التيتانيوم · المعرفة التكنولوجية - إنتاج التيتانيوم الإسفنجي

يسمى معدن التيتانيوم الذي يتم الحصول عليه من خام خام التيتانيوم الإسفنجي بسبب مظهره المسامي والإسفنجي. التيتانيوم متوفر بكثرة كعنصر كيميائي. من بين العناصر المعدنية الأكثر وفرة في قشرة الأرض ، يحتل التيتانيوم المرتبة الرابعة (بعد Al و Fe و Mg). أول معدن يستخدم لإنتاج التيتانيوم هو الروتيل (TiO2) أو الإلمنيت (FeTiO3) ، وينقسم تحضير التيتانيوم المعدني من هذه المعادن الخام إلى الخطوات أو الإجراءات الخمس المختلفة التالية ، وهي:

(1) تتم معالجة المعادن بالكلور لتكوين TiCl4 ؛

(2) تنقية التقطير من TiCl ؛

(3) اختزال TiCl4 لإنتاج التيتانيوم المعدني [عملية كرول] ؛

(4) إزالة المنتجات الثانوية لعملية الاختزال لتنقية معدن التيتانيوم (التيتانيوم الإسفنجي) ؛

(5) سحق وتصنيف التيتانيوم المعدني من أجل الحصول على منتجات مناسبة للخطوة التالية من التيتانيوم النقي التجاري (CP التيتانيوم) وصهر سبائك التيتانيوم.

لا تتطلب عملية المعالجة بالكلور درجة نقاء عالية من الروتيل. إذا تم استخدام الإلمنيت بدلاً من الروتيل ، فإن المادة الخام هي خبث التيتانيوم الغني بـ TiO2 ، وهو منتج ثانوي لصهر الإلمنيت بالكربون في فرن كهربائي لإنتاج الحديد. يحدث تفاعل الكلورة في فرن غليان يحتوي على TiO2 وشوائب وكربون (فحم الكوك) يدخل المكلور مع الروتيل ، انظر الشكل 3.1. عند التلامس مع الكربون ، تكون نواتج التفاعل عبارة عن كلوريد فلز (MClx) ، وثاني أكسيد الكربون ، وثاني أكسيد الكربون ، و TiCl4 الغازي (نقطة غليان TiCl4 هي 136 درجة مئوية) ، ويتم تفريغ منتجات التفاعل هذه من القناة العلوية للمفاعل وتدخل مباشرة إلى التجزئة وحدة (انظر الشكل 3.2).

الصيغة الأساسية لتفاعل الكلورة هي كما يلي:

TiO2 plus 2Cl2 plus C → TiCl4 زائد CO2

و

TiO2 زائد 2Cl2 زائد 2C → TiCl4 زائد 2CO

الخطوة الثانية في عملية الإنتاج هي خطوة التقطير ، لأن TiCl4 الأساسي من خطوة الكلورة يحتاج إلى مزيد من التنقية. يتم إجراء التنقية عن طريق التقطير التجزيئي لـ TiCl4 كما هو موضح في الشكل 3.2 ، والذي يوضح عملية تنقية التقطير من خطوتين. تتمثل الخطوة الأولى في إزالة الشوائب منخفضة الغليان ، مثل ثاني أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون ، والخطوة الثانية هي إزالة الشوائب عالية الغليان ، مثل SiCl4 و SnCl4. يتم تخزين TiC4 المنقى تحت حماية غاز خامل حتى الاستخدام.

الخطوة التالية في عملية الإنتاج هي تقليل TiCl4 ، عملية Kroll. يضاف TiCl4 المنقى إلى المفاعل المملوء بمعدن مغنيسيوم ويملأ بغاز خامل. عند التسخين إلى 800 ~ 850 درجة ، يحدث تفاعل الاختزال العام التالي:

TiCl4 زائد 2Mg → Ti plus 2MgCl2

يكتمل التفاعل فعليًا بالخطوتين التاليتين:

