Επεξεργασία τιτανίου

Επεξεργασία τιτανίου, η εξαγωγή τιτανίου από τα μεταλλεύματά του και η παρασκευή κραμάτων ή ενώσεων τιτανίου για χρήση σε διάφορα προϊόντα.

Το τιτάνιο (Ti) είναι ένα μαλακό, όλκιμο, ασημί γκρι μέταλλο με σημείο τήξεως 1.675 ° C (3.047 ° F). Λόγω του σχηματισμού στην επιφάνειά του ενός φιλμ οξειδίου που είναι σχετικά αδρανής χημικά, έχει εξαιρετική αντοχή στη διάβρωση στα περισσότερα φυσικά περιβάλλοντα. Επιπλέον, είναι ελαφρύ σε βάρος, με πυκνότητα (4,51 γραμμάρια ανά κυβικό εκατοστό) στο μέσο μεταξύ αλουμινίου και σιδήρου. Ο συνδυασμός χαμηλής πυκνότητας και υψηλής αντοχής του δίνει την πιο αποτελεσματική αναλογία αντοχής προς βάρος κοινών μετάλλων για θερμοκρασίες έως 600 ° C (1.100 ° F).

Επειδή η ατομική του διάμετρος είναι παρόμοια με πολλά κοινά μέταλλα όπως αλουμίνιο, σίδηρος, κασσίτερος και βανάδιο, το τιτάνιο μπορεί εύκολα να κρατηθεί για να βελτιώσει τις ιδιότητές του. Όπως και ο σίδηρος, το μέταλλο μπορεί να υπάρχει σε δύο κρυσταλλικές μορφές: εξαγωνική κλειστή συσκευασία (hcp) κάτω από 883 ° C (1.621 ° F) και κεντρικό σώμα (bcc) σε υψηλότερες θερμοκρασίες μέχρι το σημείο τήξης του. Αυτή η αλλοτροπική συμπεριφορά και η ικανότητα κράματος με πολλά στοιχεία έχουν ως αποτέλεσμα κράματα τιτανίου που έχουν ένα ευρύ φάσμα μηχανικών και ανθεκτικών στη διάβρωση ιδιοτήτων.

Αν και τα μεταλλεύματα τιτανίου είναι άφθονα, η υψηλή αντιδραστικότητα του μετάλλου με οξυγόνο, άζωτο και υδρογόνο στον αέρα σε υψηλές θερμοκρασίες απαιτεί περίπλοκες και επομένως δαπανηρές διαδικασίες παραγωγής και κατασκευής.

Ιστορία

Το μετάλλευμα τιτανίου ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά το 1791 στην αμμουδιά της Κορνουάλης από έναν Άγγλο κληρικό, William Gregor. Η πραγματική ταυτοποίηση του οξειδίου έγινε μερικά χρόνια αργότερα από έναν Γερμανό χημικό, MH Klaproth. Ο Klaproth έδωσε στο μεταλλικό συστατικό αυτού του οξειδίου το όνομα τιτάνιο, μετά τους Τιτάνες, τους γίγαντες της ελληνικής μυθολογίας.

Το καθαρό μεταλλικό τιτάνιο παρήχθη για πρώτη φορά το 1906 ή το 1910 από τον MA Hunter στο Rensselaer Polytechnic Institute (Troy, Νέα Υόρκη, ΗΠΑ) σε συνεργασία με την General Electric Company. Αυτοί οι ερευνητές πίστευαν ότι το τιτάνιο είχε σημείο τήξης 6.000 ° C (10.800 ° F) και ως εκ τούτου ήταν υποψήφιο για νήματα λαμπτήρα πυρακτώσεως, αλλά, όταν ο Hunter παρήγαγε ένα μέταλλο με σημείο τήξης πλησιέστερο στους 1.800 ° C (3.300 ° F), η προσπάθεια εγκαταλείφθηκε. Παρ 'όλα αυτά, Hunter ανέφερε ότι το μέταλλο είχε κάποια ολκιμότητα, και η μέθοδος του παραγωγής του δι' αντιδράσεως τετραχλωριούχου τιτανίου (TiCl ₄) με νάτριο υπό κενό αργότερα εμπορευματοποιημένο και είναι τώρα γνωστή ως διαδικασία Hunter. Μέταλλο σημαντικής ολκιμότητας παρήχθη το 1925 από τους Ολλανδούς επιστήμονες AE van Arkel και JH de Boer, οι οποίοι χώρισαν το τετραϊωδίδιο τιτανίου σε ένα καυτό νήμα σε έναν εκκενωμένο γυάλινο βολβό.

