عملية استخراج وتنقيح التيتانيوم للاستخدام الصناعي

من الأرض إلى المميت: The Complete Industrial Journey of Titanium Extraction and Refining

وقد حقق التيتانيوم سمعته كأحد أهم المعادن الاستراتيجية في الصناعة الحديثة، حيث إن نسبة القوة إلى الوزن تفوق الفولاذ، ومقاومة التآكل الاستثنائية التي تتنافس في الباتين، والقابلية للتنافس البيولوجي تجعله مثالياً للزراعة الطبية، فإن التيتانيوم لا غنى عنه في الفضاء الجوي، والدفاع، والتجهيز الكيميائي، والرعاية الصحية، رغم وفرة هذا الإنتاج في طبقة التاثير.

الأصول الجيولوجية وودائع تيتانيوم

ولا يحدث التيتانيوم أبداً كمعدن نقي في طبيعتها، بل إنه يُوجد في معادن أكسيد الأوكسيد، ولا سيما السائل (TiO2) واللمنيت (FeTiO3). وهذه المعادن تشكل عن طريق عمليات مائية وخامدة، وتتركز بسبب الطقس والتصرف الرسوبي على النطاقات الزمنية الجيولوجية.

توجد رواسب رئيسية للمعادن التيتانيوم في أستراليا وجنوب أفريقيا وكندا والنرويج وأوكرانيا والصين وأستراليا هي أكبر منتج للروتيل في العالم، بينما تقود جنوب أفريقيا وكندا إنتاج اللحوم، وتستخرج هذه الركاز عادة من الرمال المعدنية الثقيلة، التي هي منظومات قديمة من الشواطئ أو الكثبان، حيث تتركز المعادن الكثيفة بفعل موجات وريح.

التعدين والتحصين: تركيز عملية أوري

والخطوة الأولى في إنتاج التيتانيوم هي تعدين الركاز ورفعه إلى شكل مناسب للتجهيز الكيميائي، وبالنسبة لعمليات الرمال المعدنية الثقيلة، تبدأ العملية بالتجفيف، حيث تحفر العوامات الرمل من بركة وتضخه إلى مصنع للثلاجات الرملية المبللة، وهناك تستخدم المتجانسات الاصطناعية والطوابع المهوية الجافدة الجاذبية لفصل المعادن الكثيفة الناتجة عن العجلات المزروعة.

أما إنتاج مادة التايل أو الفولطية (FLT: 1) فهو المرحلة الحرجة التي تُرفع من مادة السائل المنوي إلى مادة وسيطة عالية الجودة، حيث أن اللمنييت يحتوي على الحديد، فلا يمكن إطعامه مباشرة في عملية الكلورينات دون إزالة جزء كبير من المحتوى الحديدي، وتوجد طريقتان رئيسيتان لتكرير المواد الكيميائية هما عملية البكر وطريقة الصهر 85 في المائة.

عملية الكلورين: تحويل الأوكسيديس إلى كلوريدس

وبعد الحصول على مواد مغذية من ثاني أكسيد التيتانيوم عالية الجودة، تتمثل الخطوة التالية في تحويلها إلى رابع كلوريد التيتانيوم (تيكل-4)، وهو سائل متقلب يمكن تنقيته بالتحلل، ويتم ذلك من خلال تفاعل كلوريدي يجري في مفاعل سرير مسيل بدرجات حرارة تتراوح بين 900 و000 1 درجة مئوية.

TO2 + 2 Cl2 + 2 C ⁇ TiCl4 + 2 CO

أما رابع كلوريد التيتانيوم الذي ينتج فهو سائل مدخن يبلغ 136 درجة مئوية. ويجمع كبخار ومكدس، غير أن التكلور الخفيف من الكبريتات يحتوي على سمات مثل الحديد والفانادام والسيليكون وكلوريد الألمنيوم، التي يجب إزالتها لمنع تلوث المعادن غير المستقرة من التلال.

وهذه الخطوة المتعلقة بالتكلور هي خطوة كثيفة الطاقة وتتطلب معالجة دقيقة بسبب سمية الكلور والكلور الوسيط وتآكله، وتستخدم النباتات الحديثة نظماً مغلقة لاسترداد الكلور وإعادة تدويره، والحد من التأثير البيئي وتحسين اقتصاديات العمليات.

The Kroll Process: The Industrial Standard for Titanium Reduction

ويستلزم إنتاج التيتانيوم المعدني من رابع كلوريد التيتانيوم إجراء تخفيض يزيل ذرات الكلور، والطريقة المهيمنة لذلك هي عملية كروز ، التي طورها ويليام ج. كرول في الأربعينات وما زالت تستخدم في الأغلبية العظمى من إنتاج البلطيوم في جميع أنحاء العالم.

