Kroll-Prozess

Der Kroll-Prozess ist ein von William Justin Kroll erfundenes und im Jahr 1940 patentiertes Verfahren^[1] zur Gewinnung von technisch reinem Titan.

Ilmenit (FeTiO₃) ist wichtiger Ausgangsstoff für die Titanherstellung. Um aus dem Ilmenit Rutil (TiO₂) herzustellen, wird im Lichtbogen mit Kohlenstoff reduziert. Das flüssige Eisen sammelt sich am Boden und wird von Zeit zu Zeit abgestochen.

${\mathrm{FeTiO}}_3+\mathrm{C}⟶\mathrm{Fe}+{\mathrm{TiO}}_2+\mathrm{CO}$

Häufig geht man industriell jedoch direkt vom natürlichen Rutil oder vom synthetischen Rutil (gewonnen durch HCl-Laugung von Ilmenit) aus. Früher hatten auch die Titanschlacken (s.u.) Bedeutung.

TiO₂ (siehe: Titandioxid) wird bei Temperaturen von 750–1000 °C mit Chlor und Koks zu Titantetrachlorid (Titan(IV)-chlorid) umgesetzt (reduzierende Chlorierung).^[2]

${\mathrm{TiO}}_2+2\mathrm{C}+2{\mathrm{Cl}}_2⟶{\mathrm{TiCl}}_4+2\mathrm{CO}$

Das Ausgangsmaterial für das Kroll-Verfahren ist reines Titantetrachlorid, das ohnehin in sehr großen Mengen für die Weißpigmentherstellung zur Verfügung steht. Nach der Reinigung durch fraktionierte Destillation und meist u.a. einer Vanadiumentfernung wird das TiCl₄ mit Magnesium bei Temperaturen von ca. 800–900 °C unter einer Schutzgasatmosphäre (Helium, Argon) zum metallischen Titan reduziert.^[3]

${\mathrm{TiCl}}_4+2\mathrm{Mg}⟶\mathrm{Ti}+2{\mathrm{MgCl}}_2$

Das Magnesiumchlorid (MgCl₂) wird in der Hauptmenge diskontinuierlich abgestochen. Auf Grund des Prinzips vom kleinsten Zwang wird dadurch immer mehr Titan nachgebildet. Die eingeschlossenen Reste des Magnesiumchlorids sowie die Reste von nicht umgesetztem Magnesium, das im Überschuss vorgelegt wird, werden entweder mit Salzsäure aus dem Titanschwamm herausgelöst oder besser, da eine höhere Reinheit erzielt wird, mittels Vakuumdestillation entfernt.

Das Krollverfahren liefert den sog. Titanschwamm, eine harte, poröse Masse, die nach der Vakuumdestillation aufwändig mittels Drehen oder anderen Zerspanungsverfahren aus der Prozessanlage herausgearbeitet werden muss. Früher erfolgte dies sogar mit dem Preßlufthammer. Ähnliches gilt für das Hunter-Verfahren.

Weiterverarbeitung zu einem ersten technisch verwertbaren Produkt (Ingot): Dieser Titanschwamm muss anschließend zu meterlangen Abschmelzelektroden verpreßt werden (Durchmesser je nach Ofen typisch 500 bis 1200 mm), evtl. Legierungsbestandteile (wie Al, V) werden als Streifen außen angeschweißt. Meist ist ein dreifaches Umschmelzen in einem Vakuumlichtbogenofen erforderlich, um technisch verwendbare, homogene Titaningots (Gießbarren) zu erhalten. Als Wandmaterial ist infolge der hohen Reaktivität von heißem und flüssigen Titan ausschließlich wassergekühltes Kupfer einsetzbar.

Nach dem älteren Hunter-Verfahren wird TiCl₄ mit Na statt mit Mg umgesetzt. Sowohl das gebildete NaCl als auch MgCl₂ sind thermodynamisch stabiler, die Reaktionen verlaufen praktisch vollständig und auch sehr exotherm.

Technisches Titan enthält meist 0,2 bis 0,3 % Fe, auch meist 0,2 % O ist noch enthalten.

Diese nach wie vor besonders aufwendige Herstellung bedingt auch den hohen Preis.

Die Herstellung von reinerem Ti (in Kleinmengen) erfolgt - wie bei vielen anderen Metallen auch - über das Van-Arkel-de-Boer-Verfahren.

Siehe auch

• Thermodynamik
• Konvektion
• Mond-Verfahren

Einzelnachweise