TITANIUM METALLURGY

Dr hab. inż. ANDRZEJ 

MODRZYNSKI

 

• Odkryty w roku 1791przez W. Gregora  

oraz po roku przez niemieckiego chemika  
Martina Heinricha Klaprotha w Rutilu 
sprowadzonym z Węgier

• Nazwany został w 1795r. – nazwa pochodzi 

z mitologii greckiej

•  Do 1946 r. był stosowany tylko w 

laboratoriach 

• Od 1950 r. – komercyjne zastosowanie w 

turbinach gazowych

Właściwości 

• Symbol   

- Ti

   

• Liczba atomowa   - 22
• Masa atomowa  Ti- 47,867 g/mol 
•  Kolor

- srebrny metalowy

 

Występowanie

• Titan występuje w utworach skalnych na ziemi 

w ilości ok. 0,63% masy skorupy ziemskiej

•  Po względem zawartości w skorupie 

ziemskiej – 9 miejsce

• Zasadniczo występuje w postaci minerałów 

takich jak Ilmenit oraz Rutyl 

• Obecny także w meteorytach oraz na Słońcu i 

Księżycu

• Skały przywiezione na ziemię przez statek 

kosmiczny Apollo z Księżyca zawierały około 

12.1% TiO

2

Właściwości

Element

Ti

Fe

Atomic 

Mass(g/mol)

47.867

55.845

Density(g/cm

3

)

4,51

7,86

Melting Point(˚C)

1668

1538

Porównanie właściwości

Odporność korozyjna

• Woda morska i chlor (Cl) 
•  Na większość kwasów
•  Podstawowe roztwory solne

Właściwości

• Tytan pali się kiedy zostanie podgrzany do 

temperatury 610°C (1,130°F) lub większej  na 
wolnym powietrzu , tworząc tlenek tytanu. 

•  Pali się także w czystym azocie w temperaturze  

800°C (1,472°F ) i tworzy azotki tytanu które 
prowadzą do kruchości tego metalu,  

•  Odporny jest na działanie rozcieńczonego kwasu 

siarkowego i chlorowodorowego , chloru gazowego, 
roztworu chlorków i większości kwasów organicznych

•  Jest metalem paramagnetycznym i ma stosunkowo 

niskie przewodnictwo cieplne i elektryczne

Odporność korozyjna

Element

Weight

Strength

Weight

Strength

Corrosion 

Rate

(see water )

Live

Ti

1,0

1,0

1,0

1,0

Un-

limited

Al

0,57

0,29

0,51

0,36

1 

year

Steel

1,67

0,59

0,35

0,06

2 

years

0H18N9

1,67

0,59

0,35

0,31

200

years

Zalety stopów tytanu

Zalety stopów tytanu

Zalety stopów tytanu

Wady

•  Drogi w produkcji
• Właściwości 

mechaniczne obniżają 
drobne zawartości 
zanieczyszczeń jak 
O,N,C,

• Słabe przewodnictwo 

elektryczne, cieplne

Titanium 

Dioxide -   TiO

2 

• Bardzo ważny związek  – stosowany jako 

barwnik w farbach ( biel tytanowa )

•  95% z wytwarzanego TiO

2

 jest 

wykorzystywane w tej postaci 

• Jedna z najbielszych i bardzo jasnych 

substancji znanych chemikom i ludzkości

• Nazwa pigmentu – Biel tytanowa

Zastosowanie  - Tytanu

• Przemysł lotniczy 

 - 40%

•  Przemysł lekki i ciężki

 - 48%

•  Inne obszary

 - 12%

Zastosowanie - Titanium

• W przemyśle 

lotniczym i 

kosmicznym

•  Samolot 

Lockheed 

Blackbird – 85% 

Ti

• Około 43 ton of Ti 

w samolocie  

BOENING 747 

• Stosowany w 

przemyśle 

naftowym

ZASTOSOWANIE

BIOMATERIAŁY

 Zastosowanie tego nie 

toksycznego 
materiału w 
zastosowaniach 
medycznych 
(chirurgia)

  Przyrządy 

chirurgiczne

 Implanty medyczne

Tytan jako dodatek stopowy

• W stalach – rozdrabnia ziarno
• W stalach odpornych na korozję – do 

regulacji wielkości ziarna 

• Zastępuje  super stopy na bazie niklu 

–w przemyśle lotniczym, oraz w 
przemyśle motoryzacyjnym i 
energetycznym.

Zastosowania

• Podstawowy materiał konstrukcyjny w 

łodziach podwodnych rosyjskich i 
amerykańskich klasy  Alfa, Minke oraz 
Typhoon  

• Kije golfowe, rakiety tenisowe, rowery
•  Przemysł motoryzacyjny

SUROWCE

Ilmenit

• Podstawowy związek chemiczny – Fe.Ti0

3

 

• Twardość w skali Moh’sa  5-6, gęstość 

stopu  4.5-5.0g/cm

3

• Nieraz wykazuje właściwości magnetyczne, 

zawsze wykazuje właściwości 
magnetyczne po nagrzaniu, 

• Powszechnie występuje w Australii,
• Jedna z najważniejszych rud tytanu.

