫學工程等領域具有非常重要的應用價值和廣闊的應用前景。
  類型:碘化鈦,工業純鈦, α 型鈦, β 型鈦, α +β型鈦
鈦應急處置
  皮膚接觸:脫去污染的衣著,用肥皂水和清水徹底沖洗皮膚。
  眼睛接觸(粉末):提起眼瞼,用流動清水或生理鹽水沖洗。就醫。
  吸入(粉末):迅速脫離現場至空氣新鮮處。保持呼吸道通暢。如呼吸困難,給輸氧。如呼吸停止,立即進行人工呼吸。就醫。
  食入:飲足量溫水,催吐。就醫。
  呼吸系統防護:可能接觸其粉塵時,必須佩戴自吸過濾式防塵口罩。
  眼睛防護(粉末):戴安全防護眼鏡。
  身體防護:穿透氣型防毒服。
  手防護:戴防毒物滲透手套。
  其他防護:工作現場禁止吸煙、進食和飲水。工作完畢,淋浴更衣。注意個人清潔衛生。
  泄漏應急處理:隔離泄漏污染區,限制出入。切斷火源。建議應急處理人員戴防塵面具(全面罩),穿防毒服。不要直接接觸泄漏物。小量泄漏:避免揚塵,用潔凈的鏟子收集于干燥、潔凈、有蓋的容器中。轉移回收。大量泄漏:用塑料布、帆布覆蓋。使用無火花工具轉移回收。
  有害燃燒產物:氧化鈦。
  滅火方法:采用干粉、干砂滅火。嚴禁用水、泡沫、二氧化碳撲救。高熱或劇烈燃燒時,用水撲救可能會引起爆炸。
  ·管理信息庫
  操作的管理:密閉操作,局部排風。操作人員必須經過專門培訓,嚴格遵守操作規程。建議操作人員佩戴自吸過濾式防塵口罩,戴安全防護眼鏡,穿透氣型防毒服,戴防毒物滲透手套。遠離火種、熱源,工作場所嚴禁吸煙。使用防爆型的通風系統和設備。避免產生粉塵。避免與氧化劑、酸類、鹵素接觸。在氬氣中操作處置。搬運時要輕裝輕卸,防止包裝及容器損壞。配備相應品種和數量的消防器材及泄漏應急處理設備。倒空的容器可能殘留有害物。
  儲存的管理:為安全起見,儲存時常以不少于25%的水潤濕、鈍化。儲存于陰涼、通風的庫房。遠離火種、熱源。庫溫不超過30℃,相對濕度不超過80%。保持容器密封,嚴禁與空氣接觸。應與氧化劑、酸類、鹵素等分開存放,切忌混儲。配備相應品種和數量的消防器材。儲區應備有合適的材料收容泄漏物。
  運輸的管理:運輸時運輸車輛應配備相應品種和數量的消防器材及泄漏應急處理設備。裝運該品的車輛排氣管須有阻火裝置。運輸過程中要確保容器不泄漏、不倒塌、不墜落、不損壞。嚴禁與氧化劑、酸類、鹵素、食用化學品等混裝混運。運輸途中應防曝曬、雨淋,防高溫。中途停留時應遠離火種、熱源。車輛運輸完畢應進行徹底清掃。鐵路運輸時要禁止溜放。
  廢棄的管理:恢復材料的原狀態,以便重新使用。
  ·毒理學資料庫
  急性毒性:金屬鈦、二氧化鈦和碳化鈦屬低毒類。大鼠一次氣管內注入20-50mg二氧化鈦和兔注入400 mg后肺部無特異反應。
  亞急性和慢性毒性:大鼠氣管內注入氫化鈦后6和12個月,只見肺纖維化效應。大鼠吸入二氧化鈦塵每天4次,每周5 d,歷時13個月,停止吸入后7個月,肺無任何病理反應;但豚鼠反復吸入二氧化鈦觀察到纖維化效應和嗜酸性自細胞浸潤。氣管內注入金屬鈦無肺纖維化發生。大鼠氣管內一次注入氫化鈦、碳化鈦、硼化鈦和一氮化鈦后觀察到肺部輕度纖維化。大鼠吸入氫化鈦16個月亦見輕度纖維化。
