钛的应用及金属钛的制备工艺
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阴极还原反应 ：TiO2+4e-=Ti+2O2 阳极氧化反应 ：2O2--4e-=O2 总反应 ：TiO2=Ti+O2
2.4 电化学还原法 电化学还原法是将钛中固溶氧的浓度降到检出界限以下 。 [18]
D.G. 等人认为除氧的过程中，O2 以 CO2 或 CO 的形式析出，钙
[6] 姜保国 , 付忠国 , 张殿英 . 纯钛金属板螺钉内固定治疗锁骨骨折 [J]. 中国矫形 外科杂志 ,2000(12):89-90,100.
[7] 张艳成 . 钛及钛合金材料在建筑上的应用现状和前景分析 [J]. 稀有金属与硬质 合金 ,2013,41(05):36-38,61.
[8] 钛合金在三大领域的应用现状及前景展望 [J]. 利泰金属 . [9] 黄晓艳 , 刘波 , 李雪 . 钛合金在军事上的应用 [J]. 轻金属 ,2005(09):51-53. [10] O.Schauerte,Titanium in automotive production.Advanced Engineering
2.3 电解精炼法 电解精炼法主要是以钛或其合金为可溶性阳极，以铜棒为
阴极，在熔盐电解质中进行电解，从而提纯钛金属。该工艺能有 效除去杂质气体以及碳、硅等非金属杂质和铁、锡、钼等金属杂 质 [17]。陈付时 [17] 采用电解精炼法在离子浓度为 3%~6% 的电解质 溶液中，其平均价 2.2~2.3，初始阴极电流密度为 0.3~1.5A/cm2， 阳极电流密度为小于 4.5A/cm2 电解温度为 1073~1123K 时提取 效果较好。电解反应如下 ：
钛具有良好的耐热性使得钛金属在航空航天领域和军工领域 都有诸多的应用。金属钛及其合金是制造高温部件的重要材料。 如飞机发动机、燃烧室、涡轮盘、涡轮轴 [8] 以及火箭和飞机的喷 口等大多由钛及其合金制得。钛作为一种极好的绝热材料，热导 率仅为铁的 1/5，铝的 1/10，使得钛成为能源效率极高的材料。 1.4 耐蚀性
[4] Kraft E.H.Summary of emerging Titanium cost reduction technologies[c].Low Cost Titanium Workshop,Baltimore.MD.2003.
[5] 范德增 , 莫宣学 , 翁润生 , 秦飞 . 钛及钛合金在医学上的应用研究 [J]. 口腔材料 器械杂志 ,1999(01):46-48.
[2] 范德增 , 莫宣学 , 翁润生 , 秦飞 . 钛及钛合金在医学上的应用研究 [J]. 口腔材料 器械杂志 ,1999(01):46-48.
[3] 李 献 军 , 王 镐 , 马 忠 贤 . 钛 在 舰 船 领 域 的 应 用 及 前 景 [J]. 世 界 有 色 金 属 ,2013(08):24-27.
及高强度、低密度性。并阐述了几种常见的制备工艺 ：金属热还原法，碘化精炼法，电解精炼法，电化学还原法，并总结了各种
方法的优缺点。
关键词 ：钛 ；钛合金 ；钛的应用 ；制备工艺
中图分类号 ：TG146.2+3
文献标识码 ：A
文章编号 ：11-5004（2020）22-100-2
钛位于元素周期表第四周期，第四副族。钛在自然界的储存 量丰富，在所有元素中居第十位，但因其存在分散并难于提取， 所以被称为稀有金属 [1,2]。因其具有很多良好的性质，在诸多领 域被广泛应用。良好的耐高温、耐低温、抗强酸、抗强碱，以及 高强度、低密度性，使得它被广泛应用在航空航天、海洋应用、 医学、建筑等领域。但是由于钛活泼的化学性质，对 O、N、C、 H 元素的亲合力较强 [3]，使其提取过程十分复杂，且生产能耗高， 因此金属钛的价格高昂。钛金属在诸多领域的应用，使得钛金属 制备的研究具有重要的意义 [4]，目前国内外钛的提取方法主要有 金属热还原法，电化学还原法，电解精炼法，碘化精炼法等。
101
2018（15）：63-64 [17] 陈付时 . 金属粉末成形技术的现状和未来 [J]. 上海钢研 ,1998(01):55-56. [18] G.Z.Chen,G.J.Fray&T.W.Farthing,Direct electrochemica reduction of titanium
dioxide to titanium in molten calcium chloride,Nature,2000,407,361.
