Le titane est abondant dans la croûte terrestre et la Chine se classe au premier rang mondial en termes de ressources en titane, avec des réserves prouvées représentant environ 38,8 % du total mondial. Ces ressources sont réparties dans plus de 100 zones minières dans plus de 20 provinces et régions, principalement concentrées dans les régions du sud-ouest, du centre-sud et du nord de la Chine. En particulier, les gisements de magnétite de vanadium-titane de la région de Panxi sont mondialement connus pour leurs réserves substantielles, représentant 92 % des ressources chinoises en titane, constituant une base solide pour l'industrie nationale du titane. Cependant, le processus de production actuel du titane se caractérise par de longs cycles de traitement, une consommation d’énergie élevée et une pollution grave, ce qui entraîne des prix élevés et limite son utilisation généralisée. Par conséquent, le développement de nouvelles méthodes de production de titane à faible coût est d'une importance capitale pour accélérer la transition de la Chine d'un pays majeur en ressources de titane à une puissance de production de titane.
Processus métallurgique traditionnel du titane
Le procédé traditionnel de fusion du titane, connu sous le nom de « procédé Kroll », implique la réduction du tétrachlorure de titane (TiCl4) avec du sodium ou du magnésium métallique pour obtenir du titane métallique. Comme le titane est produit en dessous de son point de fusion, il existe sous une forme spongieuse, d’où le nom de « titane spongieux ». Le procédé Kroll comprend trois étapes principales : la préparation de matériaux riches en titane, la production de TiCl4, ainsi que la réduction et la distillation pour produire du titane spongieux.
Nouveaux procédés métallurgiques du titane
Pour réduire le coût de production du titane métallique, les chercheurs ont exploré de nombreuses nouvelles méthodes d'extraction, notamment l'électrolyse TiCl4, le procédé ITP (Armstrong), le procédé FFC, le procédé OS, le procédé de pré-réduction (PRP), le procédé QT, le procédé MER et le procédé USTB. .
Électrolyse TiCl4 pour la production de titane
Les oxydes de titane et les chlorures de titane peuvent servir de matières premières pour la production industrielle de titane. Cependant, seul le chlorure de titane a été utilisé comme précurseur pour la production de titane métallique en raison de sa capacité à éliminer efficacement les impuretés d’oxygène et de carbone. Les recherches actuelles se concentrent sur la préparation et la purification du TiCl4, avec des méthodes telles que la réduction thermique du sodium, la réduction de l'oxygène, la réduction de l'hydrogène et l'électrolyse directe.
Processus Armstrong/ITP (International Titanium Powder)
Créée en 1997, ITP, basée à Chicago, aux États-Unis, utilise du sodium gazeux pour réduire le TiCl4, permettant ainsi la production continue de poudre de titane. Cette méthode consiste à injecter de la vapeur de TiCl4 dans un flux de sodium gazeux, générant de la poudre de titane et du NaCl, qui sont ensuite séparés par distillation, filtration et lavage. Le processus se targue d'une grande pureté de produit et d'un respect de l'environnement, mais des défis subsistent pour réduire les coûts de production et améliorer la qualité du produit.
Processus FFC (Processus de Cambridge)
Proposé en 2000 par le professeur DJ Fray et ses collaborateurs de l'Université de Cambridge, le procédé FFC consiste à électrolyser un oxyde de titane solide comme cathode, du graphite comme anode et un chlorure de métal alcalino-terreux fondu comme électrolyte. Cette méthode est respectueuse de l'environnement, avec un cycle de production court, mais elle est confrontée à des défis tels qu'une teneur élevée en oxygène dans le produit et la discontinuité du processus.
Processus du système d'exploitation
Développé par One et Suzuki au Japon, ce procédé utilise du calcium obtenu par électrolyse pour réduire le TiO2 en titane métallique. Le processus se déroule dans une masse fondue Ca/CaO/CaCl2, avec de la poudre d'oxyde de titane placée dans un panier cathodique. La méthode promet des réductions de coûts significatives mais produit du titane métallique avec une teneur en oxygène relativement élevée.
Processus PRP
Proposée par des chercheurs japonais, cette méthode mélange le TiO2 avec des agents fondants comme CaO ou CaCl2, façonne le mélange, le fritte et l'expose à de la vapeur de calcium à haute température pour produire de la poudre de titane. La poudre obtenue peut atteindre une pureté de 99 % avec une teneur réduite en oxygène.
Processus QiT
Développé par Québec Fer et Titane Inc., ce procédé consiste à électrolyser des scories de titane dans un environnement de sel fondu pour produire du titane métallique. Le procédé peut être réalisé en une ou deux étapes, en fonction de la teneur en titane et des niveaux d'impuretés dans les scories.
Processus MER
Développé par MER Corporation, ce procédé utilise du TiO2 ou du rutile comme anode et un mélange de chlorure comme électrolyte. L'anode émet un mélange de gaz CO et CO2 lors de l'électrolyse, tandis que les ions titane sont réduits en titane métallique à la cathode.
Processus USTB
En 2005, le professeur Zhu Hongmin et son équipe de l'Université des sciences et technologies de Pékin ont proposé une nouvelle méthode d'extraction de titane spongieux par électrolyse aux sels fondus : l'électrolyse d'une anode TiO·mTC, une solution solide soluble de TiO2 et TiC, pour produire du titane pur.
Ce procédé consiste à mélanger du carbone et du dioxyde de titane ou des poudres de carbure de titane et de dioxyde de titane dans des proportions stoechiométriques, à les presser pour obtenir une forme, puis, dans certaines conditions, à former une anode TiO·mTC à conductivité métallique. En utilisant un sel fondu d’halogénures de métal alcalin ou alcalino-terreux comme électrolyte, l’électrolyse est effectuée à une température spécifique. Au cours de ce processus, le titane se dissout dans le sel fondu sous forme d'ions de faible valence et se dépose à la cathode, tandis que le carbone et l'oxygène contenus dans l'anode forment des oxydes de carbone gazeux (CO, CO2) ou de l'oxygène (O2) qui sont libérés. . Cette méthode peut produire une poudre métallique de titane de haute pureté avec une teneur en oxygène inférieure à 300 × 10-6, répondant à la norme nationale de première qualité et atteignant une efficacité de courant cathodique allant jusqu'à 89 %.
Les avantages notables de cette méthode incluent la possibilité d’effectuer en continu le processus d’électrolyse sans générer de boue d’anode, la simplicité du processus, le faible coût et le respect de l’environnement.
L'extraction du titane métallique est un domaine de recherche important en métallurgie, et le procédé d'électrolyse aux sels fondus est considéré comme l'alternative la plus prometteuse au procédé Kroll pour la métallurgie du titane. Compte tenu des vastes réserves et de l’importance cruciale des ressources en titane, l’utilisation globale de la titanomagnétite vanadifère revêt une grande importance. Si l’on examine l’état actuel de la recherche et du développement des procédés d’extraction du titane, les procédés utilisant TiCl4 comme précurseur sont généralement confrontés à des difficultés de réduction des coûts, tandis que la préparation directe de titane métallique à partir de TiO2 mérite des recherches plus approfondies. Si les problèmes techniques peuvent être surmontés, une application à l’échelle industrielle pourrait devenir réalisable.
