Il titanio è abbondante nella crosta terrestre e la Cina è al primo posto a livello mondiale in termini di risorse di titanio, con riserve accertate che rappresentano circa il 38,8% del totale mondiale. Queste risorse sono distribuite in più di 100 aree minerarie in oltre 20 province e regioni, concentrate principalmente nelle regioni sud-occidentali, centro-meridionali e settentrionali della Cina. In particolare, i depositi di magnetite di vanadio-titanio nella regione di Panxi sono famosi in tutto il mondo per le loro consistenti riserve, che rappresentano il 92% delle risorse di titanio della Cina, fornendo una solida base per l'industria del titanio del paese. Tuttavia, l’attuale processo di produzione del titanio è caratterizzato da lunghi cicli di processo, elevato consumo di energia e grave inquinamento, che portano a prezzi elevati e ne limitano l’uso diffuso. Di conseguenza, lo sviluppo di nuovi metodi di produzione del titanio a basso costo è di fondamentale importanza per accelerare la transizione della Cina da un importante paese ricco di risorse di titanio a una potenza produttiva di titanio.
Processo metallurgico tradizionale del titanio
Il tradizionale processo di fusione del titanio, noto come "processo Kroll", prevede la riduzione del tetracloruro di titanio (TiCl4) con sodio o magnesio metallico per ottenere titanio metallico. Poiché il titanio viene prodotto al di sotto del suo punto di fusione, esiste in forma spugnosa, da qui il nome "titanio spugna". Il processo Kroll consiste di tre fasi principali: la preparazione di materiali ricchi di titanio, la produzione di TiCl4 e la riduzione e distillazione per produrre titanio spugnoso.
Nuovi processi metallurgici del titanio
Per ridurre i costi di produzione del titanio metallico, i ricercatori hanno esplorato numerosi nuovi metodi di estrazione, tra cui l'elettrolisi TiCl4, il processo ITP (Armstrong), il processo FFC, il processo OS, il processo di pre-riduzione (PRP), il processo QT, il processo MER e il processo USTB .
Elettrolisi TiCl4 per la produzione di titanio
Gli ossidi di titanio e i cloruri di titanio possono servire come materie prime per la produzione industriale di titanio. Tuttavia, solo il cloruro di titanio è stato utilizzato come precursore per la produzione del titanio metallico grazie alla sua capacità di rimuovere efficacemente le impurità di ossigeno e carbonio. La ricerca attuale si concentra sulla preparazione e purificazione di TiCl4, esplorando metodi come la riduzione termica del sodio, la riduzione dell'ossigeno, la riduzione dell'idrogeno e l'elettrolisi diretta.
Processo Armstrong/ITP (polvere internazionale di titanio).
Fondata nel 1997, ITP, con sede a Chicago, USA, utilizza sodio gassoso per ridurre TiCl4, consentendo la produzione continua di polvere di titanio. Questo metodo prevede l'iniezione di vapori di TiCl4 in un flusso di gas di sodio, generando polvere di titanio e NaCl, che vengono successivamente separati attraverso distillazione, filtrazione e lavaggio. Il processo vanta un’elevata purezza del prodotto e rispetto dell’ambiente, ma permangono sfide nella riduzione dei costi di produzione e nel miglioramento della qualità del prodotto.
Processo FFC (processo Cambridge)
Proposto nel 2000 dal professor DJ Fray e dai suoi collaboratori dell'Università di Cambridge, il processo FFC prevede l'elettrolisi di un ossido di titanio solido come catodo, grafite come anodo e un cloruro di metallo alcalino terroso fuso come elettrolita. Questo metodo è rispettoso dell'ambiente, con un ciclo di produzione breve, ma deve affrontare sfide quali l'elevato contenuto di ossigeno nel prodotto e la discontinuità del processo.
Processo del sistema operativo
Sviluppato da One e Suzuki in Giappone, questo processo utilizza il calcio ottenuto elettroliticamente per ridurre il TiO2 in titanio metallico. Il processo avviene in una fusione di Ca/CaO/CaCl2, con polvere di ossido di titanio posta in un cestello catodico. Il metodo promette significative riduzioni dei costi ma produce titanio metallico con un contenuto di ossigeno relativamente elevato.
Processo PRP
Proposto da studiosi giapponesi, questo metodo mescola TiO2 con agenti fondenti come CaO o CaCl2, modella la miscela, la sinterizza e la espone ai vapori di calcio ad alte temperature per produrre polvere di titanio. La polvere risultante può raggiungere una purezza del 99% con un contenuto di ossigeno ridotto.
Processo QiT
Sviluppato da Quebec Iron and Titanium Inc., questo processo prevede l'elettrolisi delle scorie di titanio in un ambiente di sale fuso per produrre titanio metallico. Il processo può essere eseguito in una o due fasi, a seconda del contenuto di titanio e dei livelli di impurità nelle scorie.
Processo MER
Sviluppato da MER Corporation, questo processo utilizza TiO2 o rutilo come anodo e una miscela di cloruro come elettrolita. L'anodo emette una miscela di gas CO e CO2 durante l'elettrolisi, mentre gli ioni di titanio vengono ridotti in titanio metallico al catodo.
Processo USBB
Nel 2005, il professor Zhu Hongmin e il suo team presso l'Università della Scienza e della Tecnologia di Pechino hanno proposto un nuovo metodo per l'estrazione della spugna di titanio tramite elettrolisi del sale fuso: l'elettrolisi di un anodo di TiO·mTC, una soluzione solida solubile di TiO2 e TiC, per produrre titanio puro.
Questo metodo prevede la miscelazione di polveri di carbonio e biossido di titanio o di carburo di titanio e biossido di titanio in proporzioni stechiometriche, pressandole in una forma e quindi, in determinate condizioni, formando un anodo TiO·mTC con conduttività metallica. Utilizzando un sale fuso di alogenuri di metalli alcalini o di metalli alcalino terrosi come elettrolita, l'elettrolisi viene eseguita a una temperatura specifica. Durante questo processo, il titanio si dissolve nel sale fuso sotto forma di ioni bassovalenti e si deposita al catodo, mentre il carbonio e l'ossigeno contenuti nell'anodo formano ossidi di carbonio gassosi (CO, CO2) o ossigeno (O2) che vengono rilasciati . Questo metodo può produrre polvere metallica di titanio di elevata purezza con un contenuto di ossigeno inferiore a 300×10-6, soddisfacendo lo standard nazionale di primo grado e raggiungendo un'efficienza della corrente catodica fino all'89%.
I notevoli vantaggi di questo metodo includono la capacità di eseguire continuamente il processo di elettrolisi senza generare melma anodica, semplicità del processo, basso costo e rispetto dell'ambiente.
L'estrazione del titanio metallico è un'area di ricerca significativa nella metallurgia e il processo di elettrolisi del sale fuso è considerato l'alternativa più promettente al processo Kroll per la metallurgia del titanio. Date le vaste riserve e l’importanza critica delle risorse di titanio, l’utilizzo completo della titanomagnetite vanadifero è di grande importanza. Esaminando l’attuale stato di ricerca e sviluppo dei processi di estrazione del titanio, i processi che utilizzano TiCl4 come precursore generalmente incontrano difficoltà nella riduzione dei costi, mentre la preparazione diretta del titanio metallico da TiO2 merita ulteriori ricerche approfondite. Se i problemi tecnici possono essere superati, l’applicazione su scala industriale potrebbe diventare fattibile.
