تولید تیتانیوم
تیتانیوم 0/63 درصد از پوسته زمین را تشکیل می دهد و به عنوان چهارمین و فراوان ترین فلز بعد از آلومینیوم، آهن و منیزیم است. رسوبات این عنصر که به سادگی با عمیات معدنی به دست می آیند در سرتاسر جهان وجود دارند.
سنگ معدن های اصلی این فلز عبارتند از: روتیل با فرمول (tio2) و ایلمنایت همچنین ایلمنایت مگنتیت در اکراین و ایلمنایت هماتیت در کانادا نیز به صورت رسوبات سخت وجود دارند.
علیرغم کمیاب بودن دی اکسید تیتانیوم و گران تر بودن این سنگ معدن، استفاده های بیشتری از آن می شود چراکه فاقد ترکیبات آهن و فرآوری آن ساده تر است. در مواردی، با فرآوری ایلمنایت و حذف آهن، می توان به روتیل مصنوعی دست پیدا کرد. اصلی ترین فرآیندهایی که موجب تولید تیتانیوم می شوند عبارتند از:
فرآیند هانتر در تولید تیتانیوم
فرآیند هانتر در سال 1910 توسط شیمیدان نیوزلندی و در آمریکا معرفی شد. این فرآیند که به صورت فرآیند های ناپیوسته انجام می شد شامل کاهش تیتانیوم تترا کلرید به کمک سدیم بود.
این واکنش در داخل راکتور ناپیوسته و محیط خنثی تحت دمای 1000 درجه سانتی گراد انجام می گرفت که بعد از آن از هیدروکلریک اسید برای شستشوی نمک از محصول نهایی استفاده می شد.قبل از فرآیند هانتر، تمامی تلاش ها منجر به تولید تیتانیوم با درصد خلوص بسیار پایین شدهبود. این روش بعدها با روش دیگری تحت عنوان فرآیند کرال جایگزین شد.
فرایند کرال در تولید تیتانیوم
بیشتر تیتانیوم تولیدی شامل فرآیند طولانی چهار مرحله ای موسوم به فرآیند کرال است:
1-کلریناسیون سنگ معدن به تیتانیوم (IV) کلرید
دی اکسید تیتانیوم از نظر حرارتی بسیار پایدار و در برابر واکنش های شیمیایی بسیار مقاوم است. دی اکسید تیتانیوم را نمی توان با استفاده از کربن، مونو اکسید کربن یا هیدروژن کاهش داد. همچنین کاهش آن به وسیله عناصر با الکتروپوزیتیوی بیشتر نیز به طور کامل صورت نمی گیرد.
اگر بتوان آن را به صورت تیتانیوم کلرید تبدیل کرد در نهایت می توان به تیتانیم دست پیدا کرد چراکه کلرید به سادگی کاهش می یابد.سنگ معدن خشک را به همراه کُک در داخل یک کلرزن قرار می دهند.
2- خالص سازی تیتانیوم (IV) کلرید
تیتانیوم کلرید خام با استفاده از فرآیند تقطیر، خالص سازی می شود. البته قبل از این کار باید با هیدروژن سولفید یا روغن های معدنی آن را آماده کرد. این آماده سازی به این منظور صورت می گیرد تا وانادیم اکسی کلراید که نقطه جوشی برابر با تیتانیوم کلرید دارد از آن حذف شود.
محصول نهایی شامل تیتانیوم کلرید با خلوص 99/9 درصد است که می توان از آن در تولید تیتانیوم یا رنگ های مات استفاده کرد.تانکرهایی که برای نگهداری این مواد استفاده می شود باید خشک و عاری از هرگونه رطوبت باشند چراکه این مواد در حضور آب و تحت یک هیدرولیز سریع رسوبات سفید هیدروژن کلرید از خود به جای می گذارند.
3- کاهش تیتانیوم (IV) کلرید به اسفنج تیتانیوم
تیتانیوم کلرید مایعی فرار است. این مایع را گرم می کنند تا بخار آن را از یک راکتور استنلس استیل عبور دهند. این راکتور حاوی منیزیمی است که تا 526 درجه سانتی گراد و در محیط آرگون گرم شده است. گذر این مایع از راکتور و واکنش آن گرمازا است و دما را تا 826 درجه سانتی گراد بالا می برد.
