Πώς κατασκευάζεται το τιτάνιο;

Το τιτάνιο κατασκευάζεται από το τέταρτο πιο άφθονο μέταλλο στη Γη, το οποίο βρίσκεται σε ορυκτά όπως η ανατάση, ο βρουκίτης, ο ιλμενίτης, το λευκοξένιο, ο περοβσκίτης, το ρουτίλιο και η σφαίνη. Το τιτάνιο κατασκευάζεται με τη διαδικασία Kroll, η οποία περιλαμβάνει την εξαγωγή, τον καθαρισμό, τον καθαρισμό του σφουγγαριού, τη δημιουργία κράματος και το σχηματισμό και τη διαμόρφωση του μετάλλου.

Όταν ακούει κανείς τη λέξη τιτάνιο, το πρώτο πράγμα που έρχεται στο μυαλό είναι η δύναμη. Ένα ενδιαφέρον γεγονός που πρέπει να γνωρίζετε για το τιτάνιο είναι ότι στην πραγματικότητα δεν είναι μέταλλο. Αντίθετα, είναι γνωστό ως μεταβατικό μέταλλο. Είναι ένα ελαφρύ, ασημί-γκρι υλικό με ατομικό αριθμό 22. Ο κύριος λόγος για τον οποίο το τιτάνιο προτιμάται σε διάφορες βιομηχανίες είναι ότι είναι ανθεκτικό στη διάβρωση. Είναι επίσης το κύριο μέταλλο που εισάγεται κάθε φορά που πρέπει να γίνουν δομικές αλλαγές σε ένα οστό. Ας ρίξουμε τώρα μια ματιά στις πρώτες ύλες που απαιτούνται για το σχηματισμό αυτού του σημαντικού μετάλλου μετάβασης.

(Φωτογραφία:losmininos/Wikimedia Commons)

Πρώτες ύλες

Το τιτάνιο είναι το τέταρτο πιο άφθονο μέταλλο, που αποτελεί περίπου το 0,62% του φλοιού της γης. Ωστόσο, το τιτάνιο βρίσκεται σπάνια στην καθαρή του μορφή. Το τιτάνιο υπάρχει συνήθως σε ορυκτά, όπως η ανατάση, ο βρουκίτης, ο ιλμενίτης, το λευκοξένιο, ο περοβσκίτης, το ρουτίλιο και η σφαίνη. Αν και είναι άφθονο σε ποσότητα, ο λόγος για το υψηλό κόστος του τιτανίου είναι η απομόνωση και η σπανιότητα αυτού του στοιχείου, γεγονός που αυξάνει το κόστος του. Οι κορυφαίοι παραγωγοί συμπυκνωμάτων τιτανίου περιλαμβάνουν την Αυστραλία, τον Καναδά, την Κίνα, την Ινδία, τη Νορβηγία, τη Νότια Αφρική και την Ουκρανία. Στις Ηνωμένες Πολιτείες, οι κύριες πολιτείες που παράγουν τιτάνιο είναι η Φλόριντα, το Αϊντάχο, το Νιου Τζέρσεϊ, η Νέα Υόρκη και η Βιρτζίνια.

Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, υπάρχουν διάφορα μεταλλεύματα που περιέχουν τιτάνιο που υπάρχουν φυσικά στη Γη. Ο ιλμενίτης και το λευκοξένιο είναι τιτανοφόρα μεταλλεύματα. Ο ιλμενίτης (FeTiO3) περιέχει περίπου 53% διοξείδιο του τιτανίου. Το λευκοξένιο έχει παρόμοια σύνθεση, αλλά περιέχει περίπου 90% διοξείδιο του τιτανίου. Βρέθηκε ότι σχετίζονται με αποθέσεις σκληρών πετρωμάτων ή σε παραλίες και αλλουβιακές άμμους. Το ρουτίλιο είναι σχετικά καθαρό διοξείδιο του τιτανίου (TiO2). Η ανατάση είναι μια άλλη μορφή κρυσταλλικού διοξειδίου του τιτανίου και πρόσφατα έγινε μια σημαντική εμπορική πηγή τιτανίου. Βρίσκεται κυρίως σε αποθέσεις παραλίας και άμμου.

Ο περοβσκίτης (CaTiO3) και η σφαίνη (CaTi-SiO5) είναι μεταλλεύματα ασβεστίου και τιτανίου. Κανένα από αυτά τα υλικά δεν χρησιμοποιείται στην εμπορική παραγωγή τιτανίου λόγω της δυσκολίας στην απομάκρυνση του ασβεστίου. Στο μέλλον, είναι πιθανό ο περοβσκίτης να χρησιμοποιηθεί εμπορικά, καθώς περιέχει σχεδόν 60% διοξείδιο του τιτανίου και έχει μόνο ασβέστιο ως πρόσμειξη. Η σφένη έχει πυρίτιο ως δεύτερη ακαθαρσία, γεγονός που καθιστά ακόμη πιο δύσκολη την απομόνωση του τιτανίου. Εκτός από τα μεταλλεύματα, άλλες ενώσεις που χρησιμοποιούνται στην παραγωγή τιτανίου περιλαμβάνουν αέριο χλώριο, άνθρακα και μαγνήσιο.