SUROWCE

Rutyl

•

Podstawowy składnik  – Ti0

2

•

Czerwono-brązowy kolor w dużych kryształach 
lub żółty w małych w cienkich kryształach

•

 Ruda typu tlenkowego

•

Twardość wg. skali Moh’sa  6-6.5, gęstość 4.2 
g/cm

3

•

Złoża rutyly zlokalizowane w  Brazylii, w Alpach 
Szwajcarskich , w USA i w niektórych rejonach 
Afryki 

Czterochlorek tytanu (TiCl

4

)

• Ważny półprodukt przy wytwarzaniu 

tytanu metalicznego i tlenku tytanu.

• Tytan reaguje gwałtownie z tlenem , 

dlatego większość procesów 
związanych z wytwarzanie tego 
metalu jest realizowana w próżni lub 
atmosferze gazu obojętnego. 

Czterochlorek tytanu (TiCl

4

)

• TiCl

4

 jest ciekły w temperaturze pokojowej 

•  Gęsta , nieprzeźroczysta ciecz   – temperatura 

wrzenia  136°C.

• Ma zastosowanie w przemyśle chemicznym – 

około 90% wykorzystywane do produkcji bieli 
tytanowej ( TiO

2

 ) - barwnika.

• Reaguje gwałtownie z wodą i tworzy tlenek tytanu 

i chlorowodór – musi być przechowywany w 
suchych pojemnikach ( bez wilgoci ) 

PRODUKCJA TYTANU

Metalurgia tytanu - 

ekstrakcja

•  

Proces Krolla- Extraction of titanium

Ruda tytanu – rutyl (TiO

2

) jest 

przekształcana w gąbkę tytanową w  

kilku etapowym procesie : 

Etap1.
Przepuszczamy chlor gazowy Cl

2

 przez 

wsad złożony  z rudy. W wyniku reakcji 

powstaje chlorek tytanu  ( TiCl

4 

) 

zgodnie z reakcją
TiO

2

 2Cl

2

 C TiCl

4

 CO

2

Metalurgia tytanu - 

ekstrakcja

Etap 2. TiCl

4

 jest oczyszczany na drodze 

 destylacji frakcyjnej .

Etap 3. Ciekły czterochlorek tytanu TiCl

4

 

reaguje z Mg lub Na w warunkach 

atmosfery obojętnej  (czysty -Ar). Aby 

otrzymać gąbkę tytanową podczas 

gdy zastosowany  Mg lub Na 

podlegają procesowi recyklingu :
2 Mg

(l)

 TiCl

4(l)

 2MgCl

2(l)

 Ti

(s)

Schemat procesu

TiCl

4

 - Production

• Otrzymywany w wyniku reakcji pomiędzy 

tlenkiem tytanu oraz chlorem.

• Surowce do produkcji powinny zawierać dużą 

koncentrację TiO

2

 – rutyl oraz syntetyczny rutyl są 

w tym procesie surowcem

• Rutyl jest umieszczany w złożu sfluidyzowanym w 

reaktorze , przedmuchiwany chlorem w obecności 
węgla w temperaturze powyżej  1000°C.

• W wyniku przebiegu reakcji otrzymujemy TiCl

4 

and 

CO

2

.

 

TiO

2

(s) + 2Cl

2

(g) + C(s) -> TiCl

4

(l) + 

CO

2

(g)

Synthetic Rutile (TiO

2

)

• Naturalny rutyl ze złoża zawiera ok. 90% 

dwutlenku titanium  ( TiO

2

 ). Jest możliwe jego 

natychmiastowe wprowadzenie do procesu .

• Kolejna podstawowa ruda tytanu ( Ilmenit ) 

zawiera tylko ok. 60% TiO

2

 . W celu podwyższenia 

jej przydatności do pewnych procesów 

rafinacyjnych jest on często wzbogacany w celu 

podwyższenia zawartości TiO

2

 aż do poziomu 

zawartości w rutylu. Produkt tego procesu nosi 

nazwę syntetycznego rutylu.

• W Australii syntetyczny rutyl jest wytwarzany w 

tzw. Procesie BECHERA od lat 1960 ubiegłego 

stulecia

Barwnik – 

Biel 

tytanowa

• Wytwarzana w procesie chlorowania lub 

siarczkowym. 

• Proces chlorowania jest lepszym z tych dwóch 

procesów.

• Proces siarczkowy wytwarza duże ilości produktów 

odpadowych , a barwnik nie jest najwyższej jakości 

• Proces chlorowania  jest procesem mniej 

pracochłonnym i łatwiejszym do sterowania. 

