تولید فروتنگستن و هر آنچه که باید در مورد آن بدانید!

کاربرد فروتنگستن در صنعت

استفاده از تنگستن به عنوان جزئی از فولادهای تند بُر (high speed)، فولاد ابزار و همچنین بسیاری از آلیاژهای فلزات سخت مرسوم است. در فولادهای تند بُر معمولا 18 درصد تنگستن خالص وجود دارد و از فروتنگستن برای تامین تنگستن در فولادهای تند بُر استفاده می‌گردد. این فروآلیاژ، یک آلیاژی مهم و اصلی در فولادهای ویژه، سوپر آلیاژها، سپرهای تشعشعی، کاربردهای نسوز و غیره می‌باشد. وجود عنصر تنگستن، موجب افزایش خواص مقاومت به سایش این آلیاژها جهت کاربرد در پره‌های توربین و به طورکلی صنعت هوایی می‌شود.

دیاگرام فازی فروتنگستن

سیستم W-Fe (شکل زیر) اساس آلیاژ صنعتی فروتنگستن را تشکیل می‌دهد. آهن و تنگستن برای تشکیل چندین ترکیب بین فلزی واکنش می‌دهند که پایدارترین آنها فاز لاوز (Fe2W) و فاز µ (Fe7W6) هستند. در مقدار 60 درصد وزنی تنگستن، در آلیاژ صنعتی فروتنگستن، دمای ذوب بیش از 2200 درجه سانتی‌گراد است. تنگستن شبکه BCC آهن را تثبیت می‌کند که ممکن است تا 30 تا 34 درصد وزنی حل شود.

مواد اولیه تنگستن

در عمل چندین کانی تنگستن در صنعت اهمیت ویژه دارند. از جمله این کانی‌ها، فربریت (FeWO4)، هوبنریت (MnWO4)، ولفرامیت (WO4(Fe,Mn))، اسکیلیت (CaWO4) می‌باشد. دو مورد اول معمولا یک ولفرامیت مخلوط ایزومورف را تشکیل می‌دهند که در آن منگنز و آهن می‌توانند جایگزین یکدیگر در شبکه کریستالی گردند. ولفرامیت دارای 76/5 درصد WO3 با چگالی 17 تا 7/5 گرم بر سانتی‌متر مکعبی است. اسکیلیت دارای 80/6 WO3 با چگالی  5/8 تا 6/2 گرم بر سانتی‌متر مکعبی است. برای فرآیند تولید فروتنگستن و سایر آلیاژهای تنگستن، اکسید خالص WO3 با عملیات‌های پیچیده شیمیایی و هیدرومتالورژی روی کنسانتره‌ها استخراج می‌شود.

فناوری تولید فروتنگستن

 تفاوت عمده در روش‌های تولید آلیاژ است که بر اساس احیا توسط آلومینیوم یا کربن و سیلیس می‌باشد. استفاده از هر یک نیز مقدار و توزیع ناخالصی‌ها را تعیین می‌کند. چگالی تنگستن بالا است (14 تا 15/5 گرم بر سانتی‌متر مکعب) و همچنین دمای  ذوب آن 2700 درجه سانتی‌گراد می‌باشد. بنابراین کوره فولادسازی به آرامی حل می‌شود. احیای تنگستن توسط کربن و سیلیس معمولا شامل پیش آماده‌سازی در کوره‌های کوچک، 3/5 تا 5 مگاواتی می‌باشد.

آلیاژ مایع در صورت بالا بودن دمای مایع با بارریز مخصوص از کوره خارج می‌گردد ( این مورد از ذوب ریزی عادی جلوگیری می‌کند، زیرا در طی این فرآیند جامد می‌شود). آلیاژ فروتنگستن با گرید بالاتر معمولا توسط احیای آلومینیوم تولید می‌گردد. از نظر ترمودینامیکی، تنگستن میل ترکیبی کمی برای اکسیژن دارد و از اکسیدهای آن می‌توان با سیلیس، کربن و آلومینیوم برای احیا استفاده نمود.

تولید فروتنگستن توسط احیا با کربن و سیلیس

کوره‌های ذوب با آجرهای منیزیت پوشانده شده‌اند که در طی ذوب بخشی از آنها تخریب شده و توده‌ای از فلز منجمد شده در ته پاتیل فروتنگستن جایگزین می‌شود.  مواد خام مورد استفاده در این فرآیند کنسانتره تنگستن، کک، فروسیلیس دانه‌بندی شده (65 تا 75 درصد سیلیس)، تراشه‌های فولادی و سرباره حاوی تنگستن بازیافت‌شده است. ترکیب شارژ با در نظر گرفتن اینکه ناخالصی‌ها در نسبت‌های زیر (برحسب درصد وزنی) به آلیاژ منتقل می‌شوند، محاسبه می‌شود: 100 درصد مولیبدن، 100 درصد مس، 15 درصد گوگرد، 15 درصد آرسنیک، و 30 درصد قلع از مقدار در شارژ مذاب.