به موجب این واکنش ها، کلرید های تیتانیوم و تیتانیوم تولید می شوند. کلریدهای تولیدی به هنگام واکنش، سرعت پایین دارند و به منظور سرعت بخشیدن به واکنش، دما را تا بیش از 1000 درجه سانتی گراد بالا می برند.
بعد از گذشت 36-50 ساعت، راکتور را از کوره خارج می کنند و به مدت 4 روز زمان می دهند تا سرد شود. منیزیمی که در واکنش شرکت نکرده است را به همراه مخلوط کلرید و تیتانیوم خرد می کنند و به منظور حذف منیزیم کلرید، آنها را با هیدروکلریک اسید رقیق شستشو می دهند.
در روشی جایگزین که معمولا در ژاپن انجام می شود، حذف منیزیمِ واکنش نداده از تیتانیوم به کمک تقطیر خلا و با دمای بالا انجام می گیرد.با الکترولیز منیزیم کلرید، از منیزیم تولیدی دوباره در فرآیند کاهش استفاده می کنند و کلر تولیدی را نیز در بخش کلر زنی بکار می گیرند.
خالص سازی تیتانیوم به کمک تقطیر با دمای بالا انجام می شود. فلز تولیدی به شکل دانه های ریزی است که به آن اسفنج می گویند.این گرده های تیتانیومی را می توان جداگانه به فروش رساند یا با فرآوری آن ها به محصولات مختلف تیتانیومی دست پیدا کرد.
4-فرآوری اسفنج تیتانیوم
اسفنج تیتانیوم به سادگی در دمای بالا با نیتروژن و اکسیژن واکنش می دهد. در نتیجه برای فرآوری آن باید از محیط های خلأ یا محیطی خنثی مانند آرگون کمک گرفت. در این مرحله، ممکن است مواد بازیافتی این فلز یا فلزات دیگر را بمنظور تولید آلیاژهای تیتانیوم به فرآیند اضافه کنند.
یک روش معمول برای این کار، فشرده کردن مواد در بلوک های بزرگ است که در نهایت به الکترود در کور ه های قوس الکتریکی تبدیل می شوند. قوس الکتریکی میان بوته و الکترود رخ می دهد که در نهایت موجب ذوب شدن الکترود در داخل بوته خواهد بود. این مواد مذاب، بعد از سرد شدن به شمش هایی تبدیل می شوند که می توان آن ها را برای دستیابی به کیفیت بهتر، دوباره ذوب کرد.
فرآیند آرمسترانگ در تولید تیتانیوم
در تولید این عنصر فلزی و آلیاژهای آن، می توان به جای استفاده از منیزیم، از سدیم استفاده کرد. علیرغم اینکه این روش از نظر شیمی، روش جدیدی نیست و در فرآیند هانتر با آن آشنا شدیم اما به تازگی روشی پیوسته به همین منظور توسعه داده شده است که موجب کاهش هزینه ها نیز خواهد بود.
تیتانیوم کلرید به یک جریان مذاب از سدیم وارد می شود و کلرید طی یک فرآیند ردوکس به فلز کاهش پیدا می کند. از آنجایی که تیتانیوم و سدیم کلرید هر دو جامد هستند، خارج کردن آنها از سدیم مذاب به کمک فیلتراسیون انجام می گیرد.
بعد از این مرحله، جداسازی فلز تیتانیوم از نمک، به سادگی با شستشو توسط آب امکان پذیر خواهد بود. سدیم کلرید تولیدی بعد از خشک شدن، ذوب و به کمک الکترولیز به سدیم و کلر تبدیل می شود. از سدیم و کلر تولیدی به طور مجدد در فرآیند آرمسترانگ بهره می گیرند.
|
|
|
|
| نماد اعتماد الکترونیک | نشان ملی ثبت | گواهی شامد ارشاد |
© کلیه حقوق مادی و معنوی این وب سایت متعلق به داده پردازان هومان پویان می باشد.