  代謝:人體一般飲食中每日約攝入300μg鈦,大部分從糞排出,其中約3%吸收入血液。進入體內的鈦蓄積于脾、腎上腺、橫紋肌、肺、皮膚及肝臟等部位。吸收入體內的鈦主要由尿排出。正常人血漿中鈦濃度約3μg/dl,尿鈦濃度為10μg/L左右。
  中毒機理:金屬鈦,氧化鈦,碳化鈦(titanium carbonide)等不溶性鈦毒性低,口服吸收量少,不顯示毒性反應。金屬鈦植入機體未見有病理反應。吸入鈦的不溶性化合物,未見肺部有嚴重損害,其致纖維化作用甚微。用含鈦飲水長期飼養動物未見對生長發育有影響,也未見腫瘤發生。
  致癌性:大鼠肌肉注射溶于三辛素的鈦金屬粉,引起纖維肉瘤和淋巴肉瘤增加。注射有機鈦,注射部位出現纖維肉瘤,發生肝細胞瘤和脾的惡性淋巴瘤。鈦塊沒有致癌性,給病人安裝鈦制人造關節兩周後,未出現腫瘤細胞。
  燃爆危險:該品可燃,具刺激性。
  ·應急醫療庫
  主要用途及接觸機會:鈦用于制造特種鋼、合金、鈦陶瓷及玻璃纖維。金屬鈦也用于飛機、導彈制造及原子反應堆。還用于生產耐火材料、焊條、建筑材料和塑料等。上述工業中可接觸金屬鈦,二氧化鈦的粉塵和煙塵。四氯化鈦及其部分水解物,還常夾雜氯及其氧化物。在機械處理金屬鈦過程中也接觸鈦氧化物的煙塵。
  侵入途徑:吸入、食入。
  人體危害:吸入后對上呼吸道有刺激性,引起咳嗽、胸部緊束感或疼痛。長期吸入TiO2粉塵的工人,肺部無任何變化。在生產鈦金屬過程,接觸四氯化鈦及其水解產物對眼和上呼吸道粘膜有刺激作用。長期作用可形成慢性支氣管炎。TiO2曾用作閃光灼傷的皮膚防護劑,未見產生接觸性皮炎、變態反應和經皮吸收。100℃氯氮化鈦的飛濺和吸入鈦酸及氯氮化鈦煙引起皮膚燒傷并致疤痕形成和咽、聲帶、氣管粘膜充血,由于形成瘢痕引起喉狹窄。眼短期接觸氯氮化鈦引起結膜炎和角膜炎。此外,四氯化鈦吸入可引起彌散性支氣管內息肉。
  處理原則:皮膚接觸四氯化鈦后應盡快用軟紙或布擦掉,然后用水沖洗,防止四氯化鈦遇水放出大量熱及鹽酸,加重及擴大灼傷范圍。吸入四氯化鈦應立即霧化吸入5%碳酸氫鈉溶液,以中和四氯化鈦水解產生的鹽酸;吸氧、保持呼吸進通暢.安靜休息,減少氧的消耗;早期給予足量糖皮質激素,并給抗生素預防繼發感染及抗支氣管痙攣藥物、祛痰藥對癥治療。嚴密觀察,防治肺水腫。
  預防措施:接觸四氯化鈦及其水解產物的工種,應注意皮膚、粘膜和呼吸道的防護。產生鈦及其化合物粉塵的工作地點,亦須加強防塵措施。大量微小鈦粉塵可著火爆炸,因此鈦的生產、澆鑄、加工應有良好通風防塵設施,及應有防火防爆設備。四氯化鈦生產過程應盡量密閉,防止其煙氣逸出及“跑、冒、滴、漏”。加強個人防護,四氯化鈦生產設備開蓋、清洗、維修時應截防毒面其、防護眼鏡。穿防酸防護衣帽。定期對接觸四氯化鈦的生產工人進行休檢,有慢性呼吸道疾病患者不能從事接觸四氯化鈦的工作。
鈦十大性能
  密度小,比強度高
