Sản xuất titanium theo phương pháp hoàn nguyên ticl4 bằng mg (Phương pháp kroll)

Titan có hoạt tính cao, dễ tác dụng với các tạp chất O2, N2, C, CO, CO2, H2O làm giảm tính dẻo, vì vậy nhận được Titan có độ sạch cao là rất khó. Titan kim loại nguyên chất lại có nhiều ứng dụng trong sản xuất do những tính chất quý giá của nó, vì vậy việc sản xuất ra Titan sạch là rất cần thiết.

Quá trình hoàn nguyên TiCl4 bằng magie tiến hành trong thiết bị kín, bằng thép, trong môi trường khí trơ (Ar, He). Sau khi toàn bộ magie nóng chảy và nhiệt độ đạt 740 -760 độ C bắt đầu truyền TiCl4 vào lò:

TiCl + 2 Mg -> Ti + 2 MgCl2

Phản ứng tỏa nhiệt (492 kJ) lượng nhiệt tỏa ra đủ đảm bảo quá trình hoàn nguyên tiến hành. Quá trình vận hành gián đoạn, tốc độ quá trình hoàn nguyên phụ thuộc vào lượng TiCl4 và lượng magie. Sản phẩm của quá trình (titan bọt, MgCl2) tích lũy trong bình phản ứng. Magie clorua được được tạo ra trong quá trình hoàn nguyên dần dần dâng lên và phủ kín bọt Titan, gây cản trở cho việc tiếp xúc của magie với TiCl4 làm chậm tốc độ của phản ứng hoàn nguyên. Có thể phát hiện hiện tượng này thông qua việc giảm nhiệt độ và áp suất trong bình phản ứng.

Vì vậy để tận dụng thể tích làm việc của bình phản ứng và duy trì tốc độ phản ứng cần định kì tháo bột MgCl2. Thường tháo khoảng 80-85% lượng MgCl2 tạo thành.

Trong quá trình hoàn nguyên, để đảm bảo Titan có thành phần đồng đều, thường cho một lượng dư magie (hiệu suất sử dụng magie thường từ 75-85%) cho vào từ từ và nhiệt độ hoàn nguyên thích hợp là 800-920oC. Nhiệt độ giới hạn để hoàn nguyên phải cao hơn nhiệt độ chảy của MgCl2 (714 độ C) và thấp hơn 975 độ C, vì trên 975 độ C Titan phản ứng mạnh với sắt làm bẩn bọt Titan và chóng hỏng bình phản ứng.

Điều chỉnh nhiệt độ bằng cách khống chế tốc độ cho TiCl4 vào bình phản ứng.

Cuối quá trình hoàn nguyên, ngừng cho TiCl4 để hoàn nguyên nốt các clorua hóa trị thấp:

2TiCl3 + 3 Mg -> 2 Ti + 3 MgCl2

TiCl2 + Mg -> Ti + MgCl2​

Cùng thời điểm này, MgCl2 được lắng tách hoàn toàn giữ nhiệt độ 900 độ C trong 0, 5 -1h, sau đó tháo MgCl2 ra.

Sau khi hoàn nguyên xong, làm nguội đến 800 độ C (khi bình điện phân bằng thép không gỉ) hoặc 600 độ C (khi bình phản ứng bằng thép cacbon thấp), lấy bình phản ứng ra khỏi lò và dùng nước hoặc thổi không khí làm nguội xuống 20-40 độ C.