تولید صنعتی تیتانیوم
تاریخچه[ویرایش]
"Matthew A.Hunter"، نخستین کسی بود که در سال 1910 با گرم نمودن به همراه فلز در یک بمب فولادی در دمایی حدود 700 الی 800 درجهٔ سانتیگراد توانست به تیتانیوم فلزی خالص دست پیدا کند. این فلز تا سال 1946 در خارج از آزمایشگاه فاقد کاربردی گسترده بود. در این سال، "William Justin Kroll" اثبات نمود که میتوان فلز تیتانیوم را با کاهش تتراکلرید تیتانیوم () از طریق فلز احیاگر منیزیم در ابعاد تجاری تولید کرد. این روش امروزه نیز تحت عنوان فرایند کرال در صنعت کاربرد دارد.
سنگ معدن تیتانیوم[ویرایش]
عنصر تیتانیم برخلاف آهن یا آلومینیم از فروانی چندانی در پوستهٔ زمین برخوردار نیست؛ به طوری که تنها 0.63% از عناصر موجود در پوستهٔ زمین به این عنصر فلزی اختصاص دارد. از این رو، معادن مربوط به سنگ معدن این فلز در سراسر دنیا محدود و پراکنده بوده و از قیمت نسبتاً بالایی برخوردار است.
فلز تیتانیوم به صورت خالص در طبیعت یافت نمیشود. این فلز در ترکیبات مختلف سنگ معدنهای گوناگونی را ایجاد کردهاست که از جملهٔ مهمترین، فراوانترین و پرکاربردترینشان میتوان به دو سنگ معدن روتیل (به انگلیسی: rutile) و با فرمول شیمیایی و سنگ معدن المنیت (به انگلیسی: ilmenite) و با فرمول شیمیایی اشاره کرد. لازم به ذکر است که در این بین سنگ معدن روتیل به دلیل خلوص تیتانیوم بیشتر از کاربرد بیشتری برخوردار است. در جدول زیر به ذکر برخی ویژگیهای سنگ معدنهای تیتانیوم پرداخته شدهاست.
سختی | رنگ سنگ | درصد خلوص اکسید تیتانیوم | نام سنگ و فرمول شیمیایی |
---|---|---|---|
6-6.5 | قهوهای مایل به قرمز | 95% | rutile () |
5-6 | سیاه | 52.6% | ilmenite () |
5.5 | سیاه مایل به قهوهای | 58% | perovskite () |
5 | سبز مایل به قهوهای | 35-40% | Titanite () |
فرایند کرول (استحصال فلز تیتانیوم از سنگ معدن)[ویرایش]
این فرایند -که نه تنها برای استحصال تیتانیوم بلکه برای استخصال فلزات دیگری از قبیل زیرکونیم نیز کاربرد دارد- فرایندی نسبتاً پیچیده است که به طور کلی شامل چهار مرحله میباشد:
تبدیل ترکیب اکسیدی سنگ معدن () به ترکیب کلری ()[ویرایش]
در این مرحله با جایگزینسازی عنصر کلر با اکسیژن، واکنشپذیری ترکیب برای دستیابی به فلز خالص تیتانیوم افزایش مییابد. بدین صورت که در یک رآکتور، در دمای بالا، سنگ معدن تیتانیوم را به همراه گاز کلر و همچنین کُک (کربن) به صورت زیر واکنش میدهند تا تتراکلرید تیتانیوم حاصل شود:
خالصسازی تتراکلرید تیتانیوم[ویرایش]
در اثر فرایند پیشین، به دلیل واکنشپذیری بالای کلر، به میزان قابل توجهی از ناخالصیها (مانند وانادیوم) به مجموعه وارد میشود. از این رو، خروجی مرحلهٔ قبل را بلافاصله در ستون تقطیر وارد کرده و در آنجا با تنظیم دما و فشار این گازها و ناخالصیهای اضافی را از مجموعه جدا میکنند؛ به گونهای که درصد خلوص به حدود 99.999% میرسد.
احیای فلز تیتانیوم (تولید تیتانیوم اسفنجی)[ویرایش]
در این مرحله، خالصی را که از مرحلهٔ قبل حاصل آمده با فلز احیاگر منیزیم واکنش میدهند. این فرایند که نوعی فرایند پیرامتالورژی میباشد، اصطلاحاً واکنشی مگنوترمیک نامیده میشود، منجر به احیای فلز تیتانیوم از طریق واکنش زیر میشود:
لازم به ذکر است که تیتانیوم بدستآمده از این واکنش به صورت کاملاً متصل به جامد کلرید منیزیم در ظرف واکنش حاصل میگردد؛ بنابراین یک مرحله جداسازی دیگر نیز نیاز است تا با جدا کردن کلرید منیزیم به فلز تیتانیوم دست پیدا کنیم. برای این منظور، مجموعه را به ظرف دیگری منتقل کرده و با اعمال فشار بسیار کم و دمای بالا، کلرید منیزیم را به صورت بخار از مجموعه جدا میکنیم تا به تیتانیوم خالص (اسفنج تیتانیوم) دست یابیم. لازم به ذکر است که میتوان با الکترولیز منیزیم کلرید جداشده، منیزیم و گاز کلر را در مراحل قبلی فرایند مجدداً استفاده نمود.
ذوب تیتانیوم اسفنجی در کورهٔ VAR[ویرایش]
باید توجه داشت که اسفنج تیتانیوم بدستآمده از فرایند کرول، با وجود خلوص نسبیاش از خلل و فرج بسیاری برخوردار است که منجر به نامناسب بودن آن در استفادههای صنعتی میشود. بنابراین، لازم است که آن را مجدداً ذوب کنیم تا مهیای مصارف صنعتی شود.
ابتدا، آهن اسفنجی را تکه تکه کرده و در دستگاه پرس آنها را به هم فشرده و متصل میکنیم تا به الکترودی از تیتانیوم دست یابیم. سپس این الکترود حاصلشده را در کورههای (VAR (Vacuum Arc Remelting از نو ذوب میکنیم تا آن خلل و عیوب موجود در تیتانیوم اسفنجی را از بین ببریم. در این کورهها، مطابق شکل، الکترود ایجادشده از اسفنج تیتانیوم را در خلا بالای ظرفی آبگرد قرار داده و سپس با ایجاد اختلاف ولتاژ بالا، قطره قطره این الکترود را ذوب مینماییم. بدین ترتیب، بر مشکلات ناشی از دمای ذوب بالا و ضریب انتقال حرارت پایین تیتانیوم غلبه کرده و آن را ذوب میکنیم.
منابع[ویرایش]
- https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-981-10-2134-3_4
- Zumdahl, Steven S. (2009). Chemical Principles 6th Ed. Houghton Mifflin Company. p. A23
- Habashi, F. (ed.) Handbook of Extractive Metallurgy, Wiley-VCH, Weinheim, 1997.
- Holleman, A. F. ; Wiberg, E. "Inorganic Chemistry" Academic Press: San Diego, 2001
This article "تولید صنعتی تیتانیوم" is from Wikipedia. The list of its authors can be seen in its historical and/or the page Edithistory:تولید صنعتی تیتانیوم. Articles copied from Draft Namespace on Wikipedia could be seen on the Draft Namespace of Wikipedia and not main one.