تولید فروتیتانیوم و هر آنچه که باید در مورد آن بدانیم!

فروتیتانیوم‌ها کاربردهای فراوانی در صنعت فولادسازی و آلیاژهای مختلف دارند. برای شناخت کاربردهای آن، ابتدا باید تأثیرات و خواص تیتانیوم را بررسی نمود. چرا که به علت وجود خواص فوق‌العاده این عنصر می‌باشد که خرید فروتیتانیوم در صنعت رونق یافته است. تیتانیوم، میل ترکیبی بالایی با چهار عنصر اکسیژن، کربن، نیتروژن و گوگرد دارد. از این رو در صنعت فولادسازی برای ترکیب با این عناصر و کاهش اثرات مضر آن‌ها به کار می‌رود. همچنین این عنصر ارزشمند در بسیاری از فولادها و آلیاژهای نیوبیوم به عنوان یک ریزکننده دانه‌ها در ریزساختار عمل می‌کند.

در فولادهای زنگ نزن نیز تیتانیوم یک ماده افزودنی ضروری برای کنترل رسوباتی نیتریدی و کاربیدی می‌باشد (به طور مثال در نسبت جرمی تیتانیوم به کربن با مقدار 5، از رسوب کاربیدهای کروم بر روی مرزدانه‌ها جلوگیری می‌کند که مقاومت به خوردگی فولادهای زنگ نزن را تا حد زیادی بهبود می‌بخشد). در فولادهای کم آلیاژ، تیتانیوم با کربن و نیتروژن اضافی، کربونیترید (TiCN) را تشکیل می‌دهد. بنابراین در هنگام جوشکاری در ساختار باقی می‌ماند و سبب کمک به ایجاد وقفه در رشد دانه آستنیتی می‌گردد.

کانی مورد استفاده در فرآیند تولید فروتیتانیوم

مهمترین و رایج‌ترین کانی تیتانیوم، ایلمنیت (Ilmenit) است که محلول‌های جامد پیوسته‌ای را با تیتانومگنتیک و هماتیت تشکیل می‌دهد. اما به طورکلی ایلمنیت، تیتانومگنتیک و کانی تیتانیوم-زیرکونیوم برای تولید فروتیتانیوم اهمیت دارد. آنها معمولا تحت روش‌های غنی‌سازی (جداسازی) گرانشی و مغناطیسی و روش شناورسازی (غوطه‌وری) قرار می‌گیرند. 

کنسانتره ایلمنیت به طور معمول دارای 96 تا 98 درصد ایلمنیت (50 تا 65 درصد TiO2) و حداکثر 0/2 تا 0/25 درصد گوگرد است. این مقدار برای تولید فروتیتانیوم استاندارد بسیار زیاد است، از اینرو کنسانتره‌ها در کوره‌های دوار و در دمای 600 تا 800 درجه سانتی‌گراد تشویه می‌شوند. همچنین فرآیند تشویه منجر به اکسیداسیون FeO و تشکیل Fe2O3 می‌شود. این اتفاق، ساختار ایلمنیت را می‌شکند و بازیابی تیتانیوم را بهبود می‌بخشد. در برخی موارد نیز از مواد بدون چربی اکسید تیتانیوم (به طور مثال، گِل قرمز حاوی کمتر از 20 درصد TiO2) استفاده می‌شود.

نحوه فرآوری فروتیتانیوم

روش آلومینوترمیک برای فرآوری فروتیتانیوم رایج‌ترین است. احیای تیتانیوم توسط آلومینیوم و روتیل توسط تشکیل مونو اکسید میانی TiO (TiOX) انجام می‌شود که به عنوان اکسید پایه قادر به تشکیل آلومینای تیتانیوم است. این امر فعالیت TiO را کاهش می‌دهد و بازیابی تیتانیوم را دشوارتر می‌کند.

