還原鈦是指通過化學或冶金方法將鈦的氧化物(如二氧化鈦TiO?)還原為金屬鈦的過程。由于鈦的化學性質(zhì)活潑,傳統(tǒng)冶煉需要克服極大難度,工業(yè)上主要采用克勞爾法(以鎂還原四氯化鈦)或亨特法(以鈉還原四氯化鈦)。這類工藝需要在惰性氣體保護下進行,反應(yīng)溫度高達800-1000℃,最終得到海綿狀多孔鈦(純度99.1%-99.7%),這也是大多數(shù)鈦合金加工的原料來源。
與電解法相比,還原法對設(shè)備要求相對較低但能耗巨大,每生產(chǎn)1噸海綿鈦需消耗約4萬度電。需要重點關(guān)注還原劑的選用,特別是鎂還原劑的循環(huán)利用率直接影響成本控制。近年來新興的FFC劍橋法(熔鹽電解還原)雖能降低能耗,但尚未實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化。還原鈦的雜質(zhì)含量(如氧≤0.15%、鐵≤0.20%)會顯著影響后續(xù)軋制成材的機械性能。
在應(yīng)用層面上,還原鈦經(jīng)過真空電弧熔煉后可加工成鈦錠,進一步制成航空級鈦材(如TC4合金)。其比強度是鋼的1.3倍,耐腐蝕性超過不銹鋼,被廣泛用于航空發(fā)動機壓氣機葉片(工作溫度600℃以下)、深海探測器外殼以及醫(yī)用人工關(guān)節(jié)等領(lǐng)域。隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展,還原鈦粉體(粒徑15-45μm)正成為增材制造的重要原料。
從市場角度看,全球還原鈦產(chǎn)能集中在中國(占60%)、日本和俄羅斯,2023年海綿鈦價格波動在8-12萬元/噸。需要特別注意的是,不同還原工藝產(chǎn)生的鈦形態(tài)各異,鎂還原法產(chǎn)物需經(jīng)過真空蒸餾去除殘留MgCl?,而鈣熱還原法則會產(chǎn)生更多氧化物夾雜。這些特性直接決定了還原鈦在下游應(yīng)用中的加工方式和最終性能表現(xiàn)。