فرآیند تولید ساختارهای ترکیبی تیتانیوم از طریق مواد واسطه حاوی TiO2

تیتانیوم است یک عنصر شیمیایی طبیعی (عدد اتمی 22) - نه یک ترکیب یا مخلوط - عمدتاً از سنگ معدنی مانند ایلمنیت و روتیل از طریق فرآیندهای پالایش چند مرحله ای استخراج می شود. به طور تجاری، فلز تیتانیوم از طریق تولید می شود فرآیند کرول که دی اکسید تیتانیوم (TiO2) را به تتراکلرید تیتانیوم (TiCl4) تبدیل می کند و سپس با استفاده از منیزیم آن را به تیتانیوم اسفنجی تبدیل می کند. تیتانیوم با خلوص فوق العاده بالا (5N / 99.999٪ و بالاتر) به تکنیک های پیشرفته دیگری مانند تصفیه الکترولیتی نمک مذاب و ذوب پرتو الکترونی خلاء نیاز دارد. تیتانیوم انجام می دهد زنگ نزن در مفهوم متعارف - یک لایه اکسید پایدار و خود ترمیم شونده را تشکیل می دهد که مقاومت در برابر خوردگی فوق العاده ای را ارائه می دهد.

آیا تیتانیوم یک عنصر، ترکیب یا مخلوط است؟

تیتانیوم (Ti) یک است عنصر شیمیایی خالص یک ترکیب یا مخلوط نیست. در موقعیت 22 جدول تناوبی با وزن اتمی تقریباً 47.87 گرم در مول قرار دارد. در شکل فلزی خود، به طور کامل از اتم های تیتانیوم تشکیل شده است که در یک ساختار بلوری شش ضلعی بسته بندی شده نزدیک (HCP) در دمای اتاق قرار گرفته اند. هنگامی که با عناصر دیگر آلیاژ می شود - برای مثال Ti-6Al-4V (6٪ آلومینیوم، 4٪ وانادیم) - به آلیاژ تبدیل می شود که از نظر فنی مخلوطی از فلزات است. با این حال، خود تیتانیوم خالص یک ماده تک عنصری است که به عنوان یک طبقه بندی می شود فلز انتقالی .

• تراکم: 4.51 g/cm³ (حدود 60 درصد چگالی فولاد)
• نقطه ذوب: 1668 درجه سانتی گراد (3034 درجه فارنهایت)
• استحکام کششی (خالص): تا 740 مگاپاسکال
• فراوانی در پوسته زمین: تقریباً 0.66 درصد وزن - نهمین عنصر فراوان

تیتانیوم چگونه استخراج می شود؟ از سنگ معدن تا مواد خام

تیتانیوم به عنوان یک فلز آزاد در طبیعت وجود ندارد. از دو ماده معدنی اولیه استخراج می شود:

• ایلمنیت (FeTiO3): فراوان ترین کانی تیتانیوم که معمولاً حاوی 45 تا 65 درصد TiO2 است. ذخایر عمده در استرالیا، آفریقای جنوبی، کانادا، نروژ و چین وجود دارد.
• روتیل (TiO2): یک سنگ معدنی با عیار بالاتر با محتوای 90 تا 98 درصد TiO2، که عمدتاً در نهشته‌های ماسه ساحلی در استرالیا و سیرالئون یافت می‌شود.

استخراج معمولا استفاده می کند استخراج روباز (سطحی) یا لایروبی ماسه های معدنی . سپس سنگ معدن با استفاده از روش های جداسازی گرانشی، جداسازی مغناطیسی و الکترواستاتیک تغلیظ می شود. کنسانتره حاصل (به نام "سرباره تیتانیوم" یا "روتیل مصنوعی") وارد فرآیندهای ذوب پایین دست و شیمیایی می شود. استرالیا تقریباً 20 درصد از تولید جهانی ایلمنیت را تشکیل می دهد در حالی که چین بر تولید جهانی اسفنج تیتانیوم با بیش از 60 درصد عرضه جهان تسلط دارد.