با توجه به ماهیت فرآیندهای فیزیکی و شیمیایی، عملیات ذوب مورد استفاده در سه مرحله تقسیم و انجام می‌شود. پس از مرحله سوم، حمام در کوره حاوی مذاب فروتنگستن (از ذوب قبلی) شامل 3 تا 8 درصد سیلیس، 1/7 تا 4/5 درصد منگنز، کمتر از 2 درصد کربن و 50 تا 55 درصد تنگستن می‌باشد. در ادامه این سه مرحله مرحله را شرح خواهیم داد.

مرحله اول عملیات تولید فروتنگستن در روش احیا با کربن و سیلیس

در مرحله اول، مذاب فروتنگستن توسط سیلیس، منگنز و کربن با بارگذاری کنسانتره تنگستن در کوره تصفیه می‌شود. سیلیس، منگنز، تنگستن همگی WO3 را به تنگستن احیا می‌کنند که در مذاب حل می‌شود. اکسیدهای آهن به طور همزمان احیا می‌شوند. در این مرحله، سرباره تشکیل‌شده در کوره دارای 16 تا 23 درصد WO3، بین 15 تا  20 درصد FeO، بین 28 تا 32 درصد SiO2، بین 10 تا 15 درصد MnO، بین 8 تا 10 درصد CaO، بین 1 تا 3 درصد MgO و 2 تا 6 درصد Al2O3 است. برای بهبود سرعت پالایش و افزایش دمای فلز، کوره با حداکثر توان کار می‌کند.

در پایان مرحله اول، کنسانتره تنگستن و کک با هدف به دست آوردن سرباره با 10 تا 12 درصد WO3 بارگذاری می‌شوند. احیای ولفرامیت و سیلیت از طریق کربن، در این بخش انجام می‌شود، اما سیلیس و منگنز باقیمانده در مذاب نیز در واکنش‌های احیایی شرکت می‌کنند. در پایان مرحله اول، مذاب فروتنگستن دارای مقدار استاندارد تنگستن و ناخالصی است.

مرحله دوم عملیات تولید فروتنگستن در روش احیا با کربن و سیلیس

در مرحله دوم که 1 تا 1/5 ساعت طول می‌کشد، ولتاژ عملیات کاهش می‌یابد تا فلز گرم شده حفظ شود و آن را در حالت جامد/مایع نگه دارد. همچنین در طول مرحله دوم فروتنگستن با استفاده از ماشین‌آلات ویژه در محل لایه‌روبی می‌شود. فروتنگستن کوره با استفاده از ابزار قاشقی ساخته‌شده از فولاد کربن گرفته می‌شود که در هر نوبت حاوی 50 کیلوگرم فلز است. قاشق فلزی در یک مخزن آب فرو می‌رود، خنک می‌شود و برای بیرون کشیدن ریختگی‌ها از قالب (تقه‌کاری)، شمش ذوب ریزی می‌شود. برای اطمینان از برداشت یکنواخت فروتنگستن، حمام کوره را می‌پرخانند.

مرحله سوم عملیات تولید فروتنگستن در روش احیا با کربن و سیلیس

هدف از مرحله سوم، دستیابی به احیای نهایی WO3 از سرباره توسط فروسیلیس به سطوح 0/25 WO3 است. این فلز با سیلیس و منگنز غنی می‌شود و غلظت تنگستن در آلیاژ را از 65 تا 75 درصد بع 52 تا 55 درصد تنگستن می‌رساند. پس از آن سرباره ذوب ریزی می‌شود. سرباره نهایی حاوی 0/05 تا 0/2 درصد WO3 و 0/3 تا 2 درصد FeO، بین 45 تا 50 درصد SiO2، بین 15 تا 20 درصد MnO و 25 تا 30 درصد CaO است. فلز باقیمانده در کوره پس از مرحله سوم و ذوب ریزی سرباره معمولا (از نظر درصد وزنی) دارای 66 تا 70 درصد تنگستن، 5 تا 7 درصد سیلیس، 0/7 تا 2/5 درصد منگنز، 0/03 تا 0/14 گوگرد، 0/1 تا 0/2 کربن است. پس از مرحل سوم، این روند تکرار می‌شود.

اگر مقدار کربن، سیلیس و منگنز در آلیاژ بیشتر گردد، مقدار کنسانتره سنگ معدن تنگستن در بار افزایش می‌یابد. اگر مقدار WO3 در سرباره خیلی زیاد باشد، برای افزایش دمای فلز و سرباره کک بیشتری اضافه می‌گردد. الکترودها به پایین می‌لغزند و سرعت اکسیداسیون سیلیس، کربن و منگنز بهبود می‌یابد.

