Vom Erz zum fertigen Produkt: Prozessschwierigkeiten und Durchbrüche bei Titan

Titan zählt gemessen an den Krustenreserven zu den zehn größten Metallen und ist keine knappe Ressource. Dennoch ist die Umwandlung von Ilmenit- und Rutilerzen in Materialien auf Titanbasis mit enormen metallurgischen und verarbeitungstechnischen Herausforderungen verbunden. Dank kontinuierlicher Forschung und Entwicklung sowie industrieller Bemühungen wurden in der gesamten Titanindustriekette zahlreiche technische Durchbrüche erzielt, die die Erzaufbereitung, das Schmelzen von Titanschwamm, das Schmelzschmieden und die Präzisionsbearbeitung umfassen und technische Barrieren schrittweise abgebaut habenHigh-End-Titanmaterialien.

 

 

 

 

1. Erzaufbereitung und -anreicherung

Rohstoffe: Ilmenit, Rutil
Prozess: Schwerkrafttrennung, magnetische Trennung, Flotation → Konzentrat mit hohem Titangehalt

 

2.Chlorierung-Reduktion für die Herstellung von Titanschwämmen

Prozess: Hochtemperaturchlorierung + Rektifikationsreinigung → Titantetrachlorid; Kroll-Verfahren → Vakuumdestillation zur Entfernung von Verunreinigungen, Zerkleinerung und Siebung → Titanschwamm

 

3.Vakuumschmelzen und -gießen für die Herstellung von Titanbarren

Prozess: Dem Titanschwamm werden Legierungselemente wie Aluminium, Vanadium und Molybdän zugesetzt, anschließend erfolgt das Vakuumschmelzen und Gießen → Titanbarren

 

4.Druckverarbeitung und Präzisionsfertigung von Titanprodukten

Prozess: Schmieden, Walzen, Extrudieren, Schweißen, Wärmebehandlung → Fertigprodukte einschließlich Titanstangen, Platten, Rohre und Schmiedeteile

Anwendungen: Luft- und Raumfahrt, Schiffstechnik, medizinische Geräte, Chlor-Alkali-Geräte und andere Bereiche

 

 

1. Herausforderungen bei der Erzanreicherung und Chlorierung

Natürlicher Ilmenit weist einen geringen Titandioxidgehalt und zahlreiche Verunreinigungen auf. Die Herstellung von hochtitanhaltiger Schlacke/synthetischem Rutil erfordert langwierige Aufbereitungsverfahren mit hohem Energieverbrauch. Bei der Chlorierung entsteht stark korrosives Titantetrachlorid, das zu starkem Geräteverschleiß führt. Die Rektifikationsreinigung von rohem Titantetrachlorid erfordert komplexe Arbeitsabläufe, die erhebliche Materialverluste und einen hohen Druck bei der Entsorgung der Nebenprodukte mit sich bringen.

 

2. Mängel beim Titanschwammschmelzen

Die gängige Kroll-Magnesium-Wärmereduktion ist eine Batch-Produktionstechnologie. Ein einzelner Ofenzyklus dauert mehrere Tage bis mehr als zehn Tage und ist im Gegensatz zur Stahl- oder Aluminiumproduktion diskontinuierlich, was zu einem geringen Wirkungsgrad und einem hohen Energieverbrauch führt. Während des gesamten Prozesses ist ein hochreiner Inertgasschutz erforderlich, und die Ausrüstung für das Magnesium-Magnesiumchlorid-Recycling ist hochentwickelt. Die poröse Struktur von Titanschwamm neigt dazu, Verunreinigungen einzufangen, was strenge Anforderungen an die Versiegelung, die Qualität des Rohmaterials und die Betriebskontrolle stellt. Kleinere Fehlbedienungen können die gesamte Ofencharge beschädigen und hohe Hürden für die Herstellung von Titanschwämmen in Luft- und Raumfahrtqualität schaffen.

