晶棒法

晶棒法，又稱為碘化物精煉法，或以開發者為名的范·亞克－德·波耳製程，是1925年兩位荷蘭化學家安東·范·亞克以及揚·德·波耳所開發的金屬精煉方法。 晶棒法是最早能夠商業化製造高純度延性鋯的工業製程。晶棒法也可以小量生產超高純度的鈦（或鋯）。晶棒法的概念牽涉到用氣相碘去跟低純度的金屬作反應產生氣相碘化物，碘化物飄向加熱燈絲後受熱分解出高純度的金屬。晶棒法今已多被克羅爾法取代。

基本介紹

• 中文名：晶棒法
• 外文名：Crystal bar process

簡介

晶棒法，又稱為碘化物精煉法，或以開發者為名的范·亞克－德·波耳製程，是1925年兩位荷蘭化學家安東·范·亞克以及揚·德·波耳所開發的金屬精煉方法。晶棒法是最早能夠商業化製造高純度延性鋯的工業製程。晶棒法也可以小量生產超高純度的鈦（或鋯）。晶棒法的概念牽涉到用氣相碘去跟低純度的金屬作反應產生氣相碘化物，碘化物飄向加熱燈絲後受熱分解出高純度的金屬。晶棒法今已多被克羅爾法取代。

製程

低純度鈦、鋯、鉿、釩、釷、鏷（這裡主要探討鈦跟鋯）在外接真空泵的容器中通鹵素加熱至50–250°C，四碘化鈦（TiI₄）、四碘化鋯（ZrI₄）等等中間產物就會開始出現並揮發，把雜質留在原處。利用物質在低壓下沸點降低的原理（常壓下四碘化鈦熔點150°C、沸點377°C，四碘化鋯熔點499°C、沸點600°C），揮發的氣相碘化物飄到1400°C的白熾燈絲（鎢絲）上受熱分解。 隨著越來越多純金屬積附在燈絲上，燈絲的電阻會下降，以至於必須通更大的電流或時時收集產物才能維持燈絲的發熱功率。整個製程視設備情況，可歷時短至數小時，長至數周不等。

總體而言，晶棒法視對不同金屬之反應性決定要在製程中添加的鹵素或鹵素比例，俾利整個輸送機制進行。只有鈦、鋯、鉿這三種金屬曾經用晶棒法進行工業規模生產，今之晶棒法可謂沒落，僅用於特殊純度需求的小量生產。

克羅爾法

克羅爾法是精煉鈦的高溫冶金工業製程。1940年由盧森堡的冶金學家威廉·克羅爾（William J. Kroll）發明並獲得專利。克羅爾搬家到美國後將克羅爾法推廣到鋯的冶煉。克羅爾法現已幾乎取代亨特法在商業生產高純度鈦的地位。

首先把從礦石中初步提煉過的金紅石或鈦鐵礦丟進1000°C的流體化床，用從石油餾煉出的煤焦進行還原。接著對還原得到的混合物通氯氣，產生四氯化鈦（TiCl₄）及多種易揮發的氯化物氣體，接著對這團混合氣體進行分餾。分餾後將純的四氯化鈦通入不銹鋼反應器，在800–850°C的溫度下加入15%至20%過量的鎂或鈉熔融液（通常主要是鎂），以確保完全反應。

• 2Mg(l) + TiCl₄(g) → 2MgCl₂(l) + Ti(s) [T = 800–850 °C]
  

反應結果會得到一堆複雜的產物如鈦、二氯化鈦、三氯化鈦、氯化鎂等等，但是只要重複把反應後的湯汁抽掉並繼續加入熔融鎂就能刪減有礙結果的產物，並得到海綿鈦。接著把這些多孔的海綿鈦拿去瀝取槽或拿去真空蒸餾以進一步精煉。之後因海綿鈦只有內部較純，所以把海綿鈦去鱗皮、裁切邊部（切完廢料還可以回收再煉），剩下較純的海綿鈦丟進粉碎機製作碎塊。將碎塊以高壓壓成短棒，再把許多短棒焊在一起丟進電弧爐用石墨電極進行真空電弧熔煉（Vacuum arc melting，VAM）。為了確保鈦錠雜質夠少（或者想製造特定鈦合金，在此時就該刻意添加雜質），煉一次不夠可以再煉第二次、第三次，此即真空電弧再熔煉（Vacuum arc remelting，VAR）。煉完把鈦錠拿去真空環境冷卻固化。一般來說，真空熔煉煉越多次成本會顯著增高。多數的鈦煉出來價格是不鏽鋼的六倍。