Το 1932 William J. Kroll του Λουξεμβούργου παράγονται σημαντικές ποσότητες από όλκιμο τιτανίου συνδυάζοντας TiCl ₄ με ασβέστιο. Μέχρι το 1938, ο Kroll είχε παράγει 20 κιλά τιτανίου και ήταν πεπεισμένος ότι διέθετε εξαιρετικές ιδιότητες διάβρωσης και αντοχής. Στην αρχή του Β 'Παγκοσμίου Πολέμου εγκατέλειψε την Ευρώπη και συνέχισε τη δουλειά του στις Ηνωμένες Πολιτείες στην Ένωση Carbide Company και αργότερα στο γραφείο των ναρκών των ΗΠΑ. Μέχρι τότε, είχε αλλάξει τον αναγωγικό παράγοντα από ασβέστιο σε μέταλλο μαγνησίου. Η Kroll αναγνωρίζεται πλέον ως ο πατέρας της σύγχρονης βιομηχανίας τιτανίου και η διαδικασία Kroll είναι η βάση για την πιο πρόσφατη παραγωγή τιτανίου.

Μια μελέτη της Πολεμικής Αεροπορίας των ΗΠΑ που πραγματοποιήθηκε το 1946 κατέληξε στο συμπέρασμα ότι τα κράματα με βάση το τιτάνιο ήταν υλικά μηχανικής δυνητικά μεγάλης σημασίας, καθώς η αναδυόμενη ανάγκη για υψηλότερες αναλογίες αντοχής προς βάρος σε δομές αεροσκαφών και κινητήρες δεν μπορούσε να ικανοποιηθεί αποτελεσματικά είτε από χάλυβα είτε από αλουμίνιο. Ως αποτέλεσμα, το Υπουργείο Άμυνας παρείχε κίνητρα παραγωγής για να ξεκινήσει τη βιομηχανία τιτανίου το 1950. Παρόμοια βιομηχανική ικανότητα ιδρύθηκε στην Ιαπωνία, την ΕΣΣΔ και το Ηνωμένο Βασίλειο. Αφού αυτή η ώθηση παρείχε η αεροδιαστημική βιομηχανία, η έτοιμη διαθεσιμότητα του μετάλλου δημιούργησε ευκαιρίες για νέες εφαρμογές σε άλλες αγορές, όπως χημική επεξεργασία, ιατρική, παραγωγή ενέργειας και επεξεργασία αποβλήτων.

Ορέ

Το τιτάνιο είναι το τέταρτο πιο άφθονο δομικό μέταλλο στη Γη, το οποίο υπερβαίνει μόνο το αλουμίνιο, το σίδηρο και το μαγνήσιο. Τα εναποθέσιμα αποθέματα ορυκτών διασκορπίζονται παγκοσμίως και περιλαμβάνουν τοποθεσίες στην Αυστραλία, τις Ηνωμένες Πολιτείες, τον Καναδά, τη Νότια Αφρική, τη Σιέρα Λεόνε, την Ουκρανία, τη Ρωσία, τη Νορβηγία, τη Μαλαισία και πολλές άλλες χώρες.

Οι κυριαρχούν ορυκτά είναι ρουτιλίου, το οποίο είναι περίπου 95 τοις εκατό διοξείδιο του τιτανίου (TiO ₂), και ιλμενίτη (FeTiO ₃), το οποίο περιέχει 50 έως 65 τοις εκατό TiO ₂. Ένα τρίτο ορυκτό, το λευκοξένιο, είναι μια αλλοίωση του ilmenite από την οποία ένα μέρος του σιδήρου έχει εκπλυθεί φυσικά. Δεν έχει συγκεκριμένη περιεκτικότητα σε τιτάνιο. Τα μέταλλα τιτανίου εμφανίζονται σε αλλουβιακούς και ηφαιστειακούς σχηματισμούς. Οι καταθέσεις συνήθως περιέχουν μεταξύ 3 και 12 τοις εκατό βαρέα ορυκτά, αποτελούμενα από ιλμενίτη, ρουτίλιο, λευκοξένιο, ζιρκόνιο και μονοζίτη.