Процесс Кролла — это пирометаллургический промышленный процесс, используемый для производства металлического титана из тетрахлорида титана . С 2001 года процесс Уильяма Джастина Кролла заменил процесс Хантера почти для всего коммерческого производства. [1]
В процессе Кролла тетрахлорид титана восстанавливается жидким магнием с получением металлического титана:
Восстановление проводят при температуре 800–850 °C в реторте из нержавеющей стали . [2] [3] Осложнения возникают из-за частичного восстановления TiCl 4 , приводящего к образованию низших хлоридов TiCl 2 и TiCl 3 . MgCl 2 может быть далее очищен обратно до магния.
Полученная пористая металлическая титановая губка очищается выщелачиванием или вакуумной дистилляцией . Губка измельчается и прессуется перед тем, как ее расплавят в вакуумной дуговой печи с расходным угольным электродом , «заполненной чистым геттерированным аргоном под давлением, достаточно высоким, чтобы избежать тлеющего разряда». [4] Расплавленный слиток оставляют затвердевать в вакууме . Его часто переплавляют, чтобы удалить включения и обеспечить однородность. Эти этапы плавки увеличивают стоимость продукта. Титан примерно в шесть раз дороже нержавеющей стали: Поттер отметил в 2023 году, что «титан просто принципиально сложен и дорог в обращении. Превращение титановых слитков в прутки и листы является проблемой из-за реакционной способности титана: он легко поглощает примеси, требуя «частого удаления поверхности и обрезки для устранения поверхностных дефектов», которые «дорогостоят и влекут за собой значительную потерю выхода». Сопутствующие процессы, которые превращают губку Кролла в полезный металл, «мало изменились с 1950-х годов». [5]
Многие методы применялись для производства титанового металла, начиная с отчета 1887 года Нильсена и Петтерсена с использованием натрия, который был оптимизирован в коммерческий процесс Хантера . В этом процессе (который перестал быть коммерческим в 1990-х годах) TiCl 4 восстанавливается до металла натрием . [3]
В 1920-х годах Антон Эдуард ван Аркель, работавший в компании Philips NV, описал термическое разложение тетраиодида титана, в результате которого получался титан высокой чистоты.
Было обнаружено, что тетрахлорид титана восстанавливается водородом при высоких температурах, образуя гидриды, которые можно термически перерабатывать до чистого металла.
Используя эти три идеи в качестве основы, Кролл в Люксембурге разработал как новые восстановители, так и новое устройство для восстановления тетрахлорида титана. Его высокая реакционная способность по отношению к следовым количествам воды и других оксидов металлов представляла собой проблему. Значительный успех пришел с использованием кальция в качестве восстановителя, но полученная смесь все еще содержала значительные примеси оксидов. [6] О крупном успехе использования магния при 1000 °C с использованием реактора с молибденовой оболочкой Кролл сообщил Электрохимическому обществу в Оттаве. [7] Титан Кролла был очень пластичным, что отражало его высокую чистоту.
Процесс Кролла вытеснил процесс Хантера и продолжает оставаться доминирующей технологией производства металлического титана, а также движущей силой большей части мирового производства металлического магния. [ необходима цитата ]
Переехав в США, Кролл продолжил разработку метода производства циркония в исследовательском центре Олбани . [4]
![{\displaystyle {\ce {{TiCl4}+2{Mg}->[825~^{\circ }\mathrm {C} ]{Ti}+2{MgCl2}}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/7d826ac7cb4b773190ee850f55d69e9986adf4ad)