TCl4 + 2 Mg ⁇ Ti + 2 MgCl2

إن المخرج الفرعي للمغنزيوم (MgCl2) هو السائل عند درجة حرارة التفاعل، وهو يُستنزف بصورة دورية من المفاعل، كما أن شكل المعادن التيتانيوم كتلة مخرفة شبيهة بالسفنج تملأ المفاعل، وهذه الأسقفية التيتانيوم بها مساحة سطحية عالية، وتحتوي على المغنيزيوم المتبقي وكلوريد المغنزيوم الذي يجب إزالتها في خطوات التجهيز اللاحقة.

إن عملية كلور بطيئة وكثيفة الطاقة، إذ يمكن أن تستغرق كل دورة دفعة عدة أيام، ويجب أن يتم تبريد المفاعل وفتحه وتنظيفه بعد كل عملية من مراحله، وأن طبيعة العملية تخفض معدلات الإنتاج وتساهم في ارتفاع تكلفة التيتانيوم، وعلى الرغم من عقود من البحث، لم تستبدل عملية التخفيض المستمر عملية كرول على نطاق تجاري، رغم أن المتغيرات التي تستخدم الصوديوم كعملية خاصة (عملية الصيادين).

الاضطرابات الغامضة: تغذيــة سبونغ التيتانيوم

وبعد خطوة التخفيض، تحتوي الإسفنجة على ما يتراوح بين 10 و30 في المائة من المغنيسيوم المتبقي وكلوريد المغنيسيوم، ويجب إزالة هذه الشوائب لإنتاج منتج قابل للتسويق، وتحتاج الطريقة الموحدة إلى ] ، حيث تسخن العبوة إلى 900-000 1 كيلوغرام في فرن فراغ.

وتتوقف طريقة بديلة لإزالة الشوائب على ] قذف السائل المشبع ] حيث يتم سحق الإسفنج ومعالجته بحامض الكهرمليك الهدرائي الهزيل لحل مركبات المغنزيوم المتبقية، وفي حين أن إنتاج السائل الحمضي أسرع وأقل كثافة من التفكك المكندسي يُدخل الهيدروجين إلى التلقبية التي يجب إزالتها من خلال الاختيار اللاحق.

الميلينغ والسوينج: تحويل سونغ إلى إنغوتس

The purified titanium sponge is not yet ready for industrial use, it is a porous, brittle mass that must be consolidate into dense, homogeneous ingots suitable for for for forging, rolling, or extrusion. This consolidation is achieved through melting, typically using vacuum arcmelting (VAR)

(ب) بيئة الفراغ حاسمة، فالتيتانيوم رد فعل بالغ مع الأكسجين والنيتروجين عند درجات حرارة عالية، لذا يجب أن يتم الذوبان في فراغ لمنع التلوث، كما أن الفراغ يزيل الغازات المذوبة مثل الهيدروجين والأوراق المتطايرة، وبعد الذروة الأولى، كثيراً ما يعاد صهر الغبار مرة ثانية (الخامة VAR) لتحسين التجانس الكيميائي والارتفاع في التطبيقات.

دور العناصر المُطلِقة

(أ) أن تكون جميع عناصر التيتانيوم المتينة ذات الصلة مقاومـة ترابط جيـدة وقابلية للتطابق الأحيائي، ولكن خصائصها الميكانيكية يمكن أن تتعزز بدرجة كبيرة من خلال السبيكة، وأن أكثر الطينيوم شيوعاً هو تي-6 ألف-4V (يحتوي على 6 في المائة من الألومنيوم و4 في المائة من الفاناديوم) الذي يمثل نصف كل الخلية التيتانيوم المنتجة، ويوفر هذا السبيك ألفا - بيتا - 2 توازنا ممتازا.

مراقبة الجودة واختبار المواد

ويشتمل إنتاج التيتانيوم على مراقبة دقيقة للجودة في كل مرحلة، ويتحقق من التركيبة الكيميائية للغم الأخير من تحليل العينات، ومحتويات الغاز - خاصة الأكسجين والنيتروجين والهيدروجين - التي تقاس باستخدام تقنيات الاندماج في الغازات العتيقة، ويكتسي محتوى الأوكسجين أهمية خاصة لأنه حتى الزيادات الصغيرة في الأوكسجين ترفع قوة بدرجة كبيرة ولكنها تقلل من قدرة التيتانيوم.

ويجري اختبار ميكانيكي على عينات من كل غائب لتأكيد قوة القذف، والقوة، والارتفاع، والحد من المنطقة، ويستخدم التفتيش فوق الصوتي لكشف الفراغات الداخلية أو الشقوق أو الإدراجات التي يمكن أن تضر بالأداء، وبالنسبة لعناصر الطائرات المتناوبة، فإن كل عملية من عمليات التجميل المعادة تخضع لفحص دقيق بنسبة 100 في المائة على مستويات الحساسية القادرة على كشف العيوب التي تبلغ مقياس 0.4 ملم.

