티타늄

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배경

티타늄은 기호 Ti로 표시되는 원소 주기율표에서 전이 금속으로 알려져 있습니다. 원자번호 22번, 원자량 47.90번의 가벼운 은회색 소재입니다. 밀도는 4510kg/m입니다. ³ , 이는 알루미늄과 스테인리스 스틸의 밀도 사이 어딘가에 있습니다. 융점은 대략 3,032°F(1,667°C)이고 끓는점은 5,948°F(3,287C)입니다. 화학적으로 지르코늄 및 실리콘과 유사합니다. 내식성이 우수하고 중량 대비 강도가 높습니다.

티타늄은 지각의 약 0.62%를 차지하는 네 번째로 풍부한 금속입니다. 순수한 형태로 거의 발견되지 않는 티타늄은 일반적으로 아나타제, 브루카이트, 일메나이트, 류코센, 페로브스카이트, 루틸 및 스펜과 같은 광물에 존재합니다. 티타늄은 상대적으로 풍부하지만 분리하기 어렵기 때문에 계속 비싸다. 티타늄 정광의 주요 생산자는 호주, 캐나다, 중국, 인도, 노르웨이, 남아프리카 및 우크라이나를 포함합니다. 미국에서 티타늄을 주로 생산하는 주는 플로리다, 아이다호, 뉴저지, 뉴욕, 버지니아입니다.

수천 개의 티타늄 합금이 개발되었으며 이들은 네 가지 주요 범주로 그룹화할 수 있습니다. 그들의 특성은 기본 화학 구조와 제조 과정에서 조작되는 방식에 따라 다릅니다. 합금을 만드는 데 사용되는 일부 요소에는 알루미늄, 몰리브덴, 코발트, 지르코늄, 주석 및 바나듐이 포함됩니다. 알파상 합금은 강도가 가장 낮지만 성형 및 용접이 가능합니다. 알파 플러스 베타 합금은 강도가 높습니다. 알파에 가까운 합금은 강도가 중간이지만 내크리프성이 좋습니다. 베타 상 합금은 티타늄 합금 중 강도가 가장 높지만 연성이 부족합니다.

티타늄 및 그 합금의 응용 분야는 다양합니다. 항공 우주 산업은 티타늄 제품의 가장 큰 사용자입니다. 높은 강도 대 중량비 및 고온 특성으로 인해 이 산업에 유용합니다. 일반적으로 비행기 부품 및 패스너에 사용됩니다. 이러한 동일한 특성으로 인해 티타늄은 가스 터빈 엔진 생산에 유용합니다. 압축기 블레이드, 케이싱, 엔진 카울링, 방열판 등의 부품에 사용됩니다.

티타늄은 내식성이 좋기 때문에 금속 마감 산업에서 중요한 소재입니다. 여기에서 열교환기 코일, 지그 및 라이닝을 만드는 데 사용됩니다. 염소 및 산에 대한 티타늄의 내성은 화학 처리에서 중요한 재료가 됩니다. 화학제품 생산라인의 각종 펌프, 밸브, 열교환기에 사용됩니다. 정유 산업은 내식성 때문에 콘덴서 튜브에 티타늄 재료를 사용합니다. 이 특성은 또한 담수화 공정에 사용되는 장비에 유용합니다.

티타늄은 인체와의 친화성이 좋기 때문에 인체 임플란트 제조에 사용됩니다. 티타늄의 가장 주목할만한 최근 용도 중 하나는 2001년에 처음으로 인간에게 이식된 인공 심장에 사용되었습니다. 티타늄의 다른 용도는 고관절 교체, 심장 박동기, 제세동기, 팔꿈치 및 고관절에 있습니다.

마지막으로 티타늄 소재는 수많은 소비재 생산에 사용됩니다. 그것은 신발, 보석, 컴퓨터, 스포츠 장비, 시계 및 조각과 같은 것들의 제조에 사용됩니다. 이산화티타늄으로 플라스틱, 종이, 페인트의 백색안료로 사용된다. 백색 식용 색소 및 화장품의 자외선 차단제로도 사용됩니다.

연혁

대부분의 역사가들은 티타늄 발견에 대해 윌리엄 그레고르(William Gregor)에게 공을 돌립니다. 1791년 그는 메나카나이트(영국에서 발견된 광물)로 작업하던 중 새로운 원소를 발견하고 그 결과를 발표했습니다. 이 원소는 몇 년 후 독일 화학자 M. H. Klaproth에 의해 금홍석 광석에서 재발견되었습니다. Klaproth는 신화에 나오는 거인인 Titans의 이름을 따서 원소의 이름을 티타늄이라고 명명했습니다.

Gregor와 Klaproth는 모두 티타늄 화합물로 작업했습니다. 거의 순수한 티타늄의 첫 번째 중요한 분리는 1875년 러시아의 Kirillov에 의해 이루어졌습니다. 순수한 금속의 분리는 Matthew Hunter와 그의 동료들이 가열된 강철 폭탄에서 사염화티타늄과 나트륨을 반응시킨 1910년까지 입증되지 않았습니다. 이 과정은 순수한 티타늄의 개별 조각을 생산했습니다. 1920년대 중반, 네덜란드 과학자 그룹은 사요오드화 티타늄에 해리 반응을 수행하여 순수한 티타늄의 작은 와이어를 만들었습니다.