S 科学技术 cience and technology
钛的应用及金属钛的制备工艺
崔 璇1，彭 风2，朱科明1
（1. 华北理工大学冶金与能源学院，河北 唐山 063210 ；2. 华北理工大学机械工程学院，河北 唐山 063210）
摘 要 ：钛因其众多优良的性质从而具有十分重要的研究和应用价值。介绍金属钛的生物相容性，装饰性，耐蚀性，耐热性以
Materials,2003,5(6):411. [11] K.Faller,F.H.Fores,The use of Titanium in family automobiles:Current trends.
Journal of the Minerals Metals&Materials Society,2001,53(4):27. [12] 韩传玺 . 钛精炼技术的进展 [J]. 稀有金属快报 ,1999(10):3-4. [13] 金属冶铸资田服务中心，日本研发成功钛精炼工艺 [J] 中国铸造装备与技术，
2018（15）：63-64 [14] 陈付时 . 金属粉末成形技术的现状和未来 [J]. 上海钢研 ,1998(01):55-56. [15] 韩传玺 . 钛精炼技术的进展 [J]. 稀有金属快报 ,1999(10):3-4. [16] 金属冶铸资田服务中心，日本研发成功钛精炼工艺 [J] 中国铸造装备与技术，
工、医疗、体育用品等方面也有巨大的作用。问题的关键是钛的制
备。如金属热还原法的成本较高，还原效率低且间歇式生产，需开
发新的低成本的连续化工艺。金属热还原法会产生污染空气的毒
气，电解精炼法对铝、锰等杂质的效果较差。针对上述问题，对于
钛的制备及其制备工艺需要进一步的探索和研究。
参考文献
[1] 谢 永 盛 , 徐 纯 辉 . 高 强 度 铸 造 钛 合 金 的 发 展 现 状 及 前 景 [J]. 铸 造 技 术 ,2014,35(10):2384-2386.
在电解氯化钙熔盐中产生。工业流程中以低于 3.2V 的电解电压
进行电解，使二氧化钛转化为海绵钛。该工艺的生产价格较低，
对 O2 具有一定的溶解度，且易于，金
属钛因其具有诸多良好的性能，必然会受到更多的关注。钛在诸多
领域有广泛的应用，尤其在军工航天业上的应用，钛及其合金在精
钛在热力学上是属于较活泼的金属，其平衡电位接近铝，数 值为 -1.63V。但因其在空气与水中会快速形成一层致密的氧化 膜，故钛具有很强的耐酸碱腐蚀能力，其防腐性能远超钢铁。因 此钛金属被应用制造船体和潜艇的外壳。同时使用钛金属制成 的海水管道系统，其使用的寿命是钢铁的十倍以上。由于其良好 的耐蚀性，使得钛金属成为最能适应海洋环境的金属的原材料之 一。生活应用方面，纯钛假牙以及钛合金假牙都被广泛应用。同 时钛在沿海发电站等基础海洋设施上也起到了重要的作用。 1.5 高强度、低密度性
1 钛的性质 1.1 生物相容性
钛具有的亲生物性，使得它在外科医疗手术上有较为广泛 的应用。由金属钛制成的医疗器械在人体内能够抵挡人体分泌 物的腐蚀，且对人体无害，适应多种杀菌方法。因其良好的生物 相容性，在“人造骨骼”的发展领域，钛金属发挥了重要的作用。 如人造髋关节，人造头盖骨 [5]。钛金属在外科手术领域也发挥了 重要的作用，如在骨头损坏的地方用钛片和钛螺丝固定骨头，数 月之后，新的肌肉纤维就可以包在钛的薄片上，从而起到支撑加 固的作用 [6]。
收稿日期 ：2020-11 作者简介 ：崔璇，男，生于 1999 年，汉族，山西大同人，本科，学生，研究方向 ： 钛金属的制备。
1.2 装饰性 钛金属经氧化处理形成的二氧化钛膜层，利用光的干涉，膜
层的不同厚度，从而发出不同的颜色，由此可以形成彩色的钛合 金板。同时利用钛金属表面粗糙程度的不同，钛金属表面会产生 微妙的变化，从而获得具有金属光泽的彩色涂层涂料。 1.3 耐热性
