كيف يتم صهر التيتانيوم؟

التيتانيوم، وهو عنصر معروف باسم "معادن الفضاء"، يلعب دورًا لا غنى عنه في مجالات الطيران والفضاء والطب وغيرها بفضل خصائصه الفيزيائية والكيميائية الفريدة. إذن، كيف يتم استخراج التيتانيوم من خامات تحت الأرض؟ بعد ذلك، دعونا ننطلق معًا في رحلة صهر التيتانيوم.

1. المواد الخام من التيتانيوم
المواد الخام اللازمة لصنع التيتانيوم المعدني هي الروتيل بشكل أساسي، والذي يحتوي على أكثر من 96% من ثاني أكسيد التيتانيوم. تستخدم البلدان التي تفتقر إلى مناجم الروتيل "خبث التيتانيوم العالي" المصنوع من الإلمنيت، والذي يحتوي على حوالي 90% من ثاني أكسيد التيتانيوم. وبسبب ارتفاع الأسعار وتناقص احتياطيات الروتيل الطبيعي، تميل البلدان إلى استخدام الإلمنيت لصنع مواد غنية بالتيتانيوم، وهي خبث التيتانيوم العالي والروتيل الاصطناعي. تم اكتشاف التيتانيوم في عام 1791، ولكن تم إنتاج أول تيتانيوم نقي في عام 1910، الأمر الذي استغرق أكثر من مائة عام. والسبب هو أن التيتانيوم نشط للغاية في درجات الحرارة العالية ويسهل دمجه مع عناصر مثل الأكسجين والنيتروجين والكربون. يتطلب استخراج التيتانيوم النقي ظروفًا قاسية للغاية.

2. خطوات صهر التيتانيوم
عند صهر التيتانيوم، فإن الأمر يتطلب خطوات معقدة. تحويل الإلمنيت إلى رباعي كلوريد التيتانيوم، ووضعه في خزان من الفولاذ المقاوم للصدأ محكم الغلق، وملؤه بالأرجون، والتفاعل مع معدن المغنيسيوم للحصول على "التيتانيوم الإسفنجي". لا يمكن استخدام "التيتانيوم الإسفنجي" المسامي هذا بشكل مباشر، ويجب صهره إلى سائل في فرن كهربائي قبل صبه في سبائك التيتانيوم. ولكن ما مدى سهولة صنع مثل هذا الفرن الكهربائي! بالإضافة إلى ضرورة إخلاء الهواء في الفرن الكهربائي، فإن الأمر الأكثر إزعاجًا هو أنه من المستحيل ببساطة العثور على بوتقة للتيتانيوم السائل، لأن المواد المقاومة للحرارة بشكل عام تحتوي على أكاسيد، وسيأخذ التيتانيوم السائل الأكسجين منها.

3. "بوتقة نحاسية مبردة بالماء"
وفي وقت لاحق، اخترع الناس أخيرًا فرنًا كهربائيًا بـ"بوتقة نحاسية مبردة بالماء". ويحتوي هذا الفرن الكهربائي على جزء فقط من المنطقة المركزية ساخن جدًا، والباقي بارد. وبعد أن يذوب التيتانيوم في الفرن الكهربائي، يتدفق إلى جدار بوتقة النحاس المبردة بالماء ويتكثف على الفور في شكل سبيكة تيتانيوم. ويمكن لهذه الطريقة إنتاج كتل تيتانيوم تزن عدة أطنان، ولكن يمكن تخيل تكلفتها.

4. الاستخلاص الصناعي لثاني أكسيد التيتانيوم
في الصناعة، غالبًا ما يتم إنتاج ثاني أكسيد التيتانيوم عن طريق تحلل الإلمنيت بحمض الكبريتيك، ثم يتم إنتاج معدن التيتانيوم من ثاني أكسيد التيتانيوم. لإزالة الشوائب Fe2(SO4)3، تتم إضافة برادة الحديد، ويتم اختزال Fe3+ إلى Fe2+، ثم يتم تبريد المحلول إلى أقل من 273 كلفن، بحيث يتم تبلور FeSO4·7H2O (الزاج الأخضر) كمنتج ثانوي.

5. يتم إنتاج ثاني أكسيد التيتانيوم عن طريق حرق حمض الميتاتيتانيك لإنتاج ثاني أكسيد التيتانيوم. يتم إنتاج معدن التيتانيوم صناعيًا عن طريق اختزال رباعي كلوريد التيتانيوم عن طريق الاختزال الحراري المعدني. يتم خلط ثاني أكسيد التيتانيوم (أو الروتيل الطبيعي) ومسحوق الكربون وتسخينهما إلى 1000-1100K، ثم يتم كلورته، ويتم تكثيف بخار TiCl4 الناتج.

6. يتم اختزال رباعي كلوريد التيتانيوم بواسطة معدن المغنيسيوم.
يتم اختزال رباعي كلوريد التيتانيوم بواسطة معدن المغنيسيوم في غاز خامل بنسبة مولية، ويتم التحكم في درجة حرارة التفاعل عند حوالي 900 درجة لإنتاج التيتانيوم الشبيه بالإسفنج. يمكن فصل كلوريد المغنيسيوم الناتج عن عملية الاختزال عن التيتانيوم عن طريق التسخين عند 1000 درجة في الفراغ.

7. التنقية
يمكن اختزال ثاني أكسيد التيتانيوم إلى TiCl4 في الأرجون مع المغنيسيوم المنصهر عند درجة حرارة 1070 كلفن لإنتاج إسفنجة تيتانيوم مسامية. يتم سحق إسفنجة التيتانيوم هذه وصهرها في فرن قوسي مفرغ، وأخيراً يتم تحويلها إلى مواد تيتانيوم مختلفة. يتم تحلل TiCI4 الناتج عند درجة حرارة عالية (حوالي 1250 درجة) إلى TiCI4=Ti+2CI2، وبالتالي الحصول على التيتانيوم النقي.

عند النظر إلى عملية صهر التيتانيوم بأكملها، لا يسعنا إلا أن نتنهد أمام عظمة الحكمة البشرية. من الخام المدفون في أعماق الأرض إلى معدن التيتانيوم الخفيف والصلب، تجسد كل خطوة حكمة وجهد عدد لا يحصى من الناس. إن العمل الشاق لهؤلاء العمال العاديين على ما يبدو هو ما يجعل المعدن الثمين التيتانيوم مستخدمًا على نطاق واسع في مختلف المجالات وقد قدم مساهمات كبيرة في تقدم وتطور المجتمع البشري.