크롤 공정

크롤 공정(Kroll process)은 사염화 티타늄으로부터 금속 타이타늄을 생산하는 데 사용되는 건식 야금 산업 공정이다. 2001년 기준으로 윌리엄 저스틴 크롤의 공정은 거의 모든 상업 생산에서 헌터 공정을 대체했다.^[1]

공정

크롤 공정에서 사염화 티타늄은 액체 마그네슘에 의해 환원되어 타이타늄 금속을 생성한다.

${\displaystyle {\ce {{TiCl4}+2{Mg}->[825~^{\circ }\mathrm {C} ]{Ti}+2{MgCl2}}}}$

환원은 스테인리스강 증류기에서 800–850 °C에서 수행된다.^[2][3] TiCl₄의 부분 환원으로 인해 낮은 염화물인 TiCl₂ 및 TiCl₃이 생성되어 합병증이 발생한다. MgCl₂는 다시 마그네슘으로 정제될 수 있다.

부속 공정

생성된 다공성 금속 타이타늄 스펀지는 침출 또는 감압 증류로 정제된다. 스펀지는 소비성 전극 아크로에 용해되기 전에 분쇄되고 압착되며, "글로우 방전을 피하기에 충분히 높은 압력의 순수 게터 아르곤으로 재충전된다".^[4] 용해된 주괴는 진공 상태에서 응고되도록 허용된다. 불순물을 제거하고 균일성을 보장하기 위해 종종 재용해된다. 이러한 용해 단계는 제품 비용을 증가시킨다. 타이타늄은 스테인리스강보다 약 6배 비싸다. 포터는 2023년에 "타이타늄은 근본적으로 다루기 어렵고 비싸다. 타이타늄 주괴를 막대와 판으로 만드는 것은 타이타늄의 반응성 때문에 어렵다. 타이타늄은 불순물을 쉽게 흡수하여 '빈번한 표면 제거 및 표면 결함을 제거하기 위한 절단'이 필요하며 이는 '비용이 많이 들고 상당한 수율 손실을 수반한다'." 크롤의 스펀지를 유용한 금속으로 바꾸는 부속 공정은 "1950년대 이후 거의 변하지 않았다".^[5]

역사 및 후속 개발

1887년 닐센과 페터슨이 나트륨을 사용하여 보고한 것부터 시작하여 타이타늄 금속 생산에 많은 방법이 적용되었으며, 이는 상업용 헌터 공정으로 최적화되었다. 이 공정(1990년대에 상업성을 잃음)에서는 TiCl₄가 나트륨에 의해 금속으로 환원된다.^[3]

1920년대에 필립스에서 일하던 안톤 에두아르트 판 아르켈은 사요오드화 타이타늄의 열분해를 통해 고순도 타이타늄을 얻는 방법을 설명했다.

사염화 타이타늄은 고온에서 수소로 환원되어 순수 금속으로 열처리될 수 있는 수소화물을 생성하는 것으로 밝혀졌다.

이 세 가지 아이디어를 배경으로 룩셈부르크의 크롤은 사염화 타이타늄의 환원을 위한 새로운 환원제와 새로운 장치를 개발했다. 미량의 물 및 기타 금속 산화물에 대한 높은 반응성은 어려움을 야기했다. 칼슘을 환원제로 사용하여 상당한 성공을 거두었지만, 결과 혼합물에는 여전히 상당한 산화물 불순물이 포함되어 있었다.^[6] 1000 °C에서 몰리브데늄 피복 반응기를 사용하여 마그네슘을 사용하는 주요 성공은 크롤에 의해 오타와의 전기화학 학회에 보고되었다.^[7] 크롤의 타이타늄은 고순도를 반영하여 매우 연성이었다.

크롤 공정은 헌터 공정을 대체했으며 타이타늄 금속 생산의 지배적인 기술로 남아 있으며, 전 세계 마그네슘 금속 생산의 대부분을 주도하고 있다.

미국으로 이주한 후 크롤은 올버니 연구 센터에서 지르코늄 생산 방법을 더욱 개발했다.^[4]

같이 보기

• 염화물 공정
• FFC 케임브리지 공정