TiCl4 plus Mg → TiCl2 plus MgCl2

تليها

TiCl2 plus Mg → Ti plus MgCl2

يظهر الرسم التخطيطي لمفاعل تخفيض Kroll في الشكل 3.3. يقترن مفاعل الاختزال الموجود على اليسار بجهاز التقطير الفراغي على اليمين. تمت دراسة تفاعل الاختزال لأول مرة بواسطة Kroll في أواخر الثلاثينيات من القرن الماضي ، ولا تزال عملية اختزال TiCl4 مع Mg تسمى عملية Kroll. المنتج النهائي التيتانيوم المعدني المختزل بواسطة صيغة التفاعل المذكورة أعلاه يكون نقيًا تمامًا ، لكن التيتانيوم المعدني النقي سوف يختلط مع MgCl2. مع تقدم عملية تقليل Kroll ، تتم إزالة معظم MgCl2 باستمرار ، ولكن هناك كميات معينة متبقية ، ستتم مناقشة إزالتها في مرحلة تنقية معدن التيتانيوم اللاحقة.

نظرًا لأن تفاعل الاختزال هو تفاعل طارد للحرارة ، يجب أن يكون معدل إضافة TiCl4 إلى المفاعل المحتوي على Mg تحت درجة حرارة يمكن التحكم فيها ، وهو أمر ضروري لمنع تكوين مواد متفاعلة صلبة كثيفة وعرقلة تطاير المنتجات الأخرى. ناتج هذا التفاعل عبارة عن خليط من التيتانيوم المعدني و MgCl2 ، يسمى "كتلة التيتانيوم الإسفنجية" ، وهو نتاج عملية كرول.

في وقت مبكر من عام 1910 ، أكد هنتر أنه يمكن تقليل TiCl4 بواسطة مصهور Na ، وتسمى طريقة تحضير التيتانيوم الإسفنجي طريقة Hunter. بين عامي 1960 و 1995 ، تم إنتاج كمية كبيرة من التيتانيوم الإسفنجي باستخدام هذه الطريقة. في الوقت الحاضر ، لا توجد مصانع لإنتاج الإسفنج التيتانيوم على نطاق واسع باستخدام هذه الطريقة ، ويرجع ذلك أساسًا إلى أن استخدام المغنيسيوم كعامل اختزال أكثر جاذبية من استخدام الصوديوم من الناحية الاقتصادية.

الخطوة التالية في عملية الإنتاج هي تنقية التيتانيوم المعدني ، أي إزالة بقايا MgCl2 من كتلة التيتانيوم الإسفنجية. يمكن فصل MgCl بإحدى الطرق التالية: ترشيح الحمض أو تطهير الغاز الخامل أو التقطير بالتفريغ. تستغل الطريقة الأولى قابلية الذوبان التفضيلية لـ MgCl2 في المحاليل الحمضية ، ويمكن إزالة MgCl2 من إسفنجة التيتانيوم المجزأة بواسطة طريقة ترشيح فصل لم تعد مستخدمة على نطاق واسع. تتميز الطرق الأخرى بإزالة MgCl مباشرة في مفاعل Kroll. تستفيد هذه الطرق من ضغط البخار العالي لـ MgCl لإزالة MgCl بشكل انتقائي عن طريق التبخر متبوعًا بالتكثيف لاستعادة Mg و Cl من التيتانيوم الإسفنجي ، وقاعدة الغاز الخامل هي استخدام الأرجون كناقل لنقل بخار MgCl2.

الشكل 3.3 هو رسم تخطيطي لعملية التقطير الفراغي (VDP). في هذه العملية ، يتم تسخين كتلة التيتانيوم الإسفنجية في فراغ في مفاعل كرول على اليسار. في هذا الوقت ، ينتج MgCl2 المتطاير والمعدن الزائد Mg عن ضغط البخار ويتكثف في وعاء آخر (انظر الوعاء الأيمن في الشكل 3.3) والذي ، بعد إضافة جديدة للمغنيسيوم ، يعمل كمفاعل كرول لفترة الاختزال التالية ، بينما يتم استبدال الحاوية التي تحتوي على كتلة إسفنجية من التيتانيوم على اليسار في الشكل 3.3 بخزان فارغ ، وهي عملية شبه مستمرة ذات مزايا اقتصادية. من بين عمليات التنقية الثلاث لإسفنجة التيتانيوم ، فإن كتلة التيتانيوم الإسفنجية المعالجة بواسطة عملية التقطير الفراغي (VDP) تحتوي على أقل محتوى من المواد المتطايرة. نظرًا لانتقال الكتلة في المفاعل تحت عملية التقطير الفراغي (VDP) عند درجة حرارة عالية (700 ~ 850 درجة) ، فإن إسفنجة التيتانيوم سوف تمتص بالفعل كمية صغيرة من الحديد والنيكل من مفاعل الفولاذ المقاوم للصدأ. من بين السبائك الفائقة ، النيكل غير مرغوب فيه بشكل خاص لأن محتوى النيكل أعلى من الحد يقلل من قوة الزحف ، وهذا صحيح أيضًا في تلبيد كتل التيتانيوم الإسفنجية.

