שיטת הכנה של גרוטאות מתכת טיטניום

לטיטניום ולסגסוגות שלו תכונות מצוינות כמו עמידות בפני קורוזיה בצפיפות נמוכה ועמידות בטמפרטורה גבוהה. תעשיית הטיטניום העולמית חווה את המעבר מדגם יחיד עם תעופה וחלל כשוק העיקרי למודל מגוון המתמקד בפיתוח של מתכות, אנרגיה, תחבורה, תעשייה כימית, ביו-רפואה ותחומים אזרחיים נוספים. כיום, העולם יכול לבצע ייצור מתועש של טיטניום רק במדינות בודדות כמו ארצות הברית, יפן, רוסיה, סין ומדינות נוספות, התפוקה השנתית הכוללת של טיטניום היא רק כמה עשרות אלפי טונות. אבל בגלל הערך האסטרטגי המשמעותי של הטיטניום ומעמד הכלכלה הלאומית, הטיטניום יהפוך לעליית הברזל, האלומיניום, אחרי "המתכת השלישית", המאה ה-21 תהיה המאה של הטיטניום.

שיטות ייצור טיטניום נוכחיות ייצור טיטניום נוכחי בשיטת הפחתת מתכת תרמית, המתייחסת לשימוש במפחית מתכת (R) ובתחמוצות מתכת או כלורידים (MX) של התגובה להכנת מתכת M. כבר ייצור מתועש של טיטניום שיטות מתכות למגנזיום שיטת הפחתה תרמית (שיטת קרול) ושיטת הפחתה תרמית של נתרן (שיטת האנטר). מכיוון ששיטת האנטר יקרה יותר משיטת קרול, השיטה היחידה שנמצאת כיום בשימוש נרחב בתעשייה היא שיטת קרול, שזוכה לביקורת מאז פיתוחה ב-1948 בשל עלותה הגבוהה ויעילות ההפחתה הנמוכה. חצי מאה לאחר מכן, התהליך לא השתנה מהותית, הוא עדיין ייצור לסירוגין, לא הצליח לממש את הייצור של מתמשך.

שיטת ייצור מתכת טיטניום של מגמות חדשות בתעשיית הטיטניום העולמית לאחר עשרות שנים של פיתוח, אמנם שיטת קרול ושיטת האנטר לסדרה של שיפורים, אבל הם פעולה לסירוגין, שיפורים קטנים לא יכולים להוזיל משמעותית את המחיר של טיטניום. לכן, יש לפתח תהליך מתמשך חדש בעלות נמוכה על מנת לפתור באופן יסודי את בעיית עלויות הייצור הגבוהות. לשם כך, חוקרים ערכו מספר רב של ניסויים ומחקרים. המחקר הנוכחי מתמקד בשיטות הבאות: שיטת הפחתת אלקטרוכימית על מנת להוזיל עלויות, אנשי מחקר דה חמצון ישיר של מתכת טיטניום. חלק מהאנשים בחו"ל משתמשים בשיטות אלקטרוכימיות כדי להפחית את ריכוז החמצן המומס המוצק בטיטניום עד לגבול הזיהוי (500 ppm) למטה. הם מאמינים שבתהליך של דה-אוקסידציה אלקטרוכימית, סידן מסיר החמצון מיוצר באלקטרוליזה של מלח מותך של סידן כלוריד, ו-O2- מושקע בצורה של CO2 או CO באנודה. שיטה חדשה זו של טיהור גבוה משמשת לא רק להפחתת חמצן של טיטניום, אלא גם למתכות אדמה נדירות כגון איטריום ונאודימיום, והיא יכולה להפחית את תכולת החמצן ל-10 ppm.

שיטה אלקטרוכימית של תיעוש התהליך הניסיוני היא: קודם כל, אבקת טיטניום דו חמצני עם יציקה או יציקה בלחץ, סינטרה לקתודה, גרפיט כאנודה, CaCl2 כמלח המותך, בכור גרפיט או טיטניום לאלקטרוליזה. המתח המופעל הוא 2.8V עד 3.2V, שהוא נמוך ממתח הפירוק של CaCl2 (3.2V עד 3.3V). לאחר זמן מסוים של אלקטרוליזה, הקתודה השתנתה מלבן לאפור, והטרנספורמציה של 0.25 מיקרומטר TiO2 לספוג טיטניום בגודל 12 מיקרומטר נצפתה תחת SEM. הסיבה העיקרית לשימוש בסידן כלורי כמלח המותך היא מחירו הנמוך והמסיסות שלו ל-O2-, מה שהופך את הטיטניום המשקע לא קל לחמצן; בנוסף, CaCl2 אינו רעיל ואינו מזהם את הסביבה.

בהשוואה לאלקטרוליזה של מלח מותך TiCl4, חומרי הגלם המשמשים בשיטה זו הם תחמוצות ולא כלורידים נדיפים, כך שניתן לפשט את תהליך ההכנה, ואיכות המוצרים גבוהה; לא תהיה תגובת חיזור בין יוני הערכיות של טיטניום; גז המשקעים של האנודה הוא חמצן טהור (אנודה אינרטית) או תערובת של CO ו-CO2 (אנודת גרפיט), הניתנת לשליטה בקלות ואינה מזהמת.