برای جلوگیری از فرآیند اتصال TiO با آلومینا، آهک به شارژ اضافه می‌شود. CaO جایگزین TiO می‌گردد و CaO.Al2O3 را تشکیل می‌دهد و با این حال باید تعادل حفظ شود. چرا که مقدار اضافی CaO در بار مطلوب نیست و مقدار اضافی آن با تشکیل CaO.TiO2 موجب کاهش فعالیت اکسید تیتانیم می‌شود. آهک همچنین تاثیر زیادی بر ویسکوزیته و سیالیت سرباره دارد. مقدار بهینه آن در شارژ حدود 20 درصد وزن آلومینیوم است. این روش با استفاده از یک کوره معمولی و یا با استفاده از کوره الکتریکی با پیش‌گرم کردن شارژ و استفاده از مخلوط‌های گرمازا بسیار بهبود یافته و به کار گرفته می‌شود.

سپس سرباره فروتیتانیوم در یک کوره الکتریکی برای بازیابی تیتانیوم باقیمانده فرآوری مجدد می‌شود. در نهایت سرباره با مقدار آلومینای بالا (68 تا 78 درصد آلومینا و 14 تا 17 درصد آهک) به دست می‌آید. همچنین روش‌های جایگزین متفاوتی برای فرآوری فروتیتانیوم در حال مطالعه است که غالباً توسط الکترولیز در نمک‌های مذاب انجام می‌شوند. این روش‌ها عمدتاً در آزمایشگاه‌ها انجام می‌گیرد.

ترکیب شیمیایی فروتیتانیوم و پارامترهای موثر در تولید آن

ترکیب فروتیتانیوم استاندارد در جدول زیر قابل مشاهده است. بسته به ترکیب فروآلیاژ، ممکن است مقدار منگنز و کروم کمتر از 0/8 درصد، زیرکونیوم کمتر بین 0/2 تا 1/5 درصد و قلع بین 0/05 تا 0/3 درصد است. همچنین تولیدکنندکان صنعتی مختلف آلیاژ  نیز ترکیبات دیگری را بنا به تقاضا تولید می‌کنند. برای احیای تیتانیوم توسط آلومینیوم، پارامتر اصلی انتشار گرمای گرمازای آزادشده از فرآیند است. معمولا یک کیلوگرم بر مول محصولات ذوب (فلز و سرباره) در نظر گرفته می‌شود. با فرض وجود تلفات حرارتی (11 درصد) دمای مورد نیاز مذاب را پس از پایان فرآیند فراهم می‌کند.

برای ذوب فروتیتانیوم مقدار k برابر 32/6 و c برابر 170 است. برای فراهم نمودن شرایط لازم برای فرآیند ذوب، دما باید حداقل برای 2260 کلوین باشد، بنابراین  معادله منجر به تأمین گرمای گرمازای مورد نیاز 83/6 کیلوژول بر مول می‌شود. تمام تأمین گرمای مورد نیاز از احیای اکسیدهای آهن و تیتانیوم توسط آلومینیوم حاصل می‌شود. اعتقاد بر این است که بهترین شرایط دمایی مربوط به نسبت واحد برای Fe2O3 بر TiO2 در کنسانتره ایلمنیت است.

فناوری تولید فروتیتانیوم

متداول‌ترین فناوری تولید فروتیتانیوم به این صورت است که کوره چدنی روی یک سکوی متحرک نصب می‌گردد. این کوره با آجرهای نسوز پوشانده می‌شود. دیواره‌های کوره توسط مخلوطی از منیزیت 95 درصد، خاک رس پخته‌شده 4/3 درصد و سیلیکات سدیم (شیشه مایع) به عنوان چسب با ضخامت 10 تا 15 میلی‌متر پوشانیده شده‌اند. کوره به فضای محفظه ذوب منتقل می‌شود. این محفظه مجهز به قیف‌های تغذیه و هودهای تهویه می‌باشد.