في كلتا العمليتين (تطهير الغاز الخامل و VDP) ، يتم استرداد Mg و Cl2 وإعادة تدويرهما. في الوقت الحالي ، حقق إنتاج التيتانيوم الإسفنجي عن طريق تقليل المغنيسيوم أساسًا إنتاجًا في حلقة مغلقة على دفعات ، ولكن من الضروري "خلط" كمية مناسبة من Mg و Cl2 بين الدُفعات.

الخطوة الأخيرة في عملية الإنتاج هي تكسير وتصنيف إسفنجة التيتانيوم. بعد إزالة فائض Mg و MgCl2 ، تم تكسير إسفنجة التيتانيوم السائبة إلى تيتانيوم معدني حبيبي. بعد التكسير والتصنيف ، يتم تقطيع الصفوف الخشنة من إسفنج التيتانيوم لتقليل حجمها بشكل أكبر. تتم عمليات التكسير والقص في الهواء ، ولكن يجب توخي الحذر لأن التيتانيوم مادة قابلة للاشتعال محتملة ، وأي مصدر اشتعال يحدث أثناء العملية سوف ينتج مناطق غنية بالنيتروجين ويلوث إسفنجة التيتانيوم ، مما يؤدي إلى صهر لاحق. عيوب. تجعل درجة حرارة التشغيل المرتفعة لعملية VDP من الصعب تقسيم كتلة الإسفنج المصنوعة من التيتانيوم. ما لم يكن هناك طلب خاص ، فإن مصنعي التيتانيوم الإسفنجي لن يتابعوا إنتاج منتجات ذات حجم جسيم متوسط ​​فعلي أقل من 3 ~ 5 سم ، الأمر الذي لا يلغي فقط تكلفة التشغيل لمزيد من التكسير والقص ، ولكن أيضًا يتجنب خطر نشوب حريق في اسفنجة التيتانيوم خلال هذه العمليات. . يعتمد حجم جسيم التيتانيوم الإسفنجي المطلوب أو المحدد على المنتج النهائي الذي سيتم إنتاجه. يمكن استخدام درجات الحبيبات الخشنة (حتى 2.5 سم) من إسفنج التيتانيوم لإنتاج التيتانيوم النقي تجارياً (CP التيتانيوم) ومعظم الدرجات القياسية لسبائك التيتانيوم. في المجالات عالية الأداء ، مثل شفرات محرك الطائرات ، يلزم حجم جزيئات أصغر (بحد أقصى 1 سم) من إسفنج التيتانيوم ، والذي يعتمد بشكل أساسي على مراعاة عيوب ثبات الفجوة في تطبيق مواد ذات جودة عالية. حجم الجسيمات من الإسفنج التيتانيوم مثل كما هو موضح في الشكل 3.4.

بالنسبة لعملية إنتاج معادن التيتانيوم الأخرى ، تم إجراء الأبحاث لسنوات عديدة ، وتخصصت معظم الأبحاث لتقليل تكلفة إنتاج التيتانيوم الإسفنجي ، لكنها لم تنجح عمومًا. يُعد إنتاج التيتانيوم عن طريق التحليل الكهربائي (يُطلق عليه أيضًا الاستخلاص الكهربائي) مثالًا جذابًا ، وقد نجحت شركة Dow-Howmet في بناء مصنع تجريبي على نطاق تجريبي في الولايات المتحدة بين عامي 1975 و 1985 [3.3] ، بسبب الانكماش في سوق التيتانيوم في ذلك الوقت ، لا يمكن تنفيذ الإنتاج على نطاق واسع. لذلك ، يمكن القول أنه ، في الواقع ، لم يتم تحقيق نظام موثوق به بدرجة كافية لإجراء تخفيض كهربائي على نطاق واسع ، والمشكلة التي يجب التحقق منها هي إغلاق الاختزال الإلكتروليتي الكبير. قدرة الخلية على الحفاظ على بيئة تشغيل نظيفة واستقرار طويل الأمد للقطب الكهربي.