مواد اولیه و محصولات در تولید فروتنگستن توسط روش احیا با کربن و سیلیس

برای تولید 1 تن فروتنگستن توسط این روش 1530 کیلوگرم کنسانتره تنگستن (60 درصد WO3) مورد نیاز است. علاوه بر این، حدود 108 کیلوگرم فروسیلیس (75 درصد سیلیس)، 87 کیلوگرم کک و 40 کیلوگرم خمیر الکترود مصرف می‌شود. گرید استخراج تنگستن بالا می‌باشد و معمولا بیش از 99 درصد سهم هزینه اصلی فرآیند تولید فروتنگستن، هزینه کنسانتره اکسید تنگستن است (96 تا 98 درصد کل). بنابراین تمام اقدامات ممکن برای کاهش اتلاف تنگستن از سرباره، گازهای زائد و گرد و غبار انجام می‌شود. بخارات (عمدتا به شکل WO3 و WO2) با استفاده از تجهیزاتی از جمله رسوب‌دهنده‌های الکترومغناطیسی جذب می‌شوند.

گرد و غبار جمع‌آوری‌شده به طور جداگانه ذوب می‌شود و در نتیجه آلیاژ (40 تا 50 درصد سرب، 45 تا 50 درصد بیسموت و 5 تا 8 درصد قلع) و سرباره با 35 تا 40 درصد WO3 ایجاد می‌شود. این سرباره بازیافتی همراه با سایر شارژ کوره به کوره ذوب فروتنگستن وارد می‌شود.

روشی دو مرحله‌ای برای تولید فروتنگستن با روش احیا با کربن و سیلیس

برخی از کارخانه‌ها از فناوری دو مرحله‌ای برای تولید فروتنگستن استفاده می‌کنند. در این روش دو کوره درگیر هستند: کوره اول (1 تا 3 درصد مگاوات) تنگستن و کنسانتره آهن را با کربن ذوب می‌کند که منجر به ایجاد آلیاژی با بیش از 80 درصد تنگستن، 1/5 درصد کربن، 0/1 درصد سیلیس و 0/15 درصد WO3 می‌شود. کوره دوم، این آلیاژ را با افزودن کنسانتره تنگستن و سنگ آهن اضافی تصفیه می‌کند. بنابراین منجر به اکسیداسیون کربن (کاهش کمتر از 0/4 درصد کربن) و منگنز (کاهش 0/44 در منگنز) از فلز و تشکیل سرباره با 10 تا 15 درصد WO3 می‌شود. از اینرو مجدد به کوره اول برگردانده می‌شود. تلفات تنگستن با گاز و غبار در این فرآیند حدود 3 تا 4 درصد است.

تولید فروتنگستن توسط احیا با آلومینیوم

احیا توسط آلومینیوم زمانی استفاده می‌گردد که مقدار تنگستن در آلیاژ باید بیشتر باشد و سایر ناخالصی‌ها (به ویژه کربن) باید کمتر باشد. در هنگام احیا، اکسیدهای تنگستن، مولیبدن، سیلیس و آهن به مذاب فلز تبدیل می‌شوند. علی رغم اثر گرمازایی بالای واکنش‌ احیا، گرمای آزادشده برای اطمینان از تشکیل مذاب فلز و جداشدن از سرباره به دلیل نقطه ذوب بالای فروتنگستن کافی نیست. گرمای اضافی از ترانسفورماتور کروه با توان 1 مگاوات تامین می‌شود. پوشش کوره از منیزیت تشکیل می‌شود.

کنسانتره سیلیت جزء اصلی شارژ است. به هر 100 کیلوگرم شارژ سیلیت اجزایی مانند پودر آلومینیوم اولیه 23 کیلوگرم، تراشه آهن 3 کیلوگرم، سرباره فولاد 4 تا 5 کیلوگرم و آهک 1 کیلوگرم استفاده می‌شود. همچنین برای بهبود بازیابی تنگستن، ضایعات بازیافتی، باقیمانده سرباره و گرد و غبار جمع‌آوری‌شده اضافه می‌شود. بر اساس حجم کوره 2500 تا 5000 کیلوگرم کنسانتره در هر بار ذوب می‌شود. برای فرآیند احیای آلومینیوم، 1 تن فروتنگستن به 1555 کیلوگرم کنسانتره سیلیت، 345 کیلوگرم پودر آلومینیوم اولیه، 20 کیلوگرم آهک و 80 درصد کیلوگرم تراشه آهن نیاز است. استخراح تنگستن در این فرآیند در حدود 99 درصد است.

از توجه و همراهی شما سپاسگزاریم .