이러한 시연을 통해 William Kroll은 티타늄을 효율적으로 분리하기 위한 다양한 방법을 실험하기 시작했습니다. 이러한 초기 실험은 1937년에 마그네슘으로 환원하여 티타늄을 분리하는 공정의 개발로 이어졌습니다. 현재 Kroll 공정이라고 하는 이 공정은 여전히 ​​티타늄을 생산하는 주요 공정입니다. 티타늄으로 만든 최초의 제품은 1940년대 경에 소개되었으며 와이어, 시트 및 막대와 같은 것들이 포함되었습니다.

Kroll의 연구는 실험실 규모의 티타늄 생산 방법을 시연했지만 대규모 생산에 적용하려면 거의 10년이 더 걸렸습니다. 이 작업은 R. S. Dean의 지시 하에 1938년부터 1947년까지 미국 광산국에서 수행되었습니다. 1947년까지 그들은 Kroll의 공정을 다양하게 수정하여 거의 2톤의 티타늄 금속을 생산했습니다. 1948년 DuPont은 최초의 대규모 제조 작업을 시작했습니다.

이 대규모 제조 방법을 통해 티타늄을 구조 재료로 사용할 수 있었습니다. 1950년대에는 주로 항공우주 산업에서 항공기 제작에 사용되었습니다. 티타늄은 많은 응용 분야에서 강철보다 우수했기 때문에 산업이 빠르게 성장했습니다. 1953년까지 연간 생산량은 2백만 파운드(907,200kg)에 이르렀고 티타늄의 주요 고객은 미군이었습니다. 1958년에는 군대가 유인 항공기에서 강철이 더 적합한 미사일로 초점을 옮겼기 때문에 티타늄 수요가 크게 떨어졌습니다. 그 이후로 티타늄 산업은 수요가 높고 낮음의 다양한 주기를 가지고 있습니다. 티타늄과 그 합금에 대한 수많은 새로운 응용 분야와 산업이 수년에 걸쳐 발견되었습니다. 오늘날 티타늄의 약 80%는 항공 우주 산업에서 사용되고 20%는 비항공 우주 산업에서 사용됩니다.

원자재

티타늄은 지구에서 자연적으로 발생하는 다양한 광석에서 얻습니다. 티타늄 생산에 사용되는 주요 광석은 일메나이트, 류코센 및 루틸을 포함합니다. 다른 주목할만한 소스로는 아나타제, 페로브스카이트 및 sphene이 있습니다.

일메나이트와 류코센은 티탄철 광석입니다. 일메나이트(FeTiO3)는 약 53%의 이산화티타늄을 함유합니다. 류코센은 비슷한 조성을 가지고 있지만 약 90%의 이산화티타늄을 함유하고 있습니다. 그들은 단단한 암석 퇴적물이나 해변 및 충적 모래와 관련하여 발견됩니다. 루틸은 비교적 순수한 이산화티타늄(TiO2)입니다. 아나타제는 결정질 이산화티타늄의 또 다른 형태이며 최근에 티타늄의 중요한 상업적 공급원이 되었습니다. 그들은 둘 다 주로 해변과 모래 퇴적물에서 발견됩니다.

페로브스카이트(CaTiO3)와 스펜(CaTi-SiO5)은 칼슘과 티타늄 광석입니다. 이들 재료 중 어느 것도 칼슘 제거의 ​​어려움 때문에 티타늄의 상업적 생산에 사용되지 않습니다. 향후 페로브스카이트는 이산화티타늄을 60% 가까이 함유하고 칼슘만을 불순물로 함유하고 있어 상업적으로 이용될 가능성이 높다. Sphene에는 두 번째 불순물로 실리콘이 있어 티타늄을 분리하기가 훨씬 더 어렵습니다.

광석 외에도 티타늄 생산에 사용되는 다른 화합물에는 염소 가스, 탄소 및 마그네슘이 포함됩니다.

티타늄은 자전거 프레임, 고관절 임플란트, 안경테, 귀걸이 등 다양한 품목에 사용됩니다. .

제조
프로세스

티타늄은 Kroll 공정을 사용하여 생산됩니다. 관련된 단계에는 추출, 정제, 스폰지 생산, 합금 생성, 성형 및 성형이 포함됩니다. 미국에서는 많은 제조업체가 이 생산의 여러 단계를 전문으로 합니다. 예를 들어, 스폰지만 만드는 제조업체, 녹여서 합금만 만드는 제조업체, 최종 제품을 생산하는 제조업체가 있습니다. 현재 단일 제조업체는 이러한 단계를 모두 완료하지 않습니다.