بالإضافة إلى ذلك ، كانت الجهود الأخيرة لإنتاج تيتانيوم عالي النقاء من خلال التكرير الكهربائي ناجحة للغاية من الناحيتين التقنية والاقتصادية. يذوب التنقية الإلكتروليتية أولاً التيتانيوم غير النقي في إلكتروليت ، ثم يعيد ترسيبه على هيئة تيتانيوم عالي النقاء. من خلال التحكم الدقيق في ظروف الترسيب ونقاء الإلكتروليت ، يمكن الحصول على منتج عالي النقاء ، ويمكن تحويل هذا المعدن عالي النقاء إلى هدف رشاش لإنتاج الأجهزة الإلكترونية. تتمثل الجدوى الاقتصادية للتكرير الكهربائي للتيتانيوم في أن المستخدمين الذين يستخدمون مواد تيتانيوم عالية النقاء يستخدمون كمية صغيرة نسبيًا من هذا المنتج ذي القيمة المضافة العالية ، والذي يختلف تمامًا عن استخدام المواد الإنشائية من حيث الاقتصاد.

في الوقت الحاضر ، تتم دراسة عملية جديدة لتحضير التيتانيوم الإسفنجي بعمق ، والتي تسمى Electro-Deoxidation (EDO) TM. تستخدم عملية EDO حوض مصهور CaCl2 منصهرًا وقطبًا من الجرافيت لفصل الأكسجين عن الأيونات المحتوية على أكسيد التيتانيوم من خلال التحليل الكهربائي ، وبالتالي تحويل كاثود TiO2 المضغوط أو المتكلس إلى تيتانيوم ، ويتم ترسيب معدن التيتانيوم المسامي على الكاثود الأصلي بعد التفاعل . من حيث المبدأ ، إذا تم خلط محتوى الأكسجين لعنصر السبائك المطلوب مع أكسجين الكاثود وتم تقليله كهربائياً باستخدام TiO2 ، فإن هذه العملية لها أيضًا القدرة على تحضير إسفنجة تيتانيوم مسبقة الصنع ، ولكن التأثير الذي تحققه هذه العملية محدود للغاية ، و لا تزال إمكانية الإنتاج على نطاق واسع بحاجة إلى التحليل والتبرير ، ومع ذلك فإن العملية مثيرة لعدة أسباب. أولاً ، يمكنها تحضير إسفنجة تيتانيوم مسبقة الصنع ، والتي ستتجاهل خطوات تحضير الإسفنج التيتانيوم ، وخلط عناصر السبائك ، والضغط الميكانيكي ، وما إلى ذلك ، وكلها مخصصة لإعداد أقطاب ذوبان أولية لصهر سبائك المعادن ، والتي ستؤدي إلى حد كبير تقليل تكلفة التصنيع ؛ ثانيًا ، تتمتع العملية بالقدرة على إضافة عناصر صناعة السبائك (مثل W ، و Cu ، وما إلى ذلك) إلى التيتانيوم ، وهو أمر يصعب تطبيقه على السبائك المعدنية التقليدية ، والتي ستتم مناقشتها لاحقًا. تفتح العملية الجديدة إمكانية الاختيار المتزامن للعديد من عناصر السبائك ، والتي كان من المستحيل تصورها في السابق بسبب قيود الصهر. تم تأكيد الجدوى الفنية لعملية EDO ، ولكن العديد من التفاصيل بعد توسيع النطاق ، من قابلية التكرار إلى تكاليف الإنتاج ، لا تزال تتطلب بحثًا وتحليلاً متعمقًا. على الرغم من أنه من غير الواضح ما إذا كانت عملية EDO ستكون متاحة تجاريًا في المستقبل ، إلا أنها مذكورة هنا بسبب التغييرات الثورية.

اتصل بنا للحصول على مزيد من المعلومات. شكرًا لك

نيكول

الشركة: Baoji Jimiyun Dynamic Co.، Ltd

Cuntry: الصين

إضافة: طريق باوتي ، جينتاى ، مدينة باوجى ، شنشى ، الصين

Cel: بالإضافة إلى 86 13369210920

Gmail:nicole@jmyunti.com

الموقع: www.jm-titanium.com