Titanium

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Antecedentes

O titânio é conhecido como um metal de transição na tabela periódica dos elementos denotada pelo símbolo Ti. É um material leve, cinza-prata, com número atômico 22 e peso atômico 47,90. Tem uma densidade de 4510 kg / m ³ , que está em algum lugar entre as densidades de alumínio e aço inoxidável. Tem um ponto de fusão de aproximadamente 3.032 ° F (1.667 ° C) e um ponto de ebulição de 5.948 ° F (3.287 C). Ele se comporta quimicamente de forma semelhante ao zircônio e ao silício. Possui excelente resistência à corrosão e uma alta relação resistência / peso.

O titânio é o quarto metal mais abundante, constituindo cerca de 0,62% da crosta terrestre. Raramente encontrado em sua forma pura, o titânio normalmente existe em minerais como anatase, brookita, ilmenita, leucoxeno, perovskita, rutilo e esfeno. Embora o titânio seja relativamente abundante, continua caro porque é difícil de isolar. Os 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 podem ser agrupadas em quatro categorias principais. Suas propriedades dependem de sua estrutura química básica e da maneira como são manipulados durante a fabricação. Alguns elementos usados ​​para fazer ligas incluem alumínio, molibdênio, cobalto, zircônio, estanho e vanádio. As ligas de fase alfa têm a resistência mais baixa, mas são moldáveis ​​e soldáveis. As ligas alfa e beta têm alta resistência. As ligas quase alfa têm resistência média, mas boa resistência à fluência. As ligas de fase beta têm a maior resistência de todas as ligas de titânio, mas também carecem de ductilidade.

As aplicações do titânio e suas ligas são numerosas. A indústria aeroespacial é a maior usuária de produtos de titânio. É útil para esta indústria por causa de sua alta relação resistência / peso e propriedades de alta temperatura. É normalmente usado para peças e fixadores de aviões. Essas mesmas propriedades tornam o titânio útil para a produção de motores de turbina a gás. Ele é usado para peças como as lâminas do compressor, carcaças, capotas do motor e escudos térmicos.

Como o titânio tem boa resistência à corrosão, é um material importante para a indústria de acabamento de metais. Aqui, ele é usado para fazer bobinas de trocador de calor, gabaritos e revestimentos. A resistência do titânio ao cloro e ao ácido o torna um material importante no processamento químico. É usado para várias bombas, válvulas e trocadores de calor na linha de produção de produtos químicos. A indústria de refino de petróleo emprega materiais de titânio para tubos condensadores devido à resistência à corrosão. Esta propriedade também o torna útil para equipamentos usados ​​no processo de dessalinização.

O titânio é usado na produção de implantes humanos porque tem boa compatibilidade com o corpo humano. Um dos usos recentes mais notáveis ​​do titânio é em corações artificiais implantados pela primeira vez em um ser humano em 2001. Outros usos do titânio são em substituições de quadril, marcapassos, desfibriladores e cotovelos e articulações de quadril.

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

História

A maioria dos historiadores atribuem a William Gregor a descoberta do titânio. Em 1791, ele estava trabalhando com menachanita (um mineral encontrado na Inglaterra) quando reconheceu o novo elemento e publicou seus resultados. O elemento foi redescoberto alguns anos depois no rutilo de minério por M. H. Klaproth, um químico alemão. Klaproth deu ao elemento o nome de titânio em homenagem aos gigantes mitológicos, os Titãs.

Tanto Gregor quanto Klaproth trabalharam com compostos de titânio. O primeiro isolamento significativo de titânio quase puro foi realizado em 1875 por Kirillov na Rússia. O 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 da década de 1920, um grupo de cientistas holandeses criou pequenos fios de titânio puro conduzindo uma reação de dissociação em tetraiodeto de titânio.

Essas demonstrações levaram William Kroll a começar a experimentar diferentes métodos para isolar titânio de maneira eficiente. Esses primeiros experimentos levaram ao desenvolvimento de um processo para isolar titânio por redução com magnésio em 1937. Esse processo, agora chamado de processo Kroll, ainda é o principal processo para a produção de titânio. Os primeiros produtos feitos de titânio foram introduzidos por volta da década de 1940 e incluíam fios, folhas e hastes.

Embora o trabalho de Kroll tenha demonstrado um método de produção de titânio em escala de laboratório, levou quase uma década mais para que pudesse ser adaptado para produção em grande escala. Este trabalho foi conduzido pelo Bureau of Mines dos Estados Unidos de 1938 a 1947 sob a direção de R. S. Dean. Em 1947, eles fizeram várias modificações no processo da Kroll e produziram quase 2 toneladas de titânio metálico. Em 1948, a DuPont abriu a primeira operação de manufatura em grande escala.

Este método de fabricação em larga escala permitiu o uso de titânio como material estrutural. Na década de 1950, foi usado principalmente pela indústria aeroespacial na construção de aeronaves. Como o titânio era superior ao aço em muitas aplicações, a indústria cresceu rapidamente. Em 1953, a produção anual havia atingido 2 milhões de libras (907.200 kg) e o principal cliente do titânio eram os militares dos Estados Unidos. Em 1958, a demanda por titânio caiu significativamente porque os militares mudaram seu foco de aeronaves tripuladas para mísseis para os quais o aço era mais apropriado. Desde então, a indústria do 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% pelas indústrias não aeroespaciais.

Matérias-primas

O titânio é obtido a partir de vários minérios que ocorrem naturalmente na Terra. Os principais minérios usados ​​para a produção de titânio incluem ilmenita, leucoxeno e rutilo. Outras fontes notáveis ​​incluem anatase, perovskita e esfeno.