추출

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1 생산 시작 시 제조업체는 광산에서 티타늄 정광을 받습니다. 루틸은 천연 형태로 사용할 수 있지만 일메나이트는 이산화티타늄이 85% 이상 포함되도록 철을 제거하기 위해 가공됩니다. 이러한 물질은 염소 가스 및 탄소와 함께 유동층 반응기에 투입됩니다. 재료는 900°C(1,652°F)로 가열되고 후속 화학 반응으로 인해 불순한 사염화티타늄(TiCl4)과 일산화탄소가 생성됩니다. 불순물은 순수한 이산화티타늄이 처음에 사용되지 않았기 때문에 발생합니다. 따라서 생성되는 다양한 원치 않는 금속 염화물을 제거해야 합니다.

정화

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2 반응된 금속을 대형 증류조에 넣어 가열한다. 이 단계에서 불순물은 분별 증류 및 침전을 사용하여 분리됩니다. 이 작용은 철, 바나듐, 지르코늄, 규소, 마그네슘을 포함한 금속 염화물을 제거합니다.

스펀지 생산

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3 다음으로 정제된 사염화티타늄을 액체 상태로 스테인리스 스틸 반응기 용기에 옮긴다. 그런 다음 마그네슘을 첨가하고 용기를 약 2,012°F(1,100°C)로 가열합니다. 공기가 제거되고 산소나 질소에 의한 오염이 방지되도록 아르곤을 용기에 펌핑합니다. 마그네슘은 염소와 반응하여 액체 염화마그네슘을 생성합니다. 이것은 티타늄의 융점이 반응의 융점보다 높기 때문에 순수한 티타늄 고체를 남깁니다.

4 반응기에서 티타늄 고체를 천공하여 제거한 다음 물과 염산으로 처리하여 과량의 마그네슘 및 염화마그네슘을 제거합니다. 생성된 고체는 스펀지라고 하는 다공성 금속입니다.

합금 생성

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5 순수 티타늄 스폰지는 소모품 전극 아크로를 통해 사용 가능한 합금으로 변환될 수 있습니다. 이 시점에서 스폰지는 다양한 합금 첨가물 및 고철과 혼합됩니다. 합금 재료에 대한 스폰지의 정확한 비율은 생산 전에 실험실에서 공식화됩니다. 그런 다음 이 덩어리를 압축하여 함께 용접하여 스폰지 전극을 형성합니다.

6 스펀지 전극을 진공 아크로에 넣어 녹입니다. 이 수냉식 구리 용기에서 전기 아크를 사용하여 스폰지 전극을 녹여 잉곳을 형성합니다. 컨테이너의 모든 공기는 제거되거나(진공 형성) 오염을 방지하기 위해 대기가 아르곤으로 채워집니다. 일반적으로 잉곳은 상업적으로 허용되는 잉곳을 생산하기 위해 한 번 또는 두 번 더 재용해됩니다. 미국에서 이 방법으로 생산된 대부분의 잉곳은 무게가 약 9,000파운드(4,082kg)이고 직경이 30인치(76.2cm)입니다.

7 잉곳이 만들어진 후 로에서 꺼내어 결함을 검사합니다. 표면은 고객의 요구에 따라 조절될 수 있습니다. 그런 다음 잉곳은 밀링 및 다양한 제품으로 가공할 수 있는 완제품 제조업체로 배송될 수 있습니다.

부산물/폐기물

순수한 티타늄을 생산하는 동안 상당한 양의 염화마그네슘이 생성됩니다. 이 물질은 생산 직후 재활용 셀에서 재활용됩니다. 재활용 셀은 먼저 마그네슘 금속을 분리한 다음 염소 가스를 수집합니다. 이 두 구성 요소는 모두 티타늄 생산에 재사용됩니다.

미래

티타늄 제조의 미래 발전은 개선된 잉곳 생산, 새로운 합금의 개발, 생산 비용 절감 및 새로운 산업에의 적용 분야에서 발견될 것입니다. 현재, 사용 가능한 용광로에서 생산할 수 있는 것보다 더 큰 잉곳이 필요합니다. 이러한 요구를 충족할 수 있는 더 큰 용광로를 개발하기 위한 연구가 진행 중입니다. 다양한 티타늄 합금의 최적 조성을 찾는 작업도 진행 중입니다. 궁극적으로 연구자들은 제어된 미세 구조를 가진 특수 재료가 쉽게 생산되기를 희망합니다. 마지막으로 연구자들은 티타늄 정제를 위한 다양한 방법을 연구해 왔습니다. 최근 캠브리지 대학의 과학자들은 이산화티타늄에서 직접 순수 티타늄을 생산하는 방법을 발표했습니다. 이는 생산 비용을 크게 줄이고 가용성을 높일 수 있습니다.

자세히 알아보기

책

Othmer, K. 화학 기술 백과사전. 뉴욕:Marcel Dekker, 1998.

미국 내무부 미국 지질 조사국. 미네랄 연감 1권. 워싱턴 DC:미국 정부 인쇄소, 1998.

정기간행물

Freemantle, M. "TiO2에서 직접 추출한 티타늄." 화학 및 엔지니어링 뉴스 (2000년 9월 25일).

Eylon D. "에너지 및 산업 응용을 위한 티타늄." 야금학회 AIME (1987).

기타

WebElements 웹 페이지. 2001년 12월. .

페리 로마노프스키