فرآیند تولید فروتیتانیوم را می‌توان با اشتعال بالا و یا پایین انجام داد. در حالت اول، تمام شارژ در کوره بارگیری می‌شود و احتراق از قسمت بالایی آغاز می‌گردد. بنابراین بخش جلویی مذاب و فاز مایع به بخش زیرین می‌رود. حجم محصولات مایع نهایی در کوره تنها 30 تا 35 درصد حجم کل کوره است. از اینرو بهره‌وری این روش کافی و مناسب نمی‌باشد. علاوه بر این، پس از شروع فرآیند، امکان کنترل نرخ ذوب وجود ندارد. با این حال از مزیت‌های این روش، سادگی و سهولت در اجرای آن است. اشتعال در بخش زیرین بسیار مثمر ثمرتر است، چرا که امکان بارگیری شارژ اضافی وجود دارد و از حجم کوره به طور کامل استفاده می‌گردد.

اگرچه احیا توسط آلومینیوم به دلیل گرمای واکنش بالا امکان‌پذیر است. اما صرفا برای احیای آهن (جهت تامین گرمای لازم)، مصرف آلومینیوم مقرون به صرفه نمی‌باشد. بنابراین از یک روش جایگزین شامل حرارت دادن مذاب در یک کوره الکتریکی برای مهیّا نمودن انرژی مورد نیاز استفاده می‌گردد.

ترکیب شارژ در فرآوری فروتیتانیوم

ترکیب شارژ برای ذوب فروتیتانیوم در جدول زیر قابل مشاهده است. حدود 200 کیلوگرم از شارژ در اجاق گاز بارگیری می‌شود و مخلوط احتراق (نیترات سدیم و منیزیم تراشه‌ها) در بالای آن قرار می‌گیرد. مخلوط با یک جرقه یا منیزیم، فرآیند گرمازایی را آغاز می‌کند. با پیشرفت ذوب، بخش‌های کوچکی از شارژ به کوره اضافه می‌شود. یک حرارت معمولی، شامل ذوب 4 تا 4/5 تن کنسانتره ایلمنیت در 15 تا 20 دقیقه است که سبب ایجاد شمشی به طور 3 تا 4/5 متر می‌شود.

برای تولید 1 تن فروتیتانیوم، حدود 940 کیلوگرم کنسانتره ایلمنیت، 400 کیلوگرم پودر آلومینیوم، 100 کیلوگرم آهک، 24 کیلوگرم فروسیلیس و 130 کیلوگرم سنگ آهن مورد نیاز است. همچنین احتمال این وجود دارد که 9 تا 10 کیلوگرم ضایعات تیتانیوم اضافه گردد. ترکیب فاز آلیاژ به مقدار تیتانیوم و ناخالصی‌های موجود در تیتانیوم بستگی دارد. در ریزساختار یوتکتیک و بین فلزی فروتیتانیوم‌ها، معمولا ترکیباتی همچون FeTi و Fe2Ti وجود دارد. فازهای اضافی در فروتیتانیوم نیترید (TiN)، آلومینید (AlTi) و سولفید (TiS) هستند. اجزای اکسید عمدتاً شامل کوراندوم (a-Al2O3)، آلومینا با مخلوطی از TiO2 و Cr2O3، مولایت (3Al2O3.2SiO2)، گهلنیت (2CaO. Al2O3. SiO2) و ایلمینت (FeO.TiO2) می‌باشد.

علاوه بر ایلمنیت‌ها، پروسکایت (CaO.TiO2) نیز یک ماده خام ارزشمند برای ذوب فروتیتانیوم است. ممکن است تا 25 درصد از کنسانتره ایلمنیت در شارژ را جایگزین نماید. از این رو نیاز به آهک افزودنی را جهت شارژ از بین می‌برد. اما در این مورد گرمای واکنش‌های احیای گرمازا کافی نیست، از این رو پروسکایت باید تا دمای 600 تا 700 درجه سانتی‌گراد، پیش‌گرم گردد و دمای مخلوط به 300 درجه سانتی‌گراد برسد. گرید بازیابی تیتانیوم در فرآیند تقریبا 75 تا 80 درصد است.

از توجه و همراهی شما سپاسگزاریم .