海 水 管 道 系 统 使 用 的 Ti-3Al-3.5V 合 金，口 径 650mm, 长 度 350mm, 重达 80 余吨，使得钛金属使管道质量减轻到原来质量的 一半，从而大大的减轻了压载成本。利用这一特点使得钛金属在 生活中也有广泛的应用，如高质量的自行车架以及高尔夫球杆 等。纯钛假牙也因为这一性质增加了使用的舒适性，减轻了余留 组织的负担，同时避免了过多的磨损。军事方面，由钛合金制造 的核潜艇的下潜深度是一般潜艇的两倍以上 [9]。
碘化精炼法就是利用碘化钛分解反应将含杂质的钛提炼 为高纯钛，使钛的纯度达到 99% 以上 [15]。钛中的杂质不能和碘 相互作用从而达到与钛分离的目的。该法是在 373~473K 温度 的反应条件下将含杂质的钛与碘作用，生成的钛化钛蒸汽再在 1573~1773K 的金属丝上发生离解，生成固体钛和气体碘 [16]。碘 化精炼法具有操作简便、气体杂质去除效果好的特点。
100
S 科学技术 cience and technology
2 金属钛的制取 2.1 金属热还原法
金属热还原法是在高温下利用金属还原剂与金属氧化物或 氯化物反应制备金属。目前提炼金属钛的方法主要为 Kroll 法 和 Hunter 法，它们分别利用镁、钠作为还原剂。该工艺具有操 作 简 便，回 收 率 高 的 特 点。对 于 金 属 钛 的 制 备，依 据 还 原 剂 的 种类主要分为以下几种方法 ；镁（钠）热还原法、Armstrong 法、 EMR 法。- 镁（钠）还原法利用镁（钠）还原四氯化钛制备海绵 钛，然后在氩气的保护下，在 1073~1173K 下将四氯化钛与硝酸 钠混合反应后通过真空蒸溜法除去杂质 [10，11] ；Armstrong 法 [12] 钠还原法使四氯化钛气体与流动的金属钠液混合反应，经过过 滤等操作后得到钛粉 ；美国麻省理工大学的 Sadoray 和 Okabe 提出的 EMR 法 [13，14] 将熔盐介质中四氯化钛的反应分解为两步 Mg=Mg2++2e-，Ticl4+4e-=Ti+4Cl- 其优点是可控产物的形态，且 可连续生产。 2.2 碘化精炼法
2.4 电化学还原法 电化学还原法是将钛中固溶氧的浓度降到检出界限以下 。 [18]
D.G. 等人认为除氧的过程中，O2 以 CO2 或 CO 的形式析出，钙
[6] 姜保国 , 付忠国 , 张殿英 . 纯钛金属板螺钉内固定治疗锁骨骨折 [J]. 中国矫形 外科杂志 ,2000(12):89-90,100.
[7] 张艳成 . 钛及钛合金材料在建筑上的应用现状和前景分析 [J]. 稀有金属与硬质 合金 ,2013,41(05):36-38,61.
[8] 钛合金在三大领域的应用现状及前景展望 [J]. 利泰金属 . [9] 黄晓艳 , 刘波 , 李雪 . 钛合金在军事上的应用 [J]. 轻金属 ,2005(09):51-53. [10] O.Schauerte,Titanium in automotive production.Advanced Engineering
2.3 电解精炼法 电解精炼法主要是以钛或其合金为可溶性阳极，以铜棒为
阴极，在熔盐电解质中进行电解，从而提纯钛金属。该工艺能有 效除去杂质气体以及碳、硅等非金属杂质和铁、锡、钼等金属杂 质 [17]。陈付时 [17] 采用电解精炼法在离子浓度为 3%~6% 的电解质 溶液中，其平均价 2.2~2.3，初始阴极电流密度为 0.3~1.5A/cm2， 阳极电流密度为小于 4.5A/cm2 电解温度为 1073~1123K 时提取 效果较好。电解反应如下 ：
钛具有良好的耐热性使得钛金属在航空航天领域和军工领域 都有诸多的应用。金属钛及其合金是制造高温部件的重要材料。 如飞机发动机、燃烧室、涡轮盘、涡轮轴 [8] 以及火箭和飞机的喷 口等大多由钛及其合金制得。钛作为一种极好的绝热材料，热导 率仅为铁的 1/5，铝的 1/10，使得钛成为能源效率极高的材料。 1.4 耐蚀性
[4] Kraft E.H.Summary of emerging Titanium cost reduction technologies[c].Low Cost Titanium Workshop,Baltimore.MD.2003.