 

3.Schwierigkeiten beim Schmelzen, Gießen und Schmieden

Das Schmelzen von Titanschwämmen muss unter Vakuum oder inerter Atmosphäre durchgeführt werden. Große Titanbarren neigen zu Zusammensetzungssegregation und Einschlussdefekten. Titanlegierungen weisen eine hohe Verformungsbeständigkeit, enge Verarbeitungstemperaturfenster, eine Anfälligkeit für die Aufnahme von Verunreinigungen und Oxidation bei hohen Temperaturen sowie eine schlechte Formbarkeit bei niedrigen Temperaturen auf. Titanlegierungen weisen beim Schneiden eine hohe Viskosität auf, was zu starkem Werkzeugverschleiß führt. Der Materialverlust bei der Bearbeitung von Gussblockbauteilen kann über 70 % betragen, was die Gesamtkosten in die Höhe treibt. Beim Schweißen in Kontakt mit Luft entstehen spröde Oxidschichten, und für Ausrüstungen in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Tiefsee gelten äußerst strenge Schweißqualitätsstandards.

 

4. Herausforderungen bei der Leistungskontrolle von High-End-Legierungen

Luft- und Raumfahrt, Tiefseetechnik, medizinische und andere Anwendungen stellen unterschiedliche Leistungsanforderungen an Titanlegierungen. Geringe Abweichungen in der Legierungsformulierung, den Schmelz-/Kühlverfahren und den Wärmebehandlungsparametern können die Materialeigenschaften verändern und hohe technische Hürden für hochwertige Titanlegierungen schaffen.

 

 

1.Titanschwammschmelzen

Im Inland gebaute großtechnische Reduktionsdestillationsöfen haben eine Lokalisierung erreicht. Öfen mit großer Tonnage verbessern die Produktion und Qualität von Titanschwämmen und senken gleichzeitig den Energieverbrauch, erhöhen den Anteil von Produkten in Luft- und Raumfahrtqualität und verringern die Abhängigkeit von importierten High-End-Lieferungen. Optimierte Magnesium-Chlor-Zirkulationsprozesse senken Kosten und Umweltverschmutzung auf der traditionellen Kroll-Route. Neuartige Elektrolysetechnologien für geschmolzenes Salz wie FFC und USTB können Titan direkt produzieren und den Chlorierungsschritt überspringen, befinden sich jedoch noch im Laborstadium und werden nicht im industriellen Maßstab eingesetzt.

 

2.Barrenschmelzen

Das Elektronenstrahl-Kaltherdschmelzen wurde industrialisiert. Es behebt Einschlussdefekte in Barren, ermöglicht das Recycling von Titanschrott und stellt großformatige hochreine Titanbarren her und bricht damit ausländische Monopole. Das mehrstufige Schmelzen mildert die Entmischung der Zusammensetzung. Inländische Großbarren aus Titanlegierungen unterstützen die Herstellung wichtiger nationaler Ausrüstungen wie Großflugzeuge und bemannte Tiefsee-Tauchboote für Einsätze in einer Tiefe von 10 000 Metern.

 

3.Druckverarbeitung

Im Inland hergestellte Geräte, darunter Schnellschmiedepressen mit einer Kapazität von zehntausend Tonnen und kontinuierliche Warmwalzwerke für Titanbänder, wurden in Betrieb genommen. Sie ermöglichen die Massenproduktion von breiten, großen und dünnwandigen Titanmaterialien. Produkte wie warmgewalzte 2,5-mm-Gr5-Coils und ultradünne 0,1-mm-Titanbänder dienen der Brennstoffzellen-, 3C- und chemischen Industrie. Stahl-Titan-Verbundwerkstoffe und nahezu endkonturnaher Schnittmaterialverlust. Fortschrittliche Schweißtechnologien ermöglichen die Herstellung großformatiger Komponenten wie druckfester Schiffszylinder und Substratmaterialien für Chloralkali-DSA-Anoden.

 

4.Legierungsentwicklung und additive Fertigung

Unabhängig entwickelte Titanlegierungen erfüllen extreme Betriebsbedingungen für Tiefseeausrüstung und Flugtriebwerke. Die Massenproduktion von Titan-3D-Druckpulver für tragende Komponenten in der Luft- und Raumfahrt wurde realisiert. Die Nachbearbeitung verbessert die Ermüdungsbeständigkeit additiv gefertigter Teile und die endkonturnahe Umformung reduziert den Materialverbrauch während der Produktion.

 

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