تیتانیوم از صنعت هوافضا تا رنگ‌سازی

در این میان ایران نیز با داشتن ذخایر مناسبی از این ماده معدنی که از جمله مهمترین آنها معدن تیتانیوم کهنوج است برنامهریزی گستردهای برای تولید مواد مورد نیاز صنایع کشور انجام داده تا در آینده نزدیک دیگر نیازی به واردات نداشته باشیم. این ماده معدنی از نظر فراوانی در پوسته زمین در رده نهم قرار دارد. برای آشنایی بیشتر با این فلز ارزشمند، گزارش کاملی درباره این ماده معدنی که از سوی دفتر مدیریت آموزش و پژوهش سازمان ایمیدرو ارائه شده را در ادامه میخوانید:

تیتانیوم؛ فلز داکتیل نقرهای

تیتانیوم عضوی از گروه چهارم جدول تناوبی است. این عنصر به شکل مخلوطی از ۵ ایزوتوپ پایدار با اعداد جرمی ۴۶، ۴۷، ۴۸، ۴۹ و ۵۰ در طبیعت وجود دارد که از این میان، ایزوتوپ ۴۸ با فراوانی ۷۳/۴۳ درصد فراوانترین ایزوتوپ این عنصر به شمار میرود. تیتانیوم خالص، یک فلز داکتیل با رنگ نقرهای مایل به سفید و نقطه ذوب ۳۵۰۰- ۱۶۶۸درجه سانتیگراد است. از میان عناصر بین نشین، کربن بیشترین تاثیر و هیدروژن کمترین تاثیر را بر کریستال تیتانیوم آلفا دارد. بسیاری از ویژگیهای تیتانیوم در یک دمای ثابت بسته به شرایط فلز (درصد خلوص، عناصر آلیاژی، پیش- عملیات حرارتی و مکانیکی) متفاوت است. تغییر در ویژگیهایی مانند هدایت حرارتی و الکتریکی و رفتار پلاستیکی، ناشی از عیوب کریستالی است.

کاهش دما وتشکیل نابجایی سبب افزایش سختی و استحکام شده و با تشکیل حفره در شبکه کریستالی، مدول الاستیک و هدایت الکتریکی را افزایش میدهد. حضور عناصر خارجی، حتی با غلظت کم، اغلب تاثیر زیادی بر ویژگیهای تیتانیوم خواهد داشت. بهطور کلی، مقاومت الکتریکی، سختی و استحکام با کاهش خلوص افزایش پیدا میکنند.

کاربردهای آلیاژی

اصلیترین مزایای تیتانیوم در کاربردهای متنوع مهندسی شامل مواردی همچون استحکام ویژه بالا، استحکام دمای بالا در یک محدوده دمایی وسیع و مقاومت به خوردگی در بیشتر محیطهای خورنده است. تیتانیوم مورد استفاده در صنایع بهطور معمول از نوع آلیاژی است که استحکام مکانیکی بیشتر، استحکام دمای بیشتر و ویژگی سودمند دیگری نسبت به تیتانیوم خالص دارد. آلیاژهای تیتانیوم در دماهای بسیار پایین تا محدوده دمایی ۶۰۰-۵۰۰درجