اولین فرآیند استحصال تیتانیوم به صورت خالص در سال ۱۹۰۶ توسط هانتر در آمریکا صورت گرفت. پس از آن در سال ۱۹۲۵ در هلند تیتانیوم برای اولین بار از تیتانیوم تتراکلرید به صورت خالص استحصال شد؛ امّا شروع استفاده گسترده از تیتانیوم با فرآیندی توسط کرول آغاز شد. او فلز تیتانیوم چقرمه را با واکنش دادن تیتانیو تتراکلرید با فلز منگنز در یک سیستم بسته با استفاده از اتمسفر گاز خنثی (آرگون) به دست آورد.
فناوری‌ها و فرآیندهای تولید فلز تیتانیوم و ترکیبات آن
از نظر اقتصادی تولید تیتانیوم از آلومینیم و فولاد پرهزینه‌تر است امّا سبک بودن آن به نسبت فولاد در کنار استحکام و مقاومت خوردگی بالای آن که سبب می‌شود هم محصول ساخته شده از آن سبک‌تر بوده و هم عمر طولانی‌تری داشته باشد، فرآیند تولید این فلز را از نظر اقتصادی نیز توجیه می‌کند. هزینه زیاد تولید این فلز به دلیل دشوار بودن استخراج آن از سنگ معدنی آن است و به همین دلیل است که از زمان اکتشاف این عنصر تا رسیدن به فرآیندی عملی برای استخراج آن حدود یک قرن و نیم زمان برده است. دو فرآیند گسترده و اقتصادی برای تولید این فلز، فرآیندهای هانتر و کرول هستند. تفاوت اصلی بین این دو روش، استفاده از فلز سدیم برای کاهش TiCl4 در فرآیند هانتر و استفاده از منیزیم به جای سدیم در فرآیند کرول است. فرآیندهای دیگری همانند الکترووینینگ (electrowinning) و فلوراید (fluoride) نیز معرفی شده‌اند امّا هنوز به صورت تجاری عملی نشده‌اند. به صورت کلی تمامی فرآیندهای تجاری برای کاهش اکسید به فلز تیتانیوم شامل سه مرحله می‌باشند:
- تولید تیتانیم تتراکلراید (TiCl4): تبدیل سنگ معدن اکسیدی به TiCl4 از طریق یک فرآیند کلریناسیون در حضور کربن
- کاهش تیتانیوم تتراکلراید به فلز تیتانیوم در حضور منیزیم یا سدیم (در مقیاسی کوچکتر، الکترولیز)
- خالص‌سازی تیتانیوم با تقطیر آن تحت خلا توسط یک گاز خنثی و یک لیچینگ به منظور زدودن نمک‌های باقیمانده
فلز به دست آمده طبق این فرآیندها، ساختاری متخلخل داشته و به همین دلیل به آن تیتانیوم اسفنجی (Sponge titanium) می‌گویند. یک نمونه تیتانیوم اسفنجی در شکل ۱ نشان داده شده است. تیتانیوم اسفنجی حاوی بیش از %۹۹ فلز تیتانیوم است، با آلیاژهای دیگر مخلوط و فشرده شده و ذوب می‌شود.
شکل ۱- تیتانیوم اسفنجی به دست آمده از کاهش TiCl4 توسط منیزیم.
فراوری و فرآیندهای غنی‌سازی کنسانتره معدنی تیتانیومی
ایلمنیت دارای ناخالصی‌هایی از جمله آهن، کروم، وانادیوم و غیره است. به منظور خارج ساختن این ناخالصی‌ها از فرآیندهایی برای غنی‌کردن TiO2 در سنگ معدن استفاده می‌شود. فرآیندهای صنعتی بیشتر شامل ذوب کردن الکتریکی برای تولید سرباره تیتانیومی و تولید روتیل مصنوعی (Synthetic rutile) می‌شود. از روتیل مصنوعی به عنوان ماده اولیه در تولید تیتانیوم تتراکلرید و فلز تیتانیوم استفاده می‌شود. سنگ معدن ایلمنیت حاوی %۶۰-۴۰ TiO2 است و مابقی بیشتر شامل اکسید آهن می‌شود. به منظور غنی کردن آن در ابتدا نیاز به یک واکنش شیمیایی است چرا که به صورت فیزیکی این کار بسیار دشوار است. انواع فرآیندهای غنی‌سازی امروزه عبارت‌اند از:
- ذوب‌کردن به همراه کک یا زغال در یک کوره الکتریکی
- کلریناسیون انتخابی ایلمنیت با استفاده از هیدروکلریک اسید یا ترکیبی از کلر و مونوکسید کربن تحت دما و فشار بالا.
- سولفیده کردن ایلمنیت در H2SO4، H2S، سدیم سولفید با استفاده از بخار کربن یا گوگرد تحت دما و فشار بالا.
- کاهش اکسید آهن با استفاده از یک کاتالیست در حالت جامد و خارج کردن اکسید در شکل دوغاب.
انواع فرآیندهای غنی‌سازی ایلمنیت در شکل ۲ نشان داده شده است. ایلمنیت در واقع سنگ معدن تیتانیوم با فرمول FeO.TiO2 است. به صورت کلی اکتیویته آهن از TiO2 در مواجهه با عوامل کاهنده بیشتر است و همین سبب می‌شود در فرآیند ذوب به راحتی از سنگ معدن جدا شود و کنسانتره اکسید تیتانیوم باقی بماند که به آن سرباره تیتانیومی می‌گویند. عوامل کاهنده که برای این کار استفاده شده‌اند شامل کربن، هیدروژن، کربن مونوکسید یا ترکیبی از این دو بوده است. سرباره تیتانیومی حاوی ایلمنیت واکنش نداده، اکسید تیتانیوم و سایر اکسید ناخالصی‌هاست. پس از خنک شدن مذاب، به دلیل تفاوت در ظرفیت حرارتی و ضریب انقباض، سرباره تیتانیوم از آهن جدا می‌شود. آهن باقیمانده در سرباره نیز به وسیله خردایش و جداسازی مغناطیسی جدا شده تا در نهایت سرباره تیتانیوم به دست آید.
شکل ۲- انواع فرآیندهای غنی‌سازی ایلمنیت.