Production of Titanium alloys via aluminothermic reduction

Titan metall har blitt produsert og fremstilt på kommersiell skala siden begynnelsen av 1950-tallet på grunn av dets unike egenskaper: (i) høyt styrke-til-vekt forhold, (ii) forhøyet smeltepunkt, og (iii) utmerket korrosjonsbestandighet i forskjellige tøffe kjemiske miljø. Titan sponge produseres industrielt over hele verden med Kroll prosessen, som består av metallotermisk reduksjon av TiCl4(g) med rent magnesium metal. Selv om denne prosessen er forbedret siden den første industriproduksjonen, har den fortsatt flere ulemper som den ineffektive kontakten mellom reaktantene og bruken av det flyktige og etsende TiCl4. Som et resultat av dette har enklere og billigere produksjonsmetoder blitt studert siden tidlig 1970. En av de alternative metodene som har blitt studert og viser potensial er aluminotermisk reduksjon av TiO2. I dette studiet har bruken av aluminotermisk reduksjons prosess for å produsere Ti-legeringer fra TiO2- og SiO2 holdig slag blitt studert. To ulike slagger ble laget i en induksjonsovn, 18wt%CaO-82wt%TiO2 og 50wt%CaO-25wt%SiO2-25wt%TiO2, mens eksperimentene med aluminotermisk reduksjon ble utført i en vakuuminduksjonsovn. 12 forsøk ble utført total, 6 med hver slag. Holdetiden for reduksjonen var 1 time for alle eksperimentene, mens to ulike holdetemperaturer ble brukt, henholdsvis 1550°C og 1650°C. Mengden aluminium tilsatt ble variert mellom 80%, 100% og 120% støkiometrisk med hensyn til mengde TiO2 og SiO2 i slaggen med tanke på å redusere all TiO2 og SiO2. Etter avkjøling i ovn ble den reagerte slaggen og det reagerte metallet kuttet, støpt og deretter karakterisert og analysert med SEM, EDS, EPMA, XRD og ICP-MS. Resultatene fra det reagerte metallet og slaggen fra forsøkene med den binære slaggen viste at det var litt eller svært lite titan i metallet, mens mengden TiO2 i slaggen var høy. XRD analysere av slaggen viste dannelse av Ti2O3 og TiO noe som forklarte hvorfor det ikke ble observert noe Ti i metallet. Resultatene fra det reagerte metallet og slaggen fra forsøkene med den ternære slaggen viste nesten 100wt% av Ti og Si i metallet, mens mengden TiO2 i slaggen var svært liten. Innholdet av Ti i metallet minket med økende mengde av tilsatt Al, og en tilsvarende økning av innholdet av Al i metallet ble observert. Observasjon av SiO2 i slaggen, kombinert med at innholdet av Si i metallet var lavere enn Ti implementerer at den termodynamiske prioriteringen av reduksjon med Al er TiO2>SiO2