Titânio: Propriedades-Chave, Aplicações e Usos Industriais

Contexto

Titânio é conhecido como um metal de transição na tabela periódica dos elementos denotado pelo símbolo Ti. É um material leve, cinza-prateado com número atômico 22 e peso atômico 47,90. Tem densidade de 4510 kg/m³, que está entre as densidades de alumínio e aço inoxidável. Tem ponto de fusão de aproximadamente 1.667°C e ponto de ebulição de 3.287°C. Comporta-se quimicamente similar a zircônio e silício. Tem excelente resistência à corrosão e alta relação resistência-peso.

Titânio é o quarto metal mais abundante compondo cerca de 0,62% da crosta terrestre. Raramente encontrado em forma pura, titânio tipicamente existe em minerais como anatase, brookita, ilmenita, leucoxena, perovskita, rutilo e esfena. Embora titânio seja relativamente abundante, continua caro porque é difícil de isolar. Principais produtores de concentrados de titânio incluem Austrália, Canadá, China, Índia, Noruega, África do Sul e Ucrânia. Nos Estados Unidos, os principais estados produtores de titânio são Flórida, Idaho, Nova Jersey, Nova York e Virgínia.

Milhares de ligas de titânio foram desenvolvidas e estas podem ser agrupadas em quatro categorias principais. Suas propriedades dependem de sua estrutura química básica e da forma como são manipuladas durante a fabricação. Alguns elementos usados para fazer ligas incluem alumínio, molibdênio, cobalto, zircônio, estanho e vanádio. Ligas de fase alfa têm a menor resistência mas são conformáveis e soldáveis. Ligas alfa mais beta têm alta resistência. Ligas near-alfa têm resistência média mas boa resistência a fluência. Ligas de fase beta têm a maior resistência de qualquer liga de titânio mas também carecem de ductilidade.

As aplicações de titânio e suas ligas são numerosas. A indústria aeroespacial é a maior usuária de produtos de titânio. É útil para esta indústria por sua alta relação resistência-peso e propriedades de alta temperatura. É tipicamente usado para peças de avião e fixadores. Estas mesmas propriedades tornam titânio útil para produção de motores a turbina a gás. É usado para peças como pás de compressor, carcaças, cowls de motor e escudos de calor.

Como titânio tem boa resistência à corrosão, é material importante para indústria de acabamento metálico. Aqui é usado para fazer bobinas de trocador de calor, gabaritos e revestimentos. Resistência do titânio a cloro e ácido o torna material importante em processamento químico. É usado para várias bombas, válvulas e trocadores de calor na linha de produção química. A indústria de refino de petróleo emprega materiais de titânio para tubos de condensador por causa da resistência à corrosão. Esta propriedade também o torna útil para equipamentos usados no processo de dessalinização.

Titânio é usado na produção de implantes humanos porque tem boa compatibilidade com o corpo humano. Um dos usos mais notáveis recentes de titânio é em corações artificiais primeiro implantados em humano em 2001. Outros usos de titânio são em substituições de quadril, marcapassos, desfibriladores e articulações de cotovelo e quadril.

Finalmente, materiais de titânio são usados na produção de numerosos produtos de consumo. É usado na fabricação de coisas como sapatos, joias, computadores, equipamentos esportivos, relógios e esculturas. Como dióxido de titânio, é usado como pigmento branco em plástico, papel e tinta. É até usado como corante alimentar branco e como protetor solar em produtos cosméticos.

História

A maioria dos historiadores credita William Gregor pela descoberta do titânio. Em 1791, ele estava trabalhando com menacanita (um mineral encontrado na Inglaterra) quando reconheceu o novo elemento e publicou seus resultados. O elemento foi redescoberto alguns anos depois no minério rutilo por M. H. Klaproth, um químico alemão. Klaproth nomeou o elemento titânio após os gigantes mitológicos, os Titãs.

Tanto Gregor quanto Klaproth trabalharam com compostos de titânio. A primeira isolamento significativo de titânio quase puro foi realizado em 1875 por Kirillov na Rússia. Isolamento do metal puro não foi demonstrado até 1910 quando Matthew Hunter e seus associados reagiram tetracloreto de titânio com sódio em uma bomba de aço aquecida. Este processo produziu peças individuais de titânio puro. Em meados dos anos 1920, um grupo de cientistas holandeses criou pequenos fios de titânio puro conduzindo uma reação de dissociação em tetraiodeto de titânio.

