لدى التيتانيوم ، المعدن المعروف بنسبة القوة إلى الوزن العالية ، ومقاومة التآكل الاستثنائية ، والتوافق الحيوي ، مجموعة واسعة من التطبيقات التي تعتمد اعتمادًا كبيرًا على عملية الاستخراج الفعال والعالي النقاء والتكرير من المواد الخام الخام. تتواجد التيتانيوم في الطبيعة بشكل أساسي في شكل روتيلي (TiO₂) أو Ilmenite (Fetio₃) ، وتحويل هذه الخامات إلى التيتانيوم النقي القابل للاستخدام هو مشروع معقد وكثيف الطاقة ، والتحدي الأساسي هو أن التيتانيوم يسهل على أساليب الصراخ التقليدية بشكل تقليدي. لذلك ، يعتمد الإنتاج الضخم للتيتانيوم الخالص (وخاصة إسفنجة التيتانيوم) في الصناعة بشكل أساسي على طريقة Kroll وعملية مشتقته ، وفكرته الأساسية هي تحويل التيتانيوم أولاً إلى مركب متوسط متطاير - Tetrachloride (TICL₄) ، ثم تقليل وتطهير الوسيط المتوسط.
The purification journey begins with the enrichment and chlorination of titanium ore. ilmenite or rutile is first enriched by beneficiation to increase the TiO₂ content. Titanium-rich materials (such as natural rutile, artificial rutile or high titanium slag) are then chlorinated in fluidized bed reactors with coke and chlorine at high temperatures (about 900-1000°C). This violent exothermic process converts titanium oxides into gaseous titanium tetrachloride (TiCl₄), and impurities such as iron in the ore also produce corresponding chlorides (such as FeCl₃). The newly produced crude TiCl₄ is a complex mixture containing impurities such as silicon, vanadium, iron, aluminum, magnesium, and chloride, especially vanadium impurities (VOCl₃, VCl₄) that are similar to titanium properties, which are the most difficult to separate, so strict distillation and purification are necessary. Using the differences in the boiling points of various chlorides, the impurities with low boiling points (such as SiCl₄) were first removed, and the impurities with high boiling points (such as FeCl₃ and AlCl₃) were enriched and removed in the subsequent kettles. For vanadium, a key impurity, chemical treatment methods are often used, such as adding a reducing agent (such as mineral oil or hydrogen sulfide) to liquid TiCl₄ to reduce V⁵⁺ to V⁴⁺, and then passing hydrogen sulfide to form an insoluble sulfide precipitate (such as VOS), or adding metal reducing agents such as copper powder to selectively reduce it to a low-valence state and then adsorption and filtration to remove it. This series of fine distillation and chemical treatments results in a colorless transparent liquid titanium tetrachloride with extremely high purity (typically required >99.9 ٪) ، وهي مادة خام مؤهلة لخطوات التخفيض اللاحقة.
بعد الحصول على TICL₄ عالي النقاء ، يدخل عملية التخفيض لإنتاج معدن التيتانيوم ، والعملية السائدة هي التخفيض الحراري للمغنيسيوم. تمتلئ مفاعل كبير من الفولاذ (فرن التخفيض) المحمي بواسطة غاز الأرجون الخامل بكمية كافية من المغنيسيوم المنصهر (MG). يتم حقن Ticl₄ السائل المكرر ببطء أو رشه في حمام المغنيسيوم المنصهر عند درجة حرارة حوالي 800-900 درجة بمعدل محكم الإحكام. تفاعلات المفاتيح التي تحدث هي: ticl₄ (g) + 2 mg (l) → ti (s) + 2 mgcl₂ (l). هذا رد فعل مكثف للحرارة يتطلب تحكمًا دقيقًا في معدل التغذية ودرجة الحرارة لتجنب ارتفاع درجة الحرارة أو درجات حرارة الطيران. لا يكون المعدن التيتانيوم الناتج عن التفاعل في حالة منصهرة ، ولكن يتم ترسيبها في شكل صلب فضفاض ومسامي على الجدار الداخلي للمفاعل أو على سلة الفولاذ في الوسط ، مما يشكل ما يسمى "إسفنجة التيتانيوم" ، وموزعة كلوريد المغنيسيوم (mgcl₂) التي تسببت فوق طبقات ماغنسيوم المولبة. بعد التفاعل ، يتم تبريد المفاعل بأكمله ببطء تحت حماية الأرجون. يحتوي المفاعل المبرد على كهف التيتانيوم ، المغنيسيوم المتبقي (غير المتفاعل) ، وكلوريد المغنيسيوم المتصلب. لفصل هذه المكونات وتنقية إسفنجة التيتانيوم ، مطلوب تقطير الفراغ. يتم وضع المفاعل ككل أو كتل الإسفنج التي تمت إزالتها في فرن تقطير فراغ خاص ومعالجته لفترة طويلة تحت درجة حرارة عالية (تقريبا. 920-1010) والفراغ العالي (أقل من 0.1 باسكال). في هذه البيئة ، يتم تقلب كلوريد المغنيسيوم المتبقي ومغنيسيوم بشكل تفضيلي بسبب ضغط البخار العالي ويتم تكثيفه ومحاصرين في منطقة التبريد في الفرن ، في حين أن التيتانيوم لديه ضغط بخار منخفض للغاية ولا يكاد يكون غير محول ، بحيث يمكن الاحتفاظ به وتطهيره. يمكن أن يزيل التقطير الفراغي بشكل فعال المغنيسيوم المتبقي ، كلوريد المغنيسيوم ، ويتم امتصاص الهيدروجين في مسام الجسم الكهفي ، وأخيراً الحصول على إسفنجة من التيتانيوم ضخمة مع نقاء عادة 99.5 ٪ إلى 99.7 ٪. كبديل ، يشبه التقليل الحراري الصوديوم من حيث المبدأ ، باستخدام الصوديوم المعدني لتقليل ticl₄ مع تفاعل Ticl₄ + 4 na → ti + 4 NaCl. تتميز طريقة الصوديوم بدرجة حرارة تفاعل منخفضة (حوالي 550-600 درجة) ، ويكون كلوريد الصوديوم المنتج أكثر قابلية للذوبان في الماء ويغسله بعيدًا ، لكنه يحتاج إلى علاج كمية كبيرة من مياه الصرف الصحي الصوديوم ، وتتطلب العملية ذات النشاط الصوديوم ارتفاع المزيد من الحذر.