تیتانیوم چگونه تولید می شود؟ فرآیند استاندارد کرول

روش تجاری غالب برای تولید فلز تیتانیوم است فرآیند کرول توسط ویلهلم کرول در سال 1940 اختراع شد. TiO2 را از طریق یک سری واکنش های شیمیایی کنترل شده به تیتانیوم فلزی تبدیل می کند. در زیر مروری بر مراحل کلیدی است:

فرآیند کرول است یک فرآیند دسته ای پر انرژی - تولید یک تن اسفنج تیتانیوم تقریباً 20 تا 30 مگاوات ساعت برق مصرف می کند. این یک دلیل کلیدی است که قیمت تیتانیوم به طور قابل توجهی بیشتر از فولاد برای کاربردهای صنعتی است.

چگونه تیتانیوم تشکیل می شود: نقش واسطه های حاوی TiO

در طول کلرزنی، دی اکسید تیتانیوم (TiO2) با گاز کلر در حضور کربن (کک) واکنش داده و تشکیل می شود. تتراکلرید تیتانیوم (TiCl4) ، واسطه اصلی در تقریباً تمام تولیدات فلز تیتانیوم است. TiCl4 یک مایع بی رنگ و فرار در دمای اتاق (نقطه جوش 136.4 درجه سانتیگراد) است که آن را به تصفیه مبتنی بر تقطیر بسیار متمایل می کند.

در تحقیقات و تنظیمات تولید پیشرفته، ترکیبات حاوی TiO با ظرفیت پایین - مانند مونوکسید تیتانیوم (TiO) و سیسکوی اکسید تیتانیوم (Ti2O3) - به عنوان فازهای میانی در طی فرآیندهای کاهش کربوترمی یا الکترولیتی ظاهر می شوند. این اکسیدهای فرعی معمولاً در سیستم TiO2-Ti در طی کاهش دمای بالا یافت می‌شوند و در روش‌های جدید الکترولیز مستقیم (مانند فرآیند FFC Cambridge) که به دنبال جایگزینی یا تکمیل فرآیند کرول هستند، نقش دارند:

• فرآیند FFC کمبریج: TiO2 جامد را مستقیماً در CaCl2 مذاب در ~ 900 درجه سانتیگراد الکترولیز می کند. اکسیژن یونیزه می شود و به آند مهاجرت می کند و Ti فلزی باقی می ماند. فازهای زیر اکسیدی (TiO، Ti2O3، Ti3O5) به طور گذرا با ادامه کاهش تشکیل می شوند.
• تصفیه الکترولیتی نمک مذاب: مورد استفاده برای برنامه های کاربردی با خلوص فوق العاده بالا؛ ترکیبات تیتانیوم محلول برای دستیابی به سطوح خلوص بالاتر از 99.999٪ (5N) با الکترورسوب گذاری می شوند.

کنترل مسیر میانی TiOO بسیار مهم است: کاهش ناقص فازهای غنی از اکسیژن را ترک می کند که فلز نهایی را شکننده کنید ، کنترل دقیق فرآیند را برای نمرات با عملکرد بالا و خلوص بالا ضروری می کند.

تیتانیوم با خلوص فوق العاده بالا چگونه تولید می شود (5N، 6N، 7N)

اسفنج استاندارد تجاری تیتانیوم معمولاً می رسد خلوص 99.5-99.9٪ (3N-4N). . برای سخت‌ترین کاربردها در نیمه رساناها، محاسبات کوانتومی و رسوب لایه نازک، سطوح خلوص 5N (99.999٪)، 6N (99.9999%) و 7N (99.99999%) مورد نیاز هستند. دستیابی به این درجه ها مستلزم مراحل تصفیه اضافی فراتر از فرآیند کرول است.

