Il processo Kroll è un metodo utilizzato per convertire un minerale contenente titanio in titanio metallico
Il titanio è un metallo leggero, resistente, di colore bianco metallico che in presenza di ossigeno si passiva ricoprendosi di una patina di ossido e pertanto non viene attaccato da acidi, dalle basi e da agenti ossidanti.
Usi del titanio
Per la sua resistenza alla corrosione e il basso peso specifico questo metallo è largamente usato nelle leghe ed in particolare in quelle utilizzate in campo aerospaziale per la realizzazione di componenti per turbine, motori per jet, strutture aeree, nell’ambito dell’edilizia, per ottenere attrezzature sportive, veicoli blindati, giubbotti corazzati, caschi, gioielli, occhiali da vista, biciclette, mazze da golf.
Il titanio è usato nell’ambito dell’implantologia dentale a causa della sua elevata biocompatibilità. Tuttavia per minimizzare il rischio di rigetto o di infezioni è necessario che l’impianto dentale sia costituito da titanio al massimo grado di purezza.
È estratto da alcune rocce ed in particolare il rutilo dove si trova sotto forma di biossido di titanio TiO2.
Stadi del processo Kroll
Può essere estratto secondo il processo Kroll che prende il nome da William Justin Kroll ingegnere e metallurgista lussemburghese che alla fine degli anni ’30 dello scorso secolo, il processo Armstrong e il processo Cambridge che si basa su un metodo elettrolitico. Nonostante siano trascorsi molti anni dalla sua invenzione tale processo rimane ancora il più utilizzato per l’estrazione del titanio.
Il processo Kroll consta di quattro stadi:
- Trattamento del minerale ridotto in polvere con cloro gassoso per ottenere tetracloruro di titanio
- Purificazione di TiCl4
- Riduzione del titanio (IV) a titanio poroso (PT)
- Trattamento di PT
Primo stadio
Il biossido di titanio è termicamente stabile e molto resistente agli attacchi chimici e non può essere ridotto usando carbonio, monossido di carbonio o idrogeno infatti a caldo, in presenza di carbonio forma il carburo di titanio TiC la cui presenza rende il metallo molto fragile.
Nel processo Kroll il minerale è pertanto trattato in un reattore a letto fluidizzato a 1000 °C con cloro gassoso in presenza di coke. Dalla reazione si ottiene il tetracloruro di titanio che, rispetto al biossido di titanio, è ridotto più facilmente.
TiO2(s) + 2 Cl2(g) + C(s)→ TiCl4(g)+ CO2(g)
Secondo stadio
Il tetracloruro grezzo, dopo essere stato trattato con solfuro di idrogeno, per rimuovere il tricloruro di vanadile VOCl3 che bolle a una temperatura simile al tetracloruro di titanio, viene purificato per distillazione con ottenimento di tetracloruro di titanio con un grado di purezza superiore al 99.9 %.
Terzo stadio
Nel terzo stadio il tetracloruro è inviato in un reattore separato di acciaio inossidabile in atmosfera di argon a circa 500 °C. In queste condizioni si verificano delle reazioni esotermiche con formazione di cloruro di titanio (II) cloruro di titanio (III) che causano un rapido aumento della temperatura a circa 800-850 °C.
Questi cloruri si riducono lentamente ed infine la temperatura è aumentata a 1000 °C per completare il processo di riduzione che dura 36-50 ore:
TiCl4(g)+ 2 Mg(l) → Ti(s) + 2 MgCl2(l)
Il reattore è poi rimosso dal forno e lasciato raffreddare per almeno quattro giorni.
Quarto stadio
Il titanio ottenuto nel terzo stadio si presenta poroso e deve essere purificato.
Nel quarto stadio è pertanto trattato con azoto e ossigeno ad alte temperature sotto vuoto o in un’atmosfera inerte di argon per ottenere il metallo. I lingotti prodotti sono spesso rifusi, sempre sotto vuoto, per rimuovere eventuali inclusioni e garantire l’uniformità del prodotto. In questa fase, qualora si volesse ottenere una lega di titanio, sono aggiunti, in quantità opportune gli altri metalli.