שיטה זו לא רק מקדמת את תגובת ההפחתה ליד הקתודה, אלא גם משחררת את הטיטניום המתקבל בהפחתה. שיטה זו משלבת הפחתה אלקטרוליטית ישירה של תחמוצות והפחתת חמצון אלקטרוכימית, שהיא שיטה חדשה להכנת טיטניום, והפכה לשיטה הבולטת ביותר בתהליך מיצוי הטיטניום. על פי נתוני המאמר שפורסם בכתב העת הבריטי Nature ב-2000, ההערכה היא שהשימוש בשיטה זו מוזיל את עלות הייצור של ספוג טיטניום בכ-13,000 דולר אמריקאי לטון , והייצור העולמי הנוכחי של 50,000 עד 60,000 טון יחסוך 770 מיליון דולר אמריקאי בשנה בעלויות הייצור אם יעבור לייצור של שיטה אלקטרוכימית זו.

שיטת ארמסטרונג Amstrong et al. לשפר את שיטת האנטר, מה שהופך אותה לתהליך ייצור מתמשך. התהליך הוא כדלקמן: גז TiCl4 מוזרק תחילה לעודף נתרן מותך, המשמש כחומר קירור להפחתת המוצר והובלתו לתהליך ההפרדה. הסר את הנתרן והמלח כדי לקבל את אבקת הטיטניום של המוצר. תכולת החמצן במוצר נמוכה כמו 0.2%, ומגיעה לתקן של טיטניום משני. שיפור קל של התהליך יכול לייצר סגסוגות VTi, AlTi. בהשוואה לשיטת האנטר, לשיטה זו יש יתרונות של ייצור רציף, השקעה נמוכה, מגוון רחב של יישומי מוצרים וניתן למחזר את תוצרי הלוואי המפורקים לנתרן ולכלור.

שיטת הפחתת אלקטרוליטית TiCl4 מנקודת המבט של תהליך אלקטרוליטי, השימוש בשיטה האלקטרוליטית TiCl4 עדיף על שיטות קרול והאנטר כאחד. לכן, מתחילת הפיתוח של שיטת ההפחתה התרמית של קרול, יש רעיון להפוך את תהליך התכת הטיטניום לשיטה אלקטרוליטית.

שיטת ההפחתה האלקטרוליטית TiCl4 היא היחידה שפעם נחשבה כתחליף אפשרי לתהליך קרול, ארצות הברית, ברית המועצות לשעבר, יפן, צרפת, איטליה, סין וכן הלאה בוצעו לטווח ארוך וב- מחקר מעמיק בנושא. שיטת ההפחתה האלקטרוליטית TiCl4 נדרשת מבחינה טכנית כדי להמיר TiCl4 לכלוריד בעל ערכי נמוך של טיטניום ולהמיס אותו בהמסה, ובמקביל, יש צורך להפריד את אזור הקתודה מאזור האנודה ולגרום לאטום המיכל האלקטרוליטי. .

אנשים איטלקים עבדו על אלקטרוליזה TiCl4, הם ניתחו את הנתונים של אלקטרוליזה כלור ומצאו שכאשר הטמפרטורה היא מעל 900 מעלות, אין Ti2+ או Ti3+ באלקטרוליט, אלא רק Ti 4+ ו-Ti. תהליך האלקטרוליזה שנקבע על בסיס זה הוא כדלקמן: גז TiCl4 מוזרק לאלקטרוליט רב שכבתי ונספג. שכבה רב-פאזית זו מורכבת מיונים של אשלגן, סידן, טיטניום, כלור ופלואור וכן אשלגן וסידן, ומפרידה בין קתודית הטיטניום לאנודת הגרפיט. הטיטניום הנוזלי שנוצר בשכבה הנמוכה ביותר שוקע לתחתית האמבטיה לתוך כור היתוך נחושת עם קירור מים ליצירת מטיל. עם זאת, טוהר הטיטניום המתקבל בשיטה זו אינו גבוה והיעילות נמוכה.

ל-Outlook יש ביצועים מעולים ומשאבים בשפע של טיטניום מהמחצית השנייה של המאה ה-20 כתשומת לב חומרית אידיאלית, אבל עד כה לא היו מהמתכות הנדירות מתוך הייצור השנתי של טיטניום בעולם הוא רק עשרות אלפי טונות. מכיוון ששיטת Kroll היא להפחית טיטניום טטרכלוריד עם מתכת מגנזיום כדי לקבל מתכת טיטניום ספוגית, יחד עם התהליך הארוך, איטרציה של מספר תהליכים וגורמים אחרים, וכתוצאה מכך עלות גבוהה של ספוג טיטניום, המשפיעה על היישום של טיטניום בתעשיות שונות, כך שהוא עדיין לא זכה לפופולריות לשימוש בתחומי יישומים רבים. עם זאת, אנו מאמינים שעם התפתחות המדע והטכנולוגיה, פיתוח תהליך ייצור חדש של מתכת טיטניום, הפחתת עלויות הייצור, הרחבת היקף הייצור, המאה ה-21 באמת תהפוך למאה הטיטניום.