فن آوری های کلیدی برای تولید Ti با خلوص فوق العاده بالا

• تصفیه الکترولیتی نمک مذاب: تیتانیوم is dissolved anodically in a molten salt bath (e.g., LiCl-KCl or NaCl-KCl) and electrodeposited cathodically with significantly reduced impurity content. This method selectively removes iron, nickel, silicon, and other tramp elements to below 1 ppm.
• ذوب پرتو الکترونی خلاء (VEBM): ماده اولیه تیتانیوم تحت خلاء بالا (<10-4 Pa) با استفاده از یک پرتو الکترونی متمرکز ذوب می شود. ناخالصی های فرار (Mn، Mg، Zn، Na، K) تبخیر می شوند. عبور های متعدد باعث کاهش بیشتر غلظت ناخالصی می شود. سطوح ناخالصی معمول در محصول 5N: Fe < 5 پی پی ام، O < 10 پی پی ام، N < 5 پی پی ام.
• پالایش منطقه: یک منطقه مذاب باریک در امتداد یک میله تیتانیوم رد می شود. ناخالصی ها به دلیل ضرایب تفکیک به یک انتها مهاجرت می کنند و به خلوص فوق العاده در قسمت تصفیه شده دست می یابند.

CRNMC توسعه داده است فرآیند تصفیه الکترولیتی نمک مذاب نسل بعدی همراه با ذوب پرتو الکترونی خلاء ، امکان تولید انبوه در مقیاس بزرگ تیتانیوم با درجه خلوص فوق العاده بالا 5N (99.999%). CRNMC است یکی از تنها چهار شرکت در سطح بین المللی قادر به تولید صنعتی تیتانیوم با خلوص فوق العاده بالا در این مقیاس است. آلیاژهای سفارشی 6N و 7N نیز با ابعاد و وزن متناسب با مشخصات مشتری موجود هستند.

تیتانیوم چگونه به محصولات قابل استفاده تبدیل می شود؟

هنگامی که یک اسفنج یا شمش تیتانیوم تولید می شود، تحت پردازش بیشتری قرار می گیرد تا به اجزا و محصولات نیمه تمام تبدیل شود. زنجیره تولید شامل:

1. ترکیب و فشرده سازی: اسفنج با عناصر آلیاژی (در صورت نیاز) ترکیب شده و به صورت فشرده در الکترود فشرده می شود.
2. ذوب مجدد قوس خلاء (VAR): الکترودها 2 تا 3 بار در یک کوره خلاء ذوب می شوند تا یکنواختی شیمیایی حاصل شود. شمش ها معمولاً 3 تا 10 تن متریک وزن دارند.
3. کار گرم: شمش ها در دمای 800 تا 1100 درجه سانتی گراد آهنگری و نورد می شوند تا بیلت ها، میله ها، صفحات و ورق ها تولید شوند. واکنش پذیری بالای تیتانیوم به اتمسفر یا پوشش های کنترل شده برای جلوگیری از اکسیداسیون نیاز دارد.
4. سرد کاری و ماشینکاری: ابعاد نهایی از طریق نورد سرد، کشش یا ماشینکاری CNC به دست می آید. فنر پشت تیتانیوم و کار سخت شدن نیاز به ابزار تخصصی دارد.
5. عملیات حرارتی: بازپخت در دمای 700 تا 850 درجه سانتیگراد استرس داخلی را کاهش می دهد و شکل پذیری را بازیابی می کند.
6. تکمیل سطح: ترشی کردن، آنودایز کردن یا پوشش دادن کیفیت سطح و عملکرد را برای کاربردهای خاص بهبود می بخشد.

