معالجة التيتانيوم واستخراج التيتانيوم من خاماته وإعداد سبائك أو مركبات التيتانيوم لاستخدامها في مختلف المنتجات.
التيتانيوم (Ti) هو معدن رمادي ناعم مرن ، فضي مع نقطة انصهار 1،675 درجة مئوية (3،047 درجة فهرنهايت). نظرًا لتكوين فيلم أكسيد يكون خاملًا كيميائيًا على سطحه ، فإنه يتمتع بمقاومة ممتازة للتآكل في معظم البيئات الطبيعية. بالإضافة إلى ذلك ، فهو خفيف الوزن ، بكثافة (4.51 جرام لكل سنتيمتر مكعب) في منتصف الطريق بين الألمنيوم والحديد. مزيجها من الكثافة المنخفضة والقوة العالية يمنحها نسبة القوة إلى الوزن الأكثر فعالية للمعادن الشائعة لدرجات حرارة تصل إلى 600 درجة مئوية (1100 درجة فهرنهايت).
نظرًا لأن القطر الذري يشبه العديد من المعادن الشائعة مثل الألمنيوم والحديد والقصدير والفاناديوم ، يمكن بسهولة سبائك التيتانيوم لتحسين خصائصه. مثل الحديد ، يمكن أن يوجد المعدن في شكلين بلوريين: سداسي معبأ قريبًا (hcp) أقل من 883 درجة مئوية (1،621 درجة فهرنهايت) ومكعبًا متمركزًا في الجسم (bcc) في درجات حرارة أعلى حتى نقطة انصهاره. يؤدي هذا السلوك المتناغم والقدرة على السبائك مع العديد من العناصر إلى سبائك التيتانيوم التي لديها مجموعة واسعة من الخصائص الميكانيكية ومقاومة التآكل.
على الرغم من أن خامات التيتانيوم وفيرة ، فإن التفاعل العالي للمعدن مع الأكسجين والنيتروجين والهيدروجين في الهواء عند درجات حرارة مرتفعة يتطلب عمليات إنتاج وتصنيع معقدة ومكلفة.
التاريخ
تم اكتشاف خام التيتانيوم لأول مرة في 1791 في رمال شاطئ الكورنيش من قبل رجل دين إنجليزي ، ويليام جريجور. تم التحديد الفعلي للأكسيد بعد بضع سنوات من قبل الكيميائي الألماني MH Klaproth. أعطى Klaproth للمكون المعدني لهذا الأكسيد اسم التيتانيوم ، بعد جبابرة ، عمالقة الأساطير اليونانية.
تم إنتاج التيتانيوم المعدني النقي لأول مرة في عام 1906 أو 1910 بواسطة MA Hunter في معهد Rensselaer Polytechnic Institute (تروي ، نيويورك ، الولايات المتحدة) بالتعاون مع شركة جنرال إلكتريك. يعتقد هؤلاء الباحثون أن التيتانيوم لديه درجة انصهار تبلغ 6000 درجة مئوية (10800 درجة فهرنهايت) وبالتالي كان مرشحًا لشعيرات المصابيح المتوهجة ، ولكن عندما أنتج هانتر معدنًا مع درجة انصهار أقرب إلى 1800 درجة مئوية (3300 درجة فهرنهايت) ، تم التخلي عن هذا الجهد. ومع ذلك ، فقد أشار Hunter إلى أن المعدن لديه بعض الليونة ، وطريقته في إنتاجه عن طريق تفاعل رباعي كلوريد التيتانيوم (TiCl 4) مع الصوديوم تحت التفريغ تم تسويقه لاحقًا ويعرف الآن باسم عملية Hunter. تم إنتاج معدن ذي ليونة كبيرة في عام 1925 من قبل العلماء الهولنديين AE van Arkel و JH de Boer ، الذين فصلوا tetraiodide التيتانيوم على خيوط ساخنة في لمبة زجاجية مفرغة.
في عام 1932 أنتجت وليام J. كرول لوكسمبورغ كميات كبيرة من التيتانيوم الدكتايل من خلال الجمع بين TiCl 4 مع الكالسيوم. بحلول عام 1938 ، أنتج كرول 20 كيلوغرامًا (50 رطلاً) من التيتانيوم وكان مقتنعاً أنه يمتلك خصائص تآكل وقوة ممتازة. في بداية الحرب العالمية الثانية فر من أوروبا وواصل عمله في الولايات المتحدة في شركة Union Carbide Company ثم في المكتب الأمريكي للمناجم. وبحلول هذا الوقت ، قام بتغيير عامل الاختزال من الكالسيوم إلى معدن المغنيسيوم. يُعرف كرول الآن بأنه والد صناعة التيتانيوم الحديثة ، وعملية كرول هي الأساس لمعظم إنتاج التيتانيوم الحالي.
خلصت دراسة للقوات الجوية الأمريكية أجريت في عام 1946 إلى أن السبائك التي أساسها التيتانيوم كانت موادًا هندسية ذات أهمية كبيرة ، حيث أن الحاجة الناشئة إلى نسب أعلى إلى الوزن في هياكل ومحركات الطائرات النفاثة لا يمكن تلبيتها بكفاءة من الفولاذ أو الألمنيوم. ونتيجة لذلك ، قدمت وزارة الدفاع حوافز الإنتاج لبدء صناعة التيتانيوم في عام 1950. وقد تم تأسيس قدرة صناعية مماثلة في اليابان والاتحاد السوفييتي والمملكة المتحدة. بعد أن تم توفير هذا الزخم من قبل صناعة الطيران ، أدى التوافر السهل للمعدن إلى ظهور فرص للتطبيقات الجديدة في الأسواق الأخرى ، مثل المعالجة الكيميائية والأدوية وتوليد الطاقة ومعالجة النفايات.
خامات
التيتانيوم هو رابع أكثر المعادن الهيكلية وفرة على الأرض ، ولا يتجاوزه إلا الألمنيوم والحديد والمغنيسيوم. تنتشر الرواسب المعدنية العملية في جميع أنحاء العالم وتشمل مواقع في أستراليا والولايات المتحدة وكندا وجنوب إفريقيا وسيراليون وأوكرانيا وروسيا والنرويج وماليزيا والعديد من البلدان الأخرى.
المعادن تسود هي الروتيل، وهي عبارة عن 95٪ ثاني أكسيد التيتانيوم (تيو 2)، وإلمينيت (FeTiO 3)، الذي يحتوي على 50 إلى 65 في المائة تيو 2. المعدن الثالث ، leucoxene ، هو تغيير الإلمنيت الذي يتم ترشيح جزء منه من الحديد بشكل طبيعي. ليس لديها محتوى تيتانيوم محدد. تحدث معادن التيتانيوم في التكوينات الغرينية والبركانية. عادة ما تحتوي الرواسب على ما بين 3 و 12 في المائة من المعادن الثقيلة ، والتي تتكون من الإلمنيت والروتيل والليوكوكسين والزركون والمونازايت.