• Obecnie ok. 60% ogólnej ilości TiO

2

 jest 

wytwarzane w procesie chlorowania i wykazuje 
tendencję wzrostową

Pigment – Sulphate Process

Titanium Metal Extraction

• 1910 – Hunter Process, sodium reduction of 

TiCl

4,

• 1948 – Kroll Process, magnesium reduction 

of TiCl

4

• Present – improved Kroll Process,
•  Future – Hunter Process , , a continuous 

modified Kroll Process. 

• Cambridge Process ( FCC), electrolytic 

extraction.

•  TiRO Process, by CSIRO using fluidised bed 

technology.

Titanium Metal Extraction

• KROLL PROCESS
• HUNTER PROCESS

HUNTER PROCESS

TiCl

4

(l) + 4Na(l) -> 4NaCl(l) + Ti(s)

• Wg tej metody Tytan był po raz 

pierwszy wyprodukowany przez 

chemika amerykańskiego M. A. Hunter 

w 1910 r.

•W tej metodzie TiCl

4

 jest redukowany 

przy pomocy Na do gąbki tytanowej . 

Jako produkt  uboczny otrzymujemy 

NaCl 

• Reagenty są umieszczane w 

szczelnym stalowym naczyniu i 

podgrzane do  900°C. Uzyskujemy 

gąbkę tytanową i chlorek sodu.

Kroll Process

• Bardziej efektywny proces 

otrzymywania gąbki tytanowej . W tym 
procesie Na został zastąpiony 
magnezem 

• Opracowany przez  Williama Kroll w 

1937r., a pierwszy zakład przemysłowy 
rozpoczął pracę w 1948 r. 

TiCl

4

 + 2Mg = Ti + 2MgCl

2

Kroll Process

Kroll Process

• Magnez w nadmiarze jest podgrzewany w 

reaktorze do temperatury 850

o

C  

• TiCl

4

 jest rozpylany na powierzchnię 

reakcyjną i tworzy na powierzchni warstwę 

spieczonej porowatej masy tytanu. 

• Reakcja osiąga stan równowagi nawet po 

kilku dniach.

• Następnie pojemnik reakcyjny jest 

chłodzony i gąbka tytanowa usuwana.

Kroll Process

Proces Armstroga

• Redukcja wg podobnego schematu jak 

w procesie Huntera , ale do redukcji  
TiCl

4

 wykorzystujemy sód - Na.

• Jest procesem ciągłym, realizowanym 

w niższej temperaturze i pozwala 
wytwarzać stopy Ti bezpośrednio z 
wsadu

TiCl

4

(l) + 4Na(l) -> 4NaCl(l) + 

Ti(s)

Armstrong Process

TiCl

4

(l) + 4Na(l) -> 4NaCl(l) + Ti(s)

Armstrong Process

TiCl

4

(l) + 4Na(l) -> 4NaCl(l) + Ti(s)

Armstrong Process

• Możliwość 

produkcji 
bezpośrednio 
stopów.

• Produkt w postaci 

drobnych cząstek

TiCl

4

(l) + 4Na(l) -> 4NaCl(l) + 

Ti(s)

Metody topienia tytanu i 
jego stopów oraz innych 
metali przy wykorzystaniu 
:
-Plazmy 
niskotemperaturowej 
(PAM),
- Łuku elektrycznego 
(VAF),
- Strumienia elektronów 
( EBM)

Plasma Arc Remelting 

P P C F ( Plasma 

Progressive Casting 

Furnace

 )

Cechy 
charakterystyczne:

 Topienie granulowanej 
gąbki tytanowej w tyglu 
miedzianym chłodzonym 
wodą 

 Atmosfera w piecu:

 760 Torr (Ar)

 Przetapiane metale:

 Metale reaktywne  (Ti, Zr)

Plasma Arc Melting and 

Casting

Proces:

 Topienie granulowanej 
gąbki tytanowej w tyglu 
miedzianym chłodzonym 
wodą)

 Atmosfera w piecu:

 760 Torr (Argon lub 
próżnia) 

 Topione stopy:

 Metale reaktywne (Ti, Zr, 
Cr

)

V A F ( Vacuum Arc 

Melting Furnace ) 

  

 

                                                                              

Proces:

 Przetapianie do formy 
miedzianej chłodzonej  wodą 
w próżni 

 Atmosfera w piecu:

 - próżnia -10 Tor

 Topione materiały:

 Stale specjalne ,super stopy 
na bazie  (Ti, Zr) 

EBM – Electron Bean 

Melting

  

 

                                                                       

Proces:

 Przetapianie w próżni 
w tyglu miedzianym 
chłodzonym wodą

Atmosfera w piecu:

 próżnia -10-100 Tor

 Topione stopy:

 Metale o wysokiej 
temperaturze 
topnienia (Nb, 
Mo,Ta,W)

V I F ( Vacuum 

Induction Melting

 

) 

  

 

                                                                                  

Proces :

Topienie w piecu 
indukcyjnym z tyglem 
segmentowym 
wykonanym z miedzi

 Atmosfera w piecu:

Próżnia  -10 Tor

 Topione stopy:

 Metale reaktywne , stopy 
specjalne