Ilmenita e leucoxeno são minérios titaníferos. A ilmenita (FeTiO3) contém aproximadamente 53% de dióxido de titânio. O leucoxeno tem uma composição semelhante, mas tem cerca de 90% de dióxido de titânio. Eles 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 de dióxido de titânio cristalino e recentemente se tornou uma fonte comercial significativa de titânio. Ambos são encontrados principalmente em depósitos de areia e praia.

Perovskita (CaTiO3) e esfeno (CaTi-SiO5) são minérios de cálcio e titânio. Nenhum desses materiais é usado na produção comercial de titânio devido à dificuldade de remoção do cálcio. No futuro, é provável que a perovskita possa ser usada comercialmente porque contém quase 60% de dióxido de titânio e só tem cálcio como impureza. O esfeno tem o silício como segunda impureza, o que torna ainda mais difícil isolar o titânio.

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

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

O processo de fabricação

O titânio é produzido pelo processo Kroll. As etapas envolvidas incluem extração, purificação, produção de esponja, criação de liga e formação e modelagem. Nos Estados Unidos, muitos fabricantes se especializam em diferentes fases dessa 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 conclui todas essas etapas.

Extração

• 1 No início da produção, o fabricante recebe concentrados de titânio das minas. Embora o rutilo possa ser usado em sua forma natural, a ilmenita é processada para remover o ferro de forma que contenha pelo menos 85% de dióxido de titânio. Esses materiais são colocados em um reator de leito fluidizado junto com cloro gasoso e carbono. O material é aquecido a 1.652 ° F (900 ° C) e a reação química subsequente resulta na criação de tetracloreto de titânio impuro (TiCl4) e monóxido de carbono. As impurezas são resultado do fato de que o dióxido de titânio puro não é usado no início. Portanto, os vários cloretos de metal indesejáveis ​​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 por destilação fracionada e precipitação. Esta ação remove os 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 um líquido para um vaso de reator de aço inoxidável. Magnésio é então adicionado e o recipiente é aquecido a cerca de 2.012 ° F (1.100 ° C). O argônio é bombeado para o recipiente para que o ar seja removido e a contaminação com oxigênio ou nitrogênio seja evitada. O magnésio reage com o cloro produzindo cloreto de magnésio líquido. Isso deixa o titânio puro, pois o ponto de fusão do titânio é mais alto do que o da reação.
• 4 O titânio sólido é removido do reator por perfuração e então tratado com água e ácido clorídrico para remover o excesso de magnésio e cloreto de magnésio. O sólido resultante é um metal poroso denominado esponja.

Criação de liga

• 5 A esponja de titânio puro pode então ser convertida em uma liga utilizável por meio de um forno a arco com eletrodo consumível. Neste ponto, a esponja é misturada com as várias adições de liga e sucata. A proporção exata da esponja para o material da liga é formulada em um laboratório antes da produção. Essa massa é então compactada e soldada, formando um eletrodo de esponja.
• 6 O eletrodo esponja é então colocado em um forno a arco a vácuo para derretimento. Neste recipiente de cobre resfriado a água, um arco elétrico é usado para derreter o eletrodo de esponja para formar um lingote. Todo o ar do recipiente é removido (formando um vácuo) ou a atmosfera é preenchida com argônio para evitar contaminação. Normalmente, o lingote é fundido novamente uma ou duas vezes para produzir um lingote comercialmente aceitável. Nos Estados Unidos, a maioria dos lingotes produzidos por este método pesa cerca de 9.000 lb (4.082 kg) e tem 30 pol (76,2 cm) de diâmetro.
• 7 Depois que um lingote é feito, ele é removido do forno e inspecionado quanto a defeitos. A superfície pode ser condicionada conforme a necessidade do cliente. O lingote pode então ser enviado para um fabricante de produtos acabados, onde pode ser moído 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 sua produção. A célula de reciclagem separa primeiro o magnésio metálico e, em seguida, o cloro gasoso é coletado. Ambos os componentes são reutilizados na produção de titânio.

O Futuro

Os avanços futuros na fabricação de titânio provavelmente serão encontrados na área de produção aprimorada de lingotes, no desenvolvimento de novas ligas, na redução dos custos de produção e na aplicação em novas indústrias. Atualmente, há necessidade de lingotes maiores do que os que podem ser produzidos pelos fornos disponíveis. A pesquisa está em andamento para desenvolver fornos maiores que possam atender a essas necessidades. Trabalho também está sendo feito para encontrar a composição ideal de várias ligas de titânio. Em última análise, os pesquisadores esperam que materiais especializados com microestruturas controladas sejam prontamente produzidos. Finalmente, os pesquisadores têm investigado diferentes métodos de purificação de titânio. Recentemente, cientistas da Universidade de Cambridge anunciaram um método para produzir titânio puro diretamente do dióxido de titânio. Isso poderia reduzir substancialmente os custos de produção e aumentar a disponibilidade.

Onde aprender mais

Livros

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

Departamento de Pesquisa Geológica do Interior dos EUA. Minerals Yearbook Volume 1. Washington, DC:U.S. Government Printing Office, 1998.

Periódicos

Freemantle, M. "Titanium Extracted Directly from TiO2." Notícias de Química e Engenharia (25 de setembro de 2000).

Eylon D. "Titânio para energia e aplicações industriais." Sociedade Metalúrgica AIME (1987).

Outro

Página da Web de WebElements. Dezembro de 2001. .

Perry Romanowski

Tiara Torradeira