اسفنجة التيتانيوم التي تم الحصول عليها بواسطة عملية crower (تخفيض المغنيسيوم أو الصوديوم) وتقطير الفراغ ، على الرغم من أن النقاء مرتفع للغاية ، لا يزال يحتوي على شوائب الفجوة النزرة (الأكسجين ، النيتروجين ، الكربون) والكلوريد المتبقي ، وهو في حالة مسامية وفقية. من أجل الحصول على سبائك التيتانيوم الصناعي مع الكثافة ، والتكوين الموحد ، ومحتوى الشوائب المنخفضة ، والخصائص الميكانيكية الممتازة ، من الضروري تذوبها وتنقيتها. عادةً ما تستخدم أفران قوس القوس الكهربائي للانصهار. أولاً ، يتم سحق إسفنجة التيتانيوم وفحصها ، ويتم مطابقة عناصر صناعة السبائك (مثل AL ، V ، وما إلى ذلك) بدقة وفقًا لتكوين السبائك المطلوبة ، ويتم خلطها بالتساوي ، والضغط في كتل القطب تحت ضغط ضخم ، ثم يتم لحام كتل كهربائية متعددة في الأقسام ذاتية طويلة بما فيه الكفاية. يتم وضع القطب في فراغ أو غاز خامل (الأرجون أو الهيليوم) غرفة فرن الغلاف الجوي المحمي من بوتقة نحاسية مبردة بالماء ، ويتم إشعال القوس بين القطب ولوحة السندات في قاع البوتقة. يذوب حرارة القوس القوية طرف القطب ، وتسقط القطرات المنصهرة في البوتقة لتشكيل تجمع ذوبان وتصلب في سبائك. يتم تنفيذ العملية برمتها في أجواء فراغ أو خاملة ، مما يمنع أكسدة التيتانيوم ونيتانيوم. والأهم من ذلك ، في الحالة المنصهرة ، سيتم تقليص بعض الشوائب ذات الضغط العالي البخار (مثل MGCL₂ المتبقية ، والأكسجين الجزئي ، والهيدروجين ، وما إلى ذلك) وإزالتها ، وتفضي عملية التصلب لمجموعة الذوبان أيضًا إلى الفصل وإزالة الشوائب. بالنسبة للتطبيقات الراقية التي تتطلب نقاءًا شديدًا وتوحيدًا ، مثل شفرات محركات Aero ، عادة ما يكون هناك حاجة إلى ذوبان القوس المستهلك ذاتيًا ، ويحسن كل ذوبان أكثر من نقاء ، وتوحيده وكثافة سبيكة التيتانيوم ، وأخيراً يحصل على سبيكة من ذبابة التيتانيوم ، مما يزيد من الأداء الممتاز ، وتوسيع نطاقه ، ويفضل أن يكون ذلك موضحًا ، ويفرزًا ، ويفصحًا ، ويفضل أن يكون ذلك غير صحيح ، ويفضل أن يكون ذلك غير صحيح ، ودائمًا ، ويفضل أن يكون ذلك غير صحيح ، ويفضل غير موحد ودائمًا ، و المواد الخام عالية الجودة للتدحرج اللاحق وتزوير وعمليات المعالجة الأخرى.
باختصار ، فإن تنقية التيتانيوم هي هندسة معقدة للنظام تتضمن تقنيات متعددة التخصصات مثل الكيمياء عالية الحرارة ، وفصل الدقة ، والمعادن الفراغية ، والكهرومتر. من الكلور من خام للحصول على ticl₄ النقي ، إلى تخفيض المغنيسيوم/الصوديوم مع تقطير الفراغ لإنتاج إسفنجة التيتانيوم ، إلى قوس فراغ متعددة لذوبان لسيارات التيتانيوم الكثيفة العالية ، فإن كل خطوة تهدف إلى ترويض النشاط الكيميائي العالي للتيتانيوم ، وتخلص من الإمكانات مثل الأوتاد ، والكربن أو الكربون أو الكربون وأخيرا ، و "المعادن الفضائية" و "المعادن البحرية" و "المعادن الحيوية" التي تدعم الحقول المتطورة مثل الطيران والهندسة البحرية والطيد الحيوي ، والتي تظهر قيمتها الفريدة كؤلؤة صناعية حديثة. إذا كنت ترغب في معرفة المزيد من معلومات التيتانيوم ، الرجاء الاتصالcatherine@hiriger.com.
