[科普中國]-晶棒法

晶棒法，又稱為碘化物精煉法，或以開發(fā)者為名的范·亞克－德·波耳制程，是1925年兩位荷蘭化學(xué)家安東·范·亞克以及揚(yáng)·德·波耳所開發(fā)的金屬精煉方法。 晶棒法是最早能夠商業(yè)化制造高純度延性鋯的工業(yè)制程。晶棒法也可以小量生產(chǎn)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(yīng)產(chǎn)生氣相碘化物，碘化物飄向加熱燈絲后受熱分解出高純度的金屬。晶棒法今已多被克羅爾法取代。

簡介晶棒法，又稱為碘化物精煉法，或以開發(fā)者為名的范·亞克－德·波耳制程，是1925年兩位荷蘭化學(xué)家安東·范·亞克以及揚(yáng)·德·波耳所開發(fā)的金屬精煉方法。晶棒法是最早能夠商業(yè)化制造高純度延性鋯的工業(yè)制程。晶棒法也可以小量生產(chǎn)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(yīng)產(chǎn)生氣相碘化物，碘化物飄向加熱燈絲后受熱分解出高純度的金屬。晶棒法今已多被克羅爾法取代。1

制程低純度鈦、鋯、鉿、釩、釷、鏷（這里主要探討鈦跟鋯）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(chǎn)物就會(huì)開始出現(xiàn)并揮發(fā)，把雜質(zhì)留在原處。利用物質(zhì)在低壓下沸點(diǎn)降低的原理（常壓下四碘化鈦熔點(diǎn)150°C、沸點(diǎn)377°C，四碘化鋯熔點(diǎn)499°C、沸點(diǎn)600°C），揮發(fā)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(huì)下降，以至于必須通更大的電流或時(shí)時(shí)收集產(chǎn)物才能維持燈絲的發(fā)熱功率。整個(gè)制程視設(shè)備情況，可歷時(shí)短至數(shù)小時(shí)，長至數(shù)周不等。

總體而言，晶棒法視對不同金屬之反應(yīng)性決定要在制程中添加的鹵素或鹵素比例，俾利整個(gè)輸送機(jī)制進(jìn)行。只有鈦、鋯、鉿這三種金屬曾經(jīng)用晶棒法進(jìn)行工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)，今之晶棒法可謂沒落，僅用于特殊純度需求的小量生產(chǎn)。1

克羅爾法克羅爾法是精煉鈦的高溫冶金工業(yè)制程。1940年由盧森堡的冶金學(xué)家威廉·克羅爾（William J. Kroll）發(fā)明并獲得專利。克羅爾搬家到美國后將克羅爾法推廣到鋯的冶煉?？肆_爾法現(xiàn)已幾乎取代亨特法在商業(yè)生產(chǎn)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(jìn)1000°C的流體化床，用從石油餾煉出的煤焦進(jìn)行還原。接著對還原得到的混合物通氯氣，產(chǎn)生四氯化鈦（TiCl4）及多種易揮發(fā)的氯化物氣體，接著對這團(tuán)混合氣體進(jìn)行分餾。分餾后將純的四氯化鈦通入不銹鋼反應(yīng)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(yīng)。

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

反應(yīng)結(jié)果會(huì)得到一堆復(fù)雜的產(chǎn)物如鈦、二氯化鈦、三氯化鈦、氯化鎂等等，但是只要重復(fù)把反應(yīng)后的湯汁抽掉并繼續(xù)加入熔融鎂就能刪減有礙結(jié)果的產(chǎn)物，并得到海綿鈦。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(jìn)一步精煉。之后因海綿鈦只有內(nèi)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(jìn)粉碎機(jī)制作碎塊。將碎塊以高壓壓成短棒，再把許多短棒焊在一起丟進(jìn)電弧爐用石墨電極進(jìn)行真空電弧熔煉（Vacuum arc melting，VAM）。為了確保鈦錠雜質(zhì)夠少（或者想制造特定鈦合金，在此時(shí)就該刻意添加雜質(zhì)），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(huán)境冷卻固化。一般來說，真空熔煉煉越多次成本會(huì)顯著增高。多數(shù)的鈦煉出來價(jià)格是不銹鋼的六倍。1

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

李航 - 副教授 - 西南大學(xué)