티타늄은 어떻게 제련되나요?

"우주 금속"으로 알려진 원소인 티타늄은 독특한 물리적, 화학적 특성으로 항공, 항공우주, 의학 및 기타 분야에서 대체할 수 없는 역할을 합니다. 그렇다면 티타늄은 어떻게 깊은 지하 광석에서 추출될까요? 다음으로, 이 티타늄 제련 여정을 함께 시작해 봅시다.

1. 티타늄의 원료
금속 티타늄을 만드는 원료는 주로 루틸이며, 루틸은 이산화티타늄을 96% 이상 함유하고 있습니다. 루틸 광산이 없는 나라는 일메나이트로 만든 "고 티타늄 슬래그"를 사용하는데, 일메나이트는 이산화티타늄을 약 90% 함유하고 있습니다. 천연 루틸의 가격 상승과 매장량 감소로 인해, 나라들은 일메나이트를 사용하여 티타늄이 풍부한 재료, 즉 고 티타늄 슬래그와 인공 루틸을 만드는 경향이 있습니다. 티타늄은 1791년에 발견되었지만, 최초의 순수 티타늄은 1910년에 생산되었는데, 100년 이상 걸렸습니다. 그 이유는 티타늄이 고온에서 매우 활성적이고 산소, 질소, 탄소와 같은 원소와 결합하기 쉽기 때문입니다. 순수 티타늄을 추출하려면 매우 가혹한 조건이 필요합니다.

2. 티타늄 제련 단계
티타늄을 제련할 때는 복잡한 단계를 거칩니다. 일메나이트를 사염화 티타늄으로 만들고, 밀폐된 스테인리스 스틸 탱크에 넣고, 아르곤을 채우고, 마그네슘 금속과 반응시켜 "스펀지 티타늄"을 얻습니다. 이 다공성 "스펀지 티타늄"은 직접 사용할 수 없으며, 티타늄 주괴로 주조하기 전에 전기로에서 액체로 녹여야 합니다. 하지만 그런 전기로를 만드는 것은 얼마나 쉬운가요! 전기로의 공기를 배출해야 하는 것 외에도, 더 번거로운 것은 액체 티타늄을 위한 도가니를 찾는 것이 단순히 불가능하다는 것입니다. 일반적인 내화성 재료에는 산화물이 포함되어 있고, 그 안의 산소는 액체 티타늄에 의해 제거되기 때문입니다.

3. "수냉 구리 도가니"
나중에 사람들은 마침내 "수냉 구리 도가니"를 갖춘 전기로를 발명했습니다. 이 전기로는 중앙 영역의 일부만 매우 뜨겁고 나머지는 차갑습니다. 티타늄이 전기로에서 녹은 후 물로 냉각된 구리 도가니의 벽으로 흘러 즉시 티타늄 잉곳으로 응축됩니다. 이 방법은 수 톤 무게의 티타늄 블록을 생산할 수 있지만 그 비용은 상상할 수 있습니다.

4. 이산화티타늄의 산업적 추출
산업계에서 이산화티타늄은 종종 황산으로 일메나이트를 분해하여 생산한 다음 이산화티타늄에서 티타늄 금속을 생산합니다. 불순물 Fe2(SO4)3를 제거하기 위해 철분을 첨가하고 Fe3+을 Fe2+로 환원한 다음 용액을 273K 이하로 냉각하여 FeSO4·7H2O(녹색 황산염)를 부산물로 결정화합니다.

5. 이산화티타늄은 메타티탄산을 소성하여 이산화티타늄을 생성함으로써 생산된다. 티타늄 금속은 금속 열 환원에 의해 사염화티타늄을 환원시켜 산업적으로 생산된다. 이산화티타늄(또는 천연 루틸)과 탄소 분말을 혼합하여 1000-1100K로 가열하고 염소화한 후 생성된 TiCl4 증기를 응축시킨다.

6. 사염화티타늄은 마그네슘 금속에 의해 환원됩니다.
사염화티타늄은 불활성 가스에서 몰 비율로 마그네슘 금속에 의해 환원되고, 반응 온도는 약 900도로 제어되어 스펀지와 같은 티타늄을 생성합니다. 부산물인 염화마그네슘은 진공에서 1000도로 가열하여 티타늄에서 분리할 수 있습니다.

7. 정화
이산화티타늄은 1070K의 용융 마그네슘과 함께 아르곤에서 TiCl4로 환원되어 다공성 스펀지 티타늄을 생산할 수 있습니다. 이 스펀지 티타늄은 파쇄되고 진공 아크로에서 용융되어 최종적으로 다양한 티타늄 재료로 만들어집니다. 얻어진 TiCl4는 고온(약 1250도)에서 TiCl4=Ti+2Cl2로 분해되어 순수한 티타늄을 얻습니다.

티타늄 제련 과정 전체를 돌이켜보면, 우리는 인간의 지혜의 위대함에 한숨을 쉬지 않을 수 없습니다. 깊은 지하에 묻힌 광석에서 가볍고 튼튼한 금속 티타늄에 이르기까지, 모든 단계는 수많은 사람들의 지혜와 땀을 구현합니다. 이러한 평범해 보이는 노동자들의 노고 덕분에 귀금속 티타늄은 다양한 분야에서 널리 사용되고 인간 사회의 진보와 발전에 큰 기여를 할 수 있었습니다.