Gewinnung von Titan

Titan wurde bereits im Jahre 1791 in England entdeckt. Jedoch erst Ende der 1930er-Jahre hat William J. Kroll ein technisch geeignetes Verfahren für seine Gewinnung entwickelt, das seit 1946 industriell eingesetzt wird. Das Verfahren ist sehr aufwendig und mit einem hohen Energieverbrauch verbunden, dadurch auch teuer, was sich im Preis von Titan wiederspiegelt. Trotz aller Versuche konnte aber bis heute kein besseres Verfahren gefunden werden.
Es sind etwa 140 titanhaltige Minerale und Erze bekannt. Für die Herstellung von metallischem Titan eignen sich zurzeit jedoch nur zwei Erze: Rutil und Ilmentit, die in vielen Lagerstätten vorkommen.
Die Gewinnung von Titan besteht aus mehreren Schritten, die in zwei große Verfahrens-Gruppen zusammengefasst werden können. Die erste Gruppe umfasst alle Prozesse zur Herstellung von Titan-Schwamm. Zur zweiten Gruppe gehören alle Schritte, die zum metallischen Titan führen.

    Abb. 1 Gewinnung von Titan a) Titanschwamm, b) umgeschmolzener Titanschwamm, c) Titan-Bramme

Herstellung von Titanschwamm

Der sogenannte Titan-Schwamm (Abb. 1a) wird auf chemischem Wege über Titanoxid und durch Reduktion von Titan-Tetrachlorid hergestellt. Zunächst muss also aus den Titanerzen das Titan-Tetrachlorid hergestellt werden.
Das oxidische Rutil wird direkt mithilfe von Kohlenstoff und Chlor bei Temperaturen knapp unter 1000°C zu Titan-Tetrachlorid umgesetzt.
Ilmenit wird zuerst im Lichtbogen bei sehr hohen Temperaturen ebenfalls mithilfe von Kohlenstoff zum Titanoxid umgewandelt, das anschließend zum Titan-Tetrachlorid reduziert wird. Dabei sammelt sich am Boden des Ofens flüssiges Eisen an, das von Zeit zu Zeit abgestochen wird.
Das Titan-Tetrachlorid ist eine farblose und stechend riechende Flüssigkeit, die durch fraktionierte Destillation gereinigt wird.
Nun muss das Titan-Tetrachlorid zum Titan reduziert werden. Beim Kroll-Verfahren wird dazu Magnesium genutzt werden, da es unedler als Titan selbst ist. Diese Reaktion läuft bei einer Temperatur von 950 - 1150°C in Schutzgasatmosphäre (Argon oder Helium) ab, wobei geschmolzenes Magnesiumchlorid entsteht. Die Herstellung des benötigten Magnesiums ist allerdings ebenfalls ein energieintensiver Prozess.
Übrigens wurde zuerst ein Verfahren von M. Hunter für die Gewinnung von Titan vorgeschlagen, bei dem Natrium als Reduktionsmittel diente. Bedingt durch das ökonomisch bessere Kroll-Verfahren hat dieses Verfahren jedoch an Bedeutung verloren.
Das Ergebnis des Kroll-Prozesses ist ein poröser und spröder Titanschwamm, der aus ca. 55 - 65 % Titan besteht. Die verbleibenden Reste bestehen aus überschüssigem Magnesium und anderen Verunreinigungen, die mit Salzsäure gelöst oder durch aufwendigere Methoden entfernt werden.

Herstellung von metallischem Titan

Der Titanschwamm muss nun zum metallischen Titan (Abb. 1b) durch Umschmelzen umgewandelt werden. Vor dem Umschmelzen wird der Titanschwamm zu Briketts verarbeitetet. Diese werden dann in einem Vakuum-Lichtbogenofen zweimal aufgeschmolzen. Dabei können verschiedene Metalle z.B. Aluminium, Vanadium, Molybdän, Zinn, Nickel und andere zugesetzt werden, so dass Titanlegierungen entstehen. Diese können bestimmte Eigenschaften besitzen also beispielsweise hohe/höchste Korrosionsbeständigkeit, gute Oxidationsbeständigkeit, hohe Festigkeit. Die geringe Dichte von Titan und damit seine gute spezifische Festigkeit bleiben jedoch erhalten. Die umgeschmolzenen Blocks werden in verkaufsfähige Formen durch Umformen, Fein- und Kompaktguss oder Schmieden bearbeitet. Abb. 1c zeigt eine Titan-Bramme, die direkt in einem modernen Elektronenstrahlofen hergestellt wurde. Dabei lassen sich verschiedenfarbige Oxidationsschichten von Titan (s. dazu Farben von Titan) erkennen.
Der Titanschwamm kann auch mithilfe des Van-Arkel-de-Boer-Verfahrens im Vakuum zu hochreinem Metall gereinigt werden.
Titan wird mit Recht aufgrund seiner hervorragenden Eigenschaften (s. dazu Titan) als Metall der Zukunft gesehen. Jedoch solange seine Herstellung so aufwendig und teuer ist, müssen wir auf eine breite Verwendung des Metalls noch eine Weile warten. <<