يتوفر التيتانيوم بكثرة في القشرة الأرضية، وتحتل الصين المرتبة الأولى عالميًا من حيث موارد التيتانيوم، حيث تمثل الاحتياطيات المؤكدة ما يقرب من 38.8% من الإجمالي العالمي. يتم توزيع هذه الموارد عبر أكثر من 100 منطقة تعدين في أكثر من 20 مقاطعة ومنطقة، وتتركز بشكل أساسي في المناطق الجنوبية الغربية والوسطى والجنوبية والشمالية من الصين. على وجه الخصوص، تتمتع رواسب ماغنيتيت الفاناديوم والتيتانيوم في منطقة بانشي بشهرة عالمية لاحتياطياتها الكبيرة، والتي تمثل 92٪ من موارد التيتانيوم في الصين، مما يوفر أساسًا متينًا لصناعة التيتانيوم في البلاد. ومع ذلك، فإن عملية الإنتاج الحالية للتيتانيوم تتميز بدورات معالجة طويلة، واستهلاك مرتفع للطاقة، والتلوث الشديد، مما يؤدي إلى ارتفاع أسعاره والحد من استخدامه على نطاق واسع. وبالتالي، فإن تطوير طرق جديدة لإنتاج التيتانيوم منخفضة التكلفة له أهمية قصوى لتسريع انتقال الصين من دولة رئيسية موارد التيتانيوم إلى قوة إنتاج التيتانيوم.
عملية تعدين التيتانيوم التقليدية
تتضمن عملية صهر التيتانيوم التقليدية، والمعروفة باسم "عملية كرول"، اختزال رابع كلوريد التيتانيوم (TiCl4) مع الصوديوم المعدني أو المغنيسيوم للحصول على التيتانيوم المعدني. وبما أن التيتانيوم يتم إنتاجه تحت درجة انصهاره، فإنه يوجد في شكل يشبه الإسفنج، ومن هنا جاء اسم "التيتانيوم الإسفنجي". تتكون عملية كرول من ثلاث مراحل رئيسية: تحضير المواد الغنية بالتيتانيوم، وإنتاج TiCl4، والاختزال والتقطير لإنتاج التيتانيوم الإسفنجي.
عمليات تعدين التيتانيوم الجديدة
لتقليل تكلفة إنتاج التيتانيوم المعدني، اكتشف الباحثون العديد من طرق الاستخلاص الجديدة، بما في ذلك التحليل الكهربائي TiCl4، وعملية ITP (آرمسترونج)، وعملية FFC، وعملية OS، وعملية ما قبل الاختزال (PRP)، وعملية QT، وعملية MER، وعملية USTB. .
التحليل الكهربائي TiCl4 لإنتاج التيتانيوم
يمكن أن تكون أكاسيد التيتانيوم وكلوريدات التيتانيوم بمثابة مواد خام لإنتاج التيتانيوم الصناعي. ومع ذلك، تم استخدام كلوريد التيتانيوم فقط كمقدمة لإنتاج معدن التيتانيوم بسبب قدرته على إزالة شوائب الأكسجين والكربون بشكل فعال. تركز الأبحاث الحالية على تحضير وتنقية TiCl4، مع استكشاف طرق مثل الاختزال الحراري للصوديوم، واختزال الأكسجين، واختزال الهيدروجين، والتحليل الكهربائي المباشر.
عملية ارمسترونج/ITP (مسحوق التيتانيوم الدولي).
تأسست شركة ITP في عام 1997، ومقرها في شيكاغو، الولايات المتحدة الأمريكية، وتستخدم الصوديوم الغازي لتقليل TiCl4، مما يتيح الإنتاج المستمر لمسحوق التيتانيوم. تتضمن هذه الطريقة حقن بخار TiCl في تيار من غاز الصوديوم، مما يؤدي إلى توليد مسحوق التيتانيوم وكلوريد الصوديوم، اللذين يتم فصلهما لاحقًا من خلال التقطير، والترشيح، والغسيل. تتميز هذه العملية بنقاء المنتج العالي وصداقته للبيئة، ولكن لا تزال هناك تحديات في تقليل تكاليف الإنتاج وتحسين جودة المنتج.
عملية FFC (عملية كامبريدج)
تتضمن عملية FFC، التي تم اقتراحها في عام 2000 من قبل البروفيسور دي جي فراي ومعاونيه في جامعة كامبريدج، التحليل الكهربائي لأكسيد التيتانيوم الصلب ككاثود، والجرافيت كقطب موجب، وذوبان كلوريد فلز أرضي قلوي ككهارل. تعتبر هذه الطريقة صديقة للبيئة، مع دورة إنتاج قصيرة، ولكنها تواجه تحديات مثل ارتفاع نسبة الأكسجين في المنتج وانقطاع العملية.