  金屬鈦的密度為4.51g/cm3,高于鋁而低于鋼、銅、鎳,但比強度位于金屬之首。
鈦耐腐蝕性能
  鈦是一種非?;顫姷慕饘?,其平衡電位很低,在介質中的熱力學腐蝕傾向大。但實際上鈦在許多介質中很穩定,如鈦在氧化性、中性和弱還原性等介質中是耐腐蝕的。這是因為鈦和氧有很大的親和力,在空氣中或含氧的介質中,鈦表面生成一層致密的、附著力強、惰性大的氧化膜,保護了鈦基體不被腐蝕。即使由于機械磨損也會很快自愈或重新再生。這表明了鈦是具有強烈鈍化傾向的金屬。介質溫度在315℃以下鈦的氧化膜始終保持這一特性。
  為了提高鈦的耐蝕性,研究出氧化、電鍍、等離子噴涂、離子氮化、離子注入和激光處理等表面處理技術,對鈦的氧化膜起到了增強保護性作用,獲得了所希望的耐腐蝕效果。針對在硫酸、鹽酸、甲胺溶液、高溫濕氯氣和高溫氯化物等生產中對金屬材料的需要 ,開發出鈦-鉬、鈦-鈀、鈦-鉬-鎳等一系列耐蝕鈦合金。鈦鑄件使用了鈦-32鉬合金,對常發生縫隙腐蝕或點蝕的環境使用了鈦-0.3鉬-0.8鎳合金或鈦設備的局部使用了鈦-0.2鈀合金,均獲得了很好的使用效果。
鈦耐熱性能好
  新型鈦合金可在600℃或更高的溫度下長期使用。
鈦耐低溫性能好
  鈦合金TA7(Ti-5Al-2.5Sn),TC4(Ti-6Al-4V)和Ti-2.5Zr-1.5Mo等為代表的低溫鈦合金,其強度隨溫度的降低而提高,但塑性變化卻不大。在-196-253℃低溫下保持較好的延性及韌性,避免了金屬冷脆性,是低溫容器,貯箱等設備的理想材料。
鈦抗阻尼性能強
  金屬鈦受到機械振動、電振動后,與鋼、銅金屬相比,其自身振動衰減時間最長。利用鈦的這一性能可作音叉、醫學上的超聲粉碎機振動元件和高級音響揚聲器的振動薄膜等。
鈦無磁性、無毒
  鈦是無磁性金屬,在很大的磁場中也不會被磁化,無毒且與人體組織及血液有好的相溶性,所以被醫療界采用。
  抗拉強度與其屈服強度接近
  鈦的這一性能說明了其屈強比(抗拉強度/屈服強度)高,表示了金屬鈦材料在成形時塑性變形差。由于鈦的屈服極限與彈性模量的比值大,使鈦成型時的回彈能力大。
鈦換熱性能好
  金屬鈦的導熱系數雖然比碳鋼和銅低,但由于鈦優異的耐腐蝕性能,所以壁厚可以大大減薄,而且表面與蒸汽的換熱方式為滴狀冷凝,減少了熱組,鈦表面不結垢也可減少熱阻,使鈦的換熱性能顯著提高。
鈦彈性模量低
  鈦的彈性模量在常溫時為106.4GPa,為鋼的57%。
鈦吸氣性能
  鈦是一種化學性質非?;顫姷慕饘?,在高溫下可與許多元素和化合物發生反應。鈦吸氣主要指高溫下與碳、氫、氮、氧發生反應。
鈦超高純鈦
  2014年9月,中國第一爐“電子級低氧超高純鈦”已在浙江省余姚市成功研發投產,一舉打破了國外的壟斷。低氧超高純鈦主要應用在半導體用濺射靶材、航空航天、海洋石油等核心工業領域,戰略意義重大。特別值得一提的是,超高純鈦是中國自主大飛機項目的重要原材料保證。
  

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