Del mineral al producto terminado: dificultades del proceso y avances en el titanio

El titanio se encuentra entre los diez principales metales en términos de reservas de la corteza terrestre y no es un recurso escaso. Sin embargo, convertir minerales de ilmenita y rutilo en materiales a base de titanio implica enormes desafíos metalúrgicos y de procesamiento. Gracias a la investigación y el desarrollo continuos y a los esfuerzos industriales, se han logrado múltiples avances técnicos en toda la cadena industrial del titanio, que abarcan el beneficio del mineral, la fundición de esponjas de titanio, la fundición y la forja y el mecanizado de precisión, derribando gradualmente las barreras técnicas paramateriales de titanio de alta gama.

 

 

 

 

1.Beneficio y enriquecimiento de minerales

Materias primas: ilmenita, rutilo.
Proceso: separación por gravedad, separación magnética, flotación → concentrado con alto contenido de titanio

 

2.Reducción de cloración para la producción de esponjas de titanio

Proceso: cloración a alta temperatura + purificación por rectificación → tetracloruro de titanio; Proceso Kroll → destilación al vacío para eliminación de impurezas, trituración y cribado → esponja de titanio

 

3.Fundición y fundición al vacío para la producción de lingotes de titanio

Proceso: se añaden elementos de aleación como aluminio, vanadio y molibdeno a una esponja de titanio, seguido de fusión y fundición al vacío → lingotes de titanio

 

4.Procesamiento a presión y fabricación de precisión de productos de titanio.

Proceso: forjado, laminado, extrusión, soldadura, tratamiento térmico → productos terminados que incluyen barras, placas, tubos y piezas forjadas de titanio.

Aplicaciones: aeroespacial, ingeniería marina, dispositivos médicos, equipos cloro-álcali y otros campos

 

 

1.Desafíos en el enriquecimiento y cloración de minerales

La ilmenita natural presenta un bajo contenido de dióxido de titanio y abundantes impurezas. La producción de escoria con alto contenido de titanio/rutilo sintético requiere largos procedimientos de mejora con un alto consumo de energía. La cloración genera tetracloruro de titanio altamente corrosivo, provocando un desgaste severo del equipo. La rectificación-purificación del tetracloruro de titanio en bruto implica flujos de trabajo complejos, lo que genera una pérdida sustancial de material y una gran presión para la eliminación de subproductos.

 

2.Deficiencias en la fundición de esponjas de titanio

La reducción térmica de magnesio de Kroll es una tecnología de producción por lotes. Un ciclo de un solo horno dura desde varios días hasta más de diez días, y es discontinuo a diferencia de la producción de acero o aluminio, lo que resulta en una baja eficiencia y un alto consumo de energía. Se requiere protección con gas inerte de alta pureza durante todo el proceso, y el equipo para el reciclaje de cloruro de magnesio y magnesio es sofisticado. La estructura porosa de la esponja de titanio tiende a atrapar impurezas, lo que impone requisitos estrictos en materia de sellado, calidad de la materia prima y control operativo. Un mal funcionamiento menor puede degradar todo el lote del horno, creando altas barreras para la fabricación de esponjas de titanio de grado aeroespacial.

 

3.Dificultades para fundir, fundir y forjar

La fusión de esponjas de titanio debe realizarse al vacío o en una atmósfera inerte. Los lingotes de titanio de gran tamaño son propensos a sufrir defectos de segregación e inclusión en su composición. Las aleaciones de titanio muestran una alta resistencia a la deformación, ventanas estrechas de temperatura de procesamiento, susceptibilidad a la captación de impurezas y oxidación a altas temperaturas y poca formabilidad a bajas temperaturas. Las aleaciones de titanio presentan una alta viscosidad durante el corte, lo que provoca un gran desgaste de la herramienta. La pérdida de material durante el mecanizado de componentes de lingotes fundidos puede superar el 70 %, lo que aumenta los costes generales. La soldadura en contacto con el aire produce capas de óxido quebradizas y se aplican normas de calidad de soldadura extremadamente estrictas para equipos aeroespaciales y de aguas profundas.

 

4.Desafíos en el control del desempeño de aleaciones de alta gama

Las aplicaciones aeroespaciales, de ingeniería de aguas profundas, médicas y otras imponen requisitos de rendimiento divergentes a las aleaciones de titanio. Ligeras variaciones en la formulación de la aleación, los procedimientos de enfriamiento y fusión y los parámetros del tratamiento térmico pueden alterar las propiedades del material, creando barreras técnicas elevadas para las aleaciones de titanio de alta gama.

 

 

1.Fundición de esponja de titanio

Los hornos de destilación reductora a gran escala construidos en el país han logrado la localización. Los hornos de gran tonelaje mejoran la producción y la calidad de las esponjas de titanio, al tiempo que reducen el consumo de energía, aumentan la proporción de productos de calidad aeroespacial y reducen la dependencia de suministros importados de alta gama. Los procesos optimizados de circulación de magnesio y cloro reducen los costos y la contaminación en la ruta tradicional de Kroll. Las nuevas tecnologías de electrólisis de sales fundidas, como FFC y USTB, pueden producir titanio directamente y omitir el paso de cloración, pero aún están en etapa de laboratorio sin implementarse a escala industrial.

 

2. Fusión de lingotes

Se ha industrializado la fusión en hogar frío por haz de electrones. Resuelve defectos de inclusión en lingotes, permite el reciclaje de chatarra de titanio y fabrica lingotes de titanio de gran tamaño y alta pureza, rompiendo así los monopolios extranjeros. La fusión en varias etapas mitiga la segregación compositiva. Los lingotes nacionales de aleaciones de titanio de gran tamaño apoyan la fabricación de equipos nacionales clave, como aviones de gran tamaño y sumergibles tripulados de aguas profundas para operaciones a 10 000 metros de profundidad.

 

3.Procesamiento de presión

Se han puesto en funcionamiento equipos de fabricación nacional, incluidas prensas de forjado rápido de diez mil toneladas y laminadores continuos en caliente para flejes de titanio. Permiten la producción en masa de materiales de titanio de gran anchura, grandes dimensiones y paredes delgadas. Productos como bobinas laminadas en caliente Gr5 de 2,5 mm y tiras de titanio ultrafinas de 0,1 mm sirven a las industrias química y de pilas de combustible. Materiales compuestos de acero-titanio y pérdida de material de corte de formación casi neta. Las tecnologías de soldadura avanzadas permiten la fabricación de componentes a gran escala, como cilindros marinos resistentes a la presión y materiales de sustrato para ánodos cloroalcalinos DSA.

 

4.Desarrollo de aleaciones y fabricación aditiva

Las aleaciones de titanio desarrolladas de forma independiente cumplen con condiciones operativas extremas para equipos de aguas profundas y motores aeronáuticos. Se ha producido en masa polvo de titanio para impresión 3D para componentes de carga aeroespaciales. El posprocesamiento mejora la resistencia a la fatiga de las piezas fabricadas aditivamente y la conformación casi neta reduce el consumo de material durante la producción.

 

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