التطبيقات الصناعية والطلب على الأسواق

ولا يمكن استبدال خصائص وزن تيتانيوم - ضوء، وارتفاع القوة، ومقاومة التآكل الاستثنائية، والتوافق البيولوجي - في عدة صناعات رئيسية.

(ب) إن الفضاء الجوي هو أكبر سوق للتيتانيوم، حيث يستهلك حوالي 60 في المائة من الإنتاج العالمي، وتُستخدم السبيكات في الأطقم الجوية، ومحركات المحركات، ومحركاتها، ومحركاتها، ومحركاتها، والمركبات، وأجهزة الصومعة، وأجهزة التدفئة 787 والطائرات A350، وتستخدمان معاً التيتانيوم في الأجزاء الهيكلية الحرجة نظراً لقدرتها على تحمل ضغوطات.

إن الأجهزة الطبية، التي تُعدّ مضامين عالية القيمة، وتُعدّل القدرة على الموازنة الأحيائية للتيتانيوم، كما أن الجسم البشري لا يرفضها، وقدرته على الارتباط مع العظام (التكامل الأوقيانوي) يجعلها مثالية للهيب والركبة، والزهور في الأسنان، ومعدات مقاومة التفريغ في العمود الفقري.

تستغل المعدات مقاومة التيتانيوم للبيئات التآكلية، ومبادلات الحرارة، وسفن الضغط، والصمامات التي تصنع من التيتانيوم في محطات تُعالج الكلور والأحماض والمياه البحرية، وتعتمد صناعة التلال على درجات الحرارة التي تستخدمها في نقل المياه الحرارية.

التطبيقات الناشئة

ولا تزال التطبيقات الجديدة تظهر بالنسبة للتيتانيوم، ففي ] ، لا يمكن أن تستخدم نظم العادم التيتانيوم والربط بين القضبان في مركبات ذات أداء عالٍ ومركبات سباق للتقليل من الوزن وتحسين الاستجابة للماشية.

الاعتبارات البيئية والاقتصادية

(ب) إنتاج التيتانيوم له آثار بيئية هامة، حيث إن عملية الكول هي عملية كثيفة الطاقة، إذ تستهلك ما يقرب من 30 إلى 50 كيلوواط لكل كيلوغرام من الإسفنج التيتانيومي، وهي عملية توليد الطاقة الكثيفة الكلور والمحتوية على النفايات التي يجب إدارتها بعناية، غير أن الصناعة أحرزت تقدماً في إعادة تدوير الكلور والمغنزيوم، والنباتات الحديثة تحقق معدلات مرتفعة لاسترداد ثاني أكسيد الكربون.

كما أن العوامل الاقتصادية تحد من إنتاج التيتانيوم، إذ أن ارتفاع تكلفة رأس المال من مرافق الكلورة والتخفيض، إلى جانب طبيعة الباتش لعملية كرول، يعني أن إنتاج التيتانيوم يُنتج على نطاق صغير نسبياً مقارنة بقطاع الفولاذ أو الألمنيوم، وأن القدرة الإنتاجية العالمية لسفن التيتانيوم تناهز 000 250 طن متري سنوياً، حيث تمثل الصين واليابان وروسيا والولايات المتحدة أكبر منتجين للفلورو.

إعادة التدوير والاستدامة

ويعاد تدوير التيتانيوم إلى حد كبير، ويقدر معدل إعادة تدوير التيتانيوم بنسبة 60-70 في المائة بالنسبة للتطبيقات الصناعية، ويقلل التيتانيوم - بما في ذلك التحولات، والطوابع، والجرد الذي انتهى أجله - من حيث جمعه، وتنظيفه، وإعادة صهره لإنتاج أغنايات جديدة، ويحتاج تجديد التيتانيوم إلى طاقة أقل بكثير من إنتاج عجينة، ويمكن استخدام المواد المعاد تدويرها في العديد من التطبيقات دون أن تؤدي وفورات في مجال التمرات.

(ب) إجراء بحوث في بدائل لعملية كرول (Kroll): إن عملية FFC Cambridge ، التي طورت في جامعة كمبريدج، تستخدم تحلل الملح المغنطيسي لخفض ثاني أكسيد التيتانيوم مباشرة إلى معدن التيتانيوم، مع تجاوز خطي التكلور والتخفيض تماماً، ومع ذلك، فإن هذه العملية لم تحقق بعد حجماً تجارياً، مثل [الحجم]

خاتمة

إن الرحلة من ركاز التيتانيوم إلى المعادن النهائية هي واحدة من أكثر المواد المطلوبة في الميولج الصناعية، وهي تتطلب الكلورة العالية الحرارة، وتخفيض البخار بالمعادن الرجعية، وتفكك الفراغ، وتعدد خطوات إعادة الصهر تحت رقابة صارمة على الجودة، وكل مرحلة تزيد من التكلفة والتعقيد، ولكن النتيجة هي مادة يبرر فيها الاستثمار وجود مزيج فريد من القوة والضوء من المفاعلات ذات الصدر.