آیا تیتانیوم زنگ می زند؟ درک مقاومت در برابر خوردگی آن

تیتانیوم does not rust . زنگ اکسید آهن (Fe2O3) است که هنگام واکنش آهن یا فولاد با اکسیژن و آب ایجاد می شود. از آنجایی که تیتانیوم حاوی آهن نیست، به این معنا نمی تواند زنگ بزند. در عوض، تیتانیوم فوراً با اکسیژن اتمسفر واکنش نشان می دهد و لایه ای متراکم و محکم می چسبد. دی اکسید تیتانیوم (TiO2) فقط 2 تا 7 نانومتر ضخامت دارد. این لایه اکسید غیرفعال:

• خود ترمیم شونده است - اگر خراشیده یا ساییده شود، در عرض میلی ثانیه در هوا یا آب اصلاح می شود.
• در برابر حمله اکثر اسیدها از جمله اسید نیتریک، اسید سیتریک و اسید سولفوریک رقیق مقاومت می کند
• مقاومت عالی در برابر آب دریا و محیط های کلرید ارائه می دهد (برخلاف فولاد ضد زنگ که می تواند در شرایط با کلرید بالا دچار خوردگی حفره ای شود)
• پایداری را در دمای تا 600 درجه سانتیگراد در هوا حفظ می کند

تنها محیط هایی که می توانند به تیتانیوم حمله کنند، هستند اسید هیدروفلوئوریک غلیظ (HF) ، اسید سولفوریک غلیظ داغ و محیط های احیا کننده قوی بدون اکسیژن. عملاً برای تمام محیط‌های تجاری و صنعتی، عملکرد خوردگی تیتانیوم استثنایی است - آن را به ماده انتخابی برای راکتورهای شیمیایی، سخت‌افزار دریایی و ایمپلنت‌های پزشکی تبدیل می‌کند.

کاربردهای کلیدی تیتانیوم با خلوص فوق العاده بالا

ترکیب استثنایی خلوص بالا، استحکام مکانیکی، مقاومت در برابر خوردگی و زیست سازگاری باعث می شود که تیتانیوم - به ویژه در 5N و بالاتر - در چندین بخش با تکنولوژی بالا ضروری باشد:

هوافضا

آلیاژهای تیتانیوم را تشکیل می دهند 25 تا 35 درصد وزن ساختاری هواپیماهای تجاری مدرن (به عنوان مثال، بوئینگ 787 دریم لاینر تقریباً 14 درصد وزنی تیتانیوم استفاده می کند). نسبت استحکام به چگالی بالای آن، وزن بدنه هواپیما را کاهش می دهد و به طور مستقیم بازده سوخت را بهبود می بخشد. پره های کمپرسور موتور و دیسک های فن از حفظ قدرت خود در دماهای بالا استفاده می کنند.

تجهیزات پزشکی

زیست سازگاری تیتانیوم آن را به ماده ای مطلوب تبدیل می کند ایمپلنت های ارتوپدی، ایمپلنت های دندانی و ابزار جراحی . بازار جهانی ایمپلنت های ارتوپدی در سال 2023 از 52 میلیارد دلار فراتر رفت و تیتانیوم بیشترین سهم مواد را در اختیار داشت. برخلاف فولاد ضد زنگ، تیتانیوم باعث ایجاد پاسخ ایمنی نمی شود و به طور طبیعی با بافت استخوانی ادغام می شود.

نیمه هادی و الکترونیک

در تولید تراشه، اهداف کندوپاش تیتانیوم با خلوص فوق العاده بالا (گرید 5N و 6N) در رسوب فیزیکی بخار (PVD) برای رسوب لایه های سد نیترید تیتانیوم (TiN) و لایه های چسبندگی تیتانیوم در مدارهای مجتمع استفاده می شود. ناخالصی های موجود در اهداف کندوپاش مستقیماً عملکرد و قابلیت اطمینان دستگاه را کاهش می دهند و خلوص را بسیار مهم می کنند.

تجهیزات پردازش شیمیایی

راکتورهای تیتانیوم، مبدل‌های حرارتی و سیستم‌های لوله‌کشی به طور گسترده در کارخانه‌های کلر قلیایی، تولید دارو، و نمک‌زدایی آب دریا استفاده می‌شوند. تیتانیوم درجه 2 در برابر اسید نیتریک غلیظ (تا 100٪) و محیط های کلر مرطوب که در آن فولاد ظرف چند هفته از بین می رود، مقاومت می کند.