Διαδικασία παραγωγής

Το τιτάνιο κατασκευάζεται χρησιμοποιώντας αυτό που είναι γνωστό ως διαδικασία Kroll. Περιλαμβάνει την εκχύλιση, τον καθαρισμό, τον καθαρισμό του σφουγγαριού, τη δημιουργία κράματος και τη διαμόρφωση και διαμόρφωση, η οποία είναι μόνο μια σύντομη επισκόπηση της όλης διαδικασίας. Στην αρχή της διαδικασίας παραγωγής, ο κατασκευαστής παραλαμβάνει τα συμπυκνώματα από τα ορυχεία. Εκτός από το ρουτίλιο, το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί στη φυσική του μορφή, ο ιλμενίτης πρέπει να υποβληθεί σε επεξεργασία για να αφαιρεθεί η περιεκτικότητα σε σίδηρο που υπάρχει μέσα του, σε σημείο που περιέχει μόνο 85% οξείδιο του τιτανίου. Για να αφαιρεθεί η περιεκτικότητα σε σίδηρο, το υλικό τοποθετείται σε έναν αντιδραστήρα ρευστοποιημένης κλίνης μαζί με άνθρακα και αέριο χλώριο. Το υλικό θερμαίνεται στους 900°C, με αποτέλεσμα τον σχηματισμό τετραχλωριούχου τιτανίου (TiCl4). Με αυτό, η εξαγωγή η φάση της παραγωγικής διαδικασίας έχει τελειώσει.

(Φωτογραφία:Βάση Πολεμικής Αεροπορίας)

Η επόμενη διαδικασία στην κατασκευή περιλαμβάνει καθαρισμό και παραγωγή του σφουγγαριού . Η διαδικασία καθαρισμού περιλαμβάνει τη λήψη του τετραχλωριούχου τιτανίου (TiCl4) και την τοποθέτησή του σε δεξαμενές απόσταξης. Κατά τη διάρκεια αυτού του σταδίου, οι ακαθαρσίες διαχωρίζονται χρησιμοποιώντας κλασματική απόσταξη και καθίζηση. Αυτή η δράση αφαιρεί τα χλωριούχα μέταλλα, συμπεριλαμβανομένων εκείνων του σιδήρου, του βαναδίου, του ζιρκονίου, του πυριτίου και του μαγνησίου. Στη συνέχεια, το καθαρισμένο τετραχλωριούχο τιτάνιο τοποθετείται σε δοχείο από ανοξείδωτο χάλυβα. Στη συνέχεια προστίθεται μαγνήσιο και το δοχείο θερμαίνεται στους 1.100°C. Το αργό διοχετεύεται στο δοχείο έτσι ώστε να αφαιρεθεί ο αέρας και να αποφευχθεί η μόλυνση με οξυγόνο ή άζωτο. Το μαγνήσιο αντιδρά με το χλώριο, παράγοντας υγρό χλωριούχο μαγνήσιο. Αυτό αφήνει καθαρό στερεό τιτανίου, καθώς το σημείο τήξης του τιτανίου είναι υψηλότερο από αυτό της αντίδρασης. Το στερεό τιτανίου απομακρύνεται από τον αντιδραστήρα και στη συνέχεια υποβάλλεται σε επεξεργασία με νερό και υδροχλωρικό οξύ για να απομακρυνθεί η περίσσεια μαγνησίου και χλωριούχου μαγνησίου. Το στερεό που προκύπτει είναι ένα πορώδες και χνουδωτό μέταλλο που ονομάζεται σφουγγάρι.

Το τελευταίο βήμα που εμπλέκεται στην παραγωγή τιτανίου είναι η δημιουργία κραμάτων . Το καθαρό σφουγγάρι τιτανίου στη συνέχεια μετατρέπεται σε κράμα τιτανίου για εμπορική χρήση με τη βοήθεια ενός κλιβάνου τόξου ηλεκτροδίων. Σε αυτό το σημείο, το σφουγγάρι αναμιγνύεται με διάφορες προσθήκες κραμάτων και παλιοσίδερα. Η ακριβής αναλογία σφουγγαριού προς υλικό κράματος διαμορφώνεται σε εργαστήριο πριν από την παραγωγή. Αυτή η μάζα στη συνέχεια συμπιέζεται σε συμπαγή και συγκολλάται μεταξύ τους, σχηματίζοντας ένα σφουγγάρι ηλεκτρόδιο. Το σπογγώδες ηλεκτρόδιο τοποθετείται στη συνέχεια σε κλίβανο τόξου κενού για τήξη. Σε αυτό το υδρόψυκτο χάλκινο δοχείο, χρησιμοποιείται ένα ηλεκτρικό τόξο για να λιώσει το ηλεκτρόδιο του σφουγγαριού και να σχηματίσει ένα ράβδο. Όλος ο αέρας στο δοχείο είτε αφαιρείται (δημιουργώντας κενό) είτε η ατμόσφαιρα γεμίζει με αργό για να αποφευχθεί η μόλυνση. Τυπικά, η ράβδος ξανατήκεται μία ή δύο ακόμη φορές για να παραχθεί μια εμπορικά αποδεκτή ράβδος. Αφού κατασκευαστεί ένα πλινθίο, αφαιρείται από τον κλίβανο και ελέγχεται για ελαττώματα. Η επιφάνεια μπορεί να ρυθμιστεί όπως απαιτείται για τον πελάτη. Το πλινθίο μπορεί στη συνέχεια να αποσταλεί σε διαφορετικές βιομηχανίες όπου κατασκευάζεται στα επιθυμητά προϊόντα.