Estas demonstrações levaram William Kroll a começar a experimentar diferentes métodos para isolar titânio eficientemente. Estes experimentos iniciais levaram ao desenvolvimento de um processo para isolar titânio por redução com magnésio em 1937. Este processo, agora chamado processo Kroll, ainda é o processo primário para produzir titânio. Os primeiros produtos feitos de titânio foram introduzidos por volta dos anos 1940 e incluíam coisas como fios, chapas e hastes.

Enquanto o trabalho de Kroll demonstrou um método para produção de titânio em escala de laboratório, levou quase uma década mais antes que pudesse ser adaptado para produção em larga escala. Este trabalho foi conduzido pelo Bureau of Mines dos Estados Unidos de 1938 a 1947 sob direção de R. S. Dean. Em 1947, eles haviam feito várias modificações no processo de Kroll e produzido quase 2 toneladas de metal de titânio. Em 1948, DuPont abriu a primeira operação de fabricação em larga escala.

Este método de fabricação em larga escala permitiu o uso de titânio como material estrutural. Nos anos 1950, foi usado principalmente pela indústria aeroespacial na construção de aeronaves. Como titânio era superior a aço para muitas aplicações, a indústria cresceu rapidamente. Em 1953, produção anual atingiu 907.200 kg e o cliente principal para titânio era o exército dos Estados Unidos. Em 1958, demanda por titânio caiu significativamente porque o exército mudou seu foco de aeronaves tripuladas para mísseis para os quais aço era mais apropriado. Desde então, a indústria de titânio teve vários ciclos de alta e baixa demanda. Numerosas novas aplicações e indústrias para titânio e suas ligas foram descobertas ao longo dos anos. Hoje, cerca de 80% do titânio é usado pela indústria aeroespacial e 20% por indústrias não-aeroespaciais.

Matérias-Primas

Titânio é obtido de vários minérios que ocorrem naturalmente na terra. Os minérios primários usados para produção de titânio incluem ilmenita, leucoxena e rutilo. Outras fontes notáveis incluem anatase, perovskita e esfena.

Ilmenita e leucoxena são minérios titaníferos. Ilmenita (FeTiO3) contém aproximadamente 53% de dióxido de titânio. Leucoxena tem composição similar mas tem cerca de 90% de dióxido de titânio. São encontrados associados a depósitos de rocha dura ou em praias e areias aluviais. Rutilo é dióxido de titânio relativamente puro (TiO2). Anatase é outra forma cristalina de dióxido de titânio e apenas recentemente tornou-se fonte comercial significativa de titânio. Ambos são encontrados principalmente em depósitos de praia e areia.

Perovskita (CaTiO3) e esfena (CaTi-SiO5) são minérios de cálcio e titânio. Nenhum destes materiais é usado na produção comercial de titânio devido à dificuldade em remover o cálcio. No futuro, é provável que perovskita possa ser usada comercialmente porque contém quase 60% de dióxido de titânio e tem apenas cálcio como impureza. Esfena tem silício como segunda impureza que torna ainda mais difícil isolar o titânio.

Além dos minérios, outros compostos usados na produção de titânio incluem gás cloro, carbono e magnésio.

Titânio é usado para uma ampla variedade de itens, como quadros de bicicleta, implantes de quadril, armações de óculos e brincos.

Processo de Fabricação

Titânio é produzido usando o processo Kroll. As etapas envolvidas incluem extração, purificação, produção de esponja, criação de liga, e conformação e moldagem. Nos Estados Unidos, muitos fabricantes se especializam em diferentes fases desta produção. Por exemplo, há fabricantes que apenas fazem a esponja, outros que apenas fundem e criam a liga, e ainda outros que produzem os produtos finais. Atualmente, nenhum fabricante único completa todas estas etapas.

Extração

• 1 No início da produção, o fabricante recebe concentrados de titânio de minas. Enquanto rutilo pode ser usado em sua forma natural, ilmenita é processada para remover o ferro para que contenha pelo menos 85% de dióxido de titânio. Estes materiais são colocados em um reator de leito fluidizado junto com gás cloro e carbono. O material é aquecido a 900°C e a subsequente reação química resulta na criação de tetracloreto de titânio impuro (TiCl4) e monóxido de carbono. Impurezas são resultado do fato de que dióxido de titânio puro não é usado no início. Portanto, os vários cloretos metálicos indesejados que são produzidos devem ser removidos.