سوالات متداول در مورد تولید تیتانیوم

تولید تیتانیوم از سنگ معدن تا فلز نهایی چقدر طول می کشد؟

چرخه کامل از استخراج سنگ معدن تا اسفنج تیتانیوم معمولا طول می کشد چند هفته . یک دسته فرآیند کرول (با تولید 3 تا 10 تن اسفنج) تقریباً 5 تا 7 روز برای مرحله کاهش به تنهایی طول می کشد، به علاوه زمان اضافی برای تقطیر خلاء، ذوب VAR و کار گرم. تولید با خلوص فوق العاده بالا شامل تصفیه الکترولیتی و عبور مذاب پرتوهای الکترونی چندگانه می تواند چندین هفته دیگر طول بکشد.

چرا تیتانیوم در مقایسه با فولاد یا آلومینیوم گران است؟

هزینه بالای تیتانیوم ناشی از موارد زیر است: (1) فرآیند پر انرژی کرول (~20-30 مگاوات ساعت در تن)، (2) نیاز به محیط های پردازش بی اثر یا خلاء برای جلوگیری از آلودگی، (3) ویژگی های ماشینکاری دشوار که عمر ابزار را کوتاه می کند، و (4) حجم تولید نسبتا کم. تیتانیوم sponge costs approximately $8–15/kg در مقایسه با 0.5 تا 1 دلار برای فولاد و 2 تا 3 دلار در کیلوگرم برای آلومینیوم.

آیا تیتانیوم قابل بازیافت است؟

بله. ضایعات تیتانیوم (خراطی ها، تراشه ها و مواد شمش بریده شده) را می توان با ذوب مجدد از طریق فرآیندهای VAR یا پرتو الکترونی بازیافت کرد. تیتانیوم بازیافتی می تواند 15 تا 30 درصد مواد اولیه را تشکیل دهد در برخی از تاسیسات تولیدی حفظ قابلیت ردیابی و جلوگیری از آلودگی متقابل با آلیاژهای دیگر در طول بازیافت بسیار مهم است.

تفاوت بین اسفنج تیتانیوم و شمش تیتانیوم چیست؟

اسفنج تیتانیوم تیتانیوم فلزی متخلخل و نامنظم است که مستقیماً از فرآیند کرول تولید می شود. بافت اسفنج مانند به دلیل محبوس شدن جیب های کلرید شمش تیتانیوم با تثبیت و ذوب اسفنج (معمولاً 2 تا 3 بار توسط VAR) برای ایجاد یک فرم فلزی همگن و کاملاً متراکم مناسب برای نورد، آهنگری و ماشینکاری تولید می شود.

آیا تیتانیوم در شرایط آب شور یا مرطوب زنگ می زند؟

نه. تیتانیوم در برابر آب شور و اتمسفر مرطوب بسیار مقاوم است. لایه غیرفعال TiO2 آن حفاظت عالی را در محیط های دریایی ارائه می دهد. تیتانیوم به طور معمول در اجزای زیردریایی، سکوهای نفتی فراساحلی و کارخانه‌های شیمیایی ساحلی استفاده می‌شود - محیط‌هایی که فولاد کربنی به سرعت خورده می‌شود و حتی فولاد ضد زنگ ممکن است دچار خوردگی شکافی شود.

چه چیزی تیتانیوم با خلوص فوق العاده بالا 5N را با درجه استاندارد متفاوت می کند؟

تیتانیوم استاندارد تجاری دارای صدها تا هزاران ppm ناخالصی های فلزی (آهن، سیلیکون، نیکل و غیره). در خلوص 5N، کل ناخالصی های فلزی کاهش می یابد زیر 10 پی پی ام . این سطح از خلوص برای اهداف کندوپاش در تولید نیمه هادی مورد نیاز است، جایی که ناخالصی های ردیابی در فیلم های رسوب شده می تواند باعث خرابی ترانزیستور، نشت دستگاه یا تخریب قابلیت اطمینان شود. همچنین در کاربردهای تحقیقاتی که به رفتار مواد تکرارپذیر نیاز دارند، ارزش دارد.