[5] 范德增 , 莫宣学 , 翁润生 , 秦飞 . 钛及钛合金在医学上的应用研究 [J]. 口腔材料 器械杂志 ,1999(01):46-48.
[2] 范德增 , 莫宣学 , 翁润生 , 秦飞 . 钛及钛合金在医学上的应用研究 [J]. 口腔材料 器械杂志 ,1999(01):46-48.
[3] 李 献 军 , 王 镐 , 马 忠 贤 . 钛 在 舰 船 领 域 的 应 用 及 前 景 [J]. 世 界 有 色 金 属 ,2013(08):24-27.
及高强度、低密度性。并阐述了几种常见的制备工艺 ：金属热还原法，碘化精炼法，电解精炼法，电化学还原法，并总结了各种
方法的优缺点。
关键词 ：钛 ；钛合金 ；钛的应用 ；制备工艺
中图分类号 ：TG146.2+3
文献标识码 ：A
文章编号 ：11-5004（2020）22-100-2
钛位于元素周期表第四周期，第四副族。钛在自然界的储存 量丰富，在所有元素中居第十位，但因其存在分散并难于提取， 所以被称为稀有金属 [1,2]。因其具有很多良好的性质，在诸多领 域被广泛应用。良好的耐高温、耐低温、抗强酸、抗强碱，以及 高强度、低密度性，使得它被广泛应用在航空航天、海洋应用、 医学、建筑等领域。但是由于钛活泼的化学性质，对 O、N、C、 H 元素的亲合力较强 [3]，使其提取过程十分复杂，且生产能耗高， 因此金属钛的价格高昂。钛金属在诸多领域的应用，使得钛金属 制备的研究具有重要的意义 [4]，目前国内外钛的提取方法主要有 金属热还原法，电化学还原法，电解精炼法，碘化精炼法等。
101
2018（15）：63-64 [17] 陈付时 . 金属粉末成形技术的现状和未来 [J]. 上海钢研 ,1998(01):55-56. [18] G.Z.Chen,G.J.Fray&T.W.Farthing,Direct electrochemica reduction of titanium
dioxide to titanium in molten calcium chloride,Nature,2000,407,361.
S 科学技术 cience and technology
钛的应用及金属钛的制备工艺
崔 璇1，彭 风2，朱科明1
（1. 华北理工大学冶金与能源学院，河北 唐山 063210 ；2. 华北理工大学机械工程学院，河北 唐山 063210）
摘 要 ：钛因其众多优良的性质从而具有十分重要的研究和应用价值。介绍金属钛的生物相容性，装饰性，耐蚀性，耐热性以
Materials,2003,5(6):411. [11] K.Faller,F.H.Fores,The use of Titanium in family automobiles:Current trends.
Journal of the Minerals Metals&Materials Society,2001,53(4):27. [12] 韩传玺 . 钛精炼技术的进展 [J]. 稀有金属快报 ,1999(10):3-4. [13] 金属冶铸资田服务中心，日本研发成功钛精炼工艺 [J] 中国铸造装备与技术，
2018（15）：63-64 [14] 陈付时 . 金属粉末成形技术的现状和未来 [J]. 上海钢研 ,1998(01):55-56. [15] 韩传玺 . 钛精炼技术的进展 [J]. 稀有金属快报 ,1999(10):3-4. [16] 金属冶铸资田服务中心，日本研发成功钛精炼工艺 [J] 中国铸造装备与技术，
工、医疗、体育用品等方面也有巨大的作用。问题的关键是钛的制
备。如金属热还原法的成本较高，还原效率低且间歇式生产，需开
发新的低成本的连续化工艺。金属热还原法会产生污染空气的毒
气，电解精炼法对铝、锰等杂质的效果较差。针对上述问题，对于
钛的制备及其制备工艺需要进一步的探索和研究。
参考文献
[1] 谢 永 盛 , 徐 纯 辉 . 高 强 度 铸 造 钛 合 金 的 发 展 现 状 及 前 景 [J]. 铸 造 技 术 ,2014,35(10):2384-2386.