عملية نظام التشغيل
تستخدم هذه العملية، التي طورتها شركة One وSuzuki في اليابان، الكالسيوم الذي تم الحصول عليه كهربائيًا لاختزال TiO2 إلى التيتانيوم المعدني. تتم العملية في مصهور Ca/CaO/CaCl2، مع وضع مسحوق أكسيد التيتانيوم في سلة الكاثود. تعد هذه الطريقة بتخفيضات كبيرة في التكلفة ولكنها تنتج معدن التيتانيوم الذي يحتوي على نسبة عالية نسبيًا من الأكسجين.
عملية البلازما الغنية بالصفائح الدموية
هذه الطريقة، التي اقترحها علماء يابانيون، تمزج TiO2 مع عوامل التدفق مثل CaO أو CaCl2، وتشكل الخليط، وتلبده، وتعريضه لبخار الكالسيوم في درجات حرارة عالية لإنتاج مسحوق التيتانيوم. يمكن للمسحوق الناتج تحقيق نقاء بنسبة 99% مع انخفاض محتوى الأكسجين.
عملية كيو تي
تتضمن هذه العملية، التي طورتها شركة Quebec Iron وTitanium Inc.، تحليل خبث التيتانيوم كهربائيًا في بيئة ملح مصهورة لإنتاج معدن التيتانيوم. يمكن تنفيذ العملية في خطوة واحدة أو خطوتين، اعتمادًا على محتوى التيتانيوم ومستويات الشوائب في الخبث.
عملية مير
تستخدم هذه العملية التي طورتها شركة MER، TiO2 أو الروتيل كالأنود وخليط الكلوريد كالكهارل. يصدر الأنود خليطًا من غازات ثاني أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون أثناء التحليل الكهربائي، بينما يتم اختزال أيونات التيتانيوم إلى تيتانيوم معدني عند الكاثود.
عملية يو اس تي بي
في عام 2005، اقترح البروفيسور تشو هونغمين وفريقه في جامعة العلوم والتكنولوجيا في بكين طريقة جديدة لاستخلاص التيتانيوم الإسفنجي عن طريق التحليل الكهربائي للملح المصهور - التحليل الكهربائي لأنود TiO·mTC، وهو محلول صلب قابل للذوبان من TiO2 وTiC، للحصول على إنتاج التيتانيوم النقي.
تتضمن هذه الطريقة خلط الكربون وثاني أكسيد التيتانيوم أو كربيد التيتانيوم ومساحيق ثاني أكسيد التيتانيوم بنسب متكافئة، وضغطها في شكل، ثم في ظل ظروف معينة، تشكيل أنود TiO·mTC ذو موصلية معدنية. باستخدام الملح المنصهر من الفلز القلوي أو هاليدات الفلزات القلوية الأرضية كإلكتروليت، يتم إجراء التحليل الكهربائي عند درجة حرارة محددة. خلال هذه العملية، يذوب التيتانيوم في الملح المنصهر على شكل أيونات منخفضة التكافؤ وتترسب عند الكاثود، بينما يشكل الكربون والأكسجين الموجود في الأنود أكاسيد الكربون الغازية (CO، CO2) أو الأكسجين (O2) التي يتم إطلاقها . يمكن لهذه الطريقة إنتاج مسحوق معدن التيتانيوم عالي النقاء بمحتوى أكسجين أقل من 300×10-6، مما يلبي معايير الدرجة الأولى الوطنية، ويحقق كفاءة تيار الكاثود تصل إلى 89%.
وتشمل المزايا الملحوظة لهذه الطريقة القدرة على إجراء عملية التحليل الكهربائي بشكل مستمر دون توليد الوحل الأنود، وبساطة العملية، والتكلفة المنخفضة، والود البيئي.
يعد استخراج معدن التيتانيوم مجالًا بحثيًا مهمًا في علم المعادن، وتعتبر عملية التحليل الكهربائي للملح المصهور البديل الواعد لعملية كرول في تعدين التيتانيوم. نظرًا للاحتياطيات الهائلة والأهمية الحاسمة لموارد التيتانيوم، فإن الاستخدام الشامل للتيتانومغناطيسي المتنوع له أهمية كبيرة. عند دراسة حالة البحث والتطوير الحالية لعمليات استخراج التيتانيوم، تواجه العمليات التي تستخدم TiCl4 كمقدمة عمومًا صعوبات في خفض التكلفة، في حين أن الإعداد المباشر للتيتانيوم المعدني من TiO2 يستحق المزيد من البحث المتعمق. إذا أمكن التغلب على المشكلات التقنية، فقد يصبح التطبيق على المستوى الصناعي ممكنًا.