Purificação

• 2 O metal reagido é colocado em grandes tanques de destilação e aquecido. Durante esta etapa, as impurezas são separadas usando destilação fracionada e precipitação. Esta ação remove cloretos metálicos incluindo os de ferro, vanádio, zircônio, silício e magnésio.

Produção da Esponja

• 3 Em seguida, o tetracloreto de titânio purificado é transferido como líquido para um vaso de reator de aço inoxidável. Magnésio é então adicionado e o recipiente é aquecido a cerca de 1.100°C. Argônio é bombeado para o recipiente para que o ar seja removido e contaminação com oxigênio ou nitrogênio seja prevenida. O magnésio reage com o cloro produzindo cloreto de magnésio líquido. Isso deixa titânio puro sólido já que o ponto de fusão do titânio é mais alto que o da reação.
• 4 O sólido de titânio é removido do reator por furação e então tratado com água e ácido clorídrico para remover excesso de magnésio e cloreto de magnésio. O sólido resultante é um metal poroso chamado esponja.

Criação da Liga

• 5 A esponja de titânio pura pode então ser convertida em uma liga utilizável via forno a arco de eletrodo consumível. Neste ponto, a esponja é misturada com as várias adições de liga e sucata metálica. A proporção exata de esponja para material de liga é formulada em laboratório antes da produção. Esta massa é então prensada em compactos e soldada junto, formando um eletrodo de esponja.
• 6 O eletrodo de esponja é então colocado em um forno a arco a vácuo para fusão. Neste recipiente de cobre refrigerado a água, um arco elétrico é usado para fundir o eletrodo de esponja para formar um lingote. Todo o ar no recipiente é ou removido (formando vácuo) ou a atmosfera é preenchida com argônio para prevenir contaminação. Tipicamente, o lingote é re-fundido uma ou duas vezes mais para produzir um lingote comercialmente aceitável. Nos Estados Unidos, a maioria dos lingotes produzidos por este método pesam cerca de 4.082 kg e têm 76,2 cm de diâmetro.
• 7 Após um lingote ser feito, ele é removido do forno e inspecionado para defeitos. A superfície pode ser condicionada conforme necessário para o cliente. O lingote pode então ser enviado a um fabricante de produtos acabados onde pode ser laminado e fabricado em vários produtos.

Subprodutos/Resíduos

Durante a produção de titânio puro uma quantidade significativa de cloreto de magnésio é produzida. Este material é reciclado em uma célula de reciclagem imediatamente após ser produzido. A célula de reciclagem primeiro separa o metal magnésio então o gás cloro é coletado. Ambos os componentes são reutilizados na produção de titânio.

O Futuro

Avanços futuros na fabricação de titânio provavelmente serão encontrados na área de produção de lingote melhorada, desenvolvimento de novas ligas, redução de custos de produção, e aplicação a novas indústrias. Atualmente, há necessidade de lingotes maiores do que podem ser produzidos pelos fornos disponíveis. Pesquisa está em andamento para desenvolver fornos maiores que possam atender estas necessidades. Trabalho também está sendo feito na busca da composição ótima de várias ligas de titânio. Em última análise, pesquisadores esperam que materiais especializados com microestruturas controladas serão prontamente produzidos. Finalmente, pesquisadores têm investigado diferentes métodos para purificação de titânio. Recentemente, cientistas da Universidade de Cambridge anunciaram um método para produzir titânio puro diretamente de dióxido de titânio. Isso poderia reduzir substancialmente custos de produção e aumentar disponibilidade.

Para Saber Mais

Livros

Othmer, K. Encyclopedia of Chemical Technology. Nova York: Marcel Dekker, 1998.

U.S. Department of the Interior U.S Geological Survey. Minerals Yearbook Volume 1. Washington, DC: U.S. Government Printing Office, 1998.

Periódicos

Freemantle, M. "Titanium Extracted Directly from TiO2." Chemical and Engineering News (25 setembro 2000).

Eylon D. "Titanium for Energy and Industrial Applications." Metallurgical Society AIME (1987).

Outros

WebElements Web Page. Dezembro 2001. .

Perry Romanowski