在电解氯化钙熔盐中产生。工业流程中以低于 3.2V 的电解电压
进行电解，使二氧化钛转化为海绵钛。该工艺的生产价格较低，
对 O2 具有一定的溶解度，且易于，金
属钛因其具有诸多良好的性能，必然会受到更多的关注。钛在诸多
领域有广泛的应用，尤其在军工航天业上的应用，钛及其合金在精
钛在热力学上是属于较活泼的金属，其平衡电位接近铝，数 值为 -1.63V。但因其在空气与水中会快速形成一层致密的氧化 膜，故钛具有很强的耐酸碱腐蚀能力，其防腐性能远超钢铁。因 此钛金属被应用制造船体和潜艇的外壳。同时使用钛金属制成 的海水管道系统，其使用的寿命是钢铁的十倍以上。由于其良好 的耐蚀性，使得钛金属成为最能适应海洋环境的金属的原材料之 一。生活应用方面，纯钛假牙以及钛合金假牙都被广泛应用。同 时钛在沿海发电站等基础海洋设施上也起到了重要的作用。 1.5 高强度、低密度性
1 钛的性质 1.1 生物相容性
钛具有的亲生物性，使得它在外科医疗手术上有较为广泛 的应用。由金属钛制成的医疗器械在人体内能够抵挡人体分泌 物的腐蚀，且对人体无害，适应多种杀菌方法。因其良好的生物 相容性，在“人造骨骼”的发展领域，钛金属发挥了重要的作用。 如人造髋关节，人造头盖骨 [5]。钛金属在外科手术领域也发挥了 重要的作用，如在骨头损坏的地方用钛片和钛螺丝固定骨头，数 月之后，新的肌肉纤维就可以包在钛的薄片上，从而起到支撑加 固的作用 [6]。
收稿日期 ：2020-11 作者简介 ：崔璇，男，生于 1999 年，汉族，山西大同人，本科，学生，研究方向 ： 钛金属的制备。
1.2 装饰性 钛金属经氧化处理形成的二氧化钛膜层，利用光的干涉，膜
层的不同厚度，从而发出不同的颜色，由此可以形成彩色的钛合 金板。同时利用钛金属表面粗糙程度的不同，钛金属表面会产生 微妙的变化，从而获得具有金属光泽的彩色涂层涂料。 1.3 耐热性
海 水 管 道 系 统 使 用 的 Ti-3Al-3.5V 合 金，口 径 650mm, 长 度 350mm, 重达 80 余吨，使得钛金属使管道质量减轻到原来质量的 一半，从而大大的减轻了压载成本。利用这一特点使得钛金属在 生活中也有广泛的应用，如高质量的自行车架以及高尔夫球杆 等。纯钛假牙也因为这一性质增加了使用的舒适性，减轻了余留 组织的负担，同时避免了过多的磨损。军事方面，由钛合金制造 的核潜艇的下潜深度是一般潜艇的两倍以上 [9]。
碘化精炼法就是利用碘化钛分解反应将含杂质的钛提炼 为高纯钛，使钛的纯度达到 99% 以上 [15]。钛中的杂质不能和碘 相互作用从而达到与钛分离的目的。该法是在 373~473K 温度 的反应条件下将含杂质的钛与碘作用，生成的钛化钛蒸汽再在 1573~1773K 的金属丝上发生离解，生成固体钛和气体碘 [16]。碘 化精炼法具有操作简便、气体杂质去除效果好的特点。
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S 科学技术 cience and technology
2 金属钛的制取 2.1 金属热还原法
金属热还原法是在高温下利用金属还原剂与金属氧化物或 氯化物反应制备金属。目前提炼金属钛的方法主要为 Kroll 法 和 Hunter 法，它们分别利用镁、钠作为还原剂。该工艺具有操 作 简 便，回 收 率 高 的 特 点。对 于 金 属 钛 的 制 备，依 据 还 原 剂 的 种类主要分为以下几种方法 ；镁（钠）热还原法、Armstrong 法、 EMR 法。- 镁（钠）还原法利用镁（钠）还原四氯化钛制备海绵 钛，然后在氩气的保护下，在 1073~1173K 下将四氯化钛与硝酸 钠混合反应后通过真空蒸溜法除去杂质 [10，11] ；Armstrong 法 [12] 钠还原法使四氯化钛气体与流动的金属钠液混合反应，经过过 滤等操作后得到钛粉 ；美国麻省理工大学的 Sadoray 和 Okabe 提出的 EMR 法 [13，14] 将熔盐介质中四氯化钛的反应分解为两步 Mg=Mg2++2e-，Ticl4+4e-=Ti+4Cl- 其优点是可控产物的形态，且 可连续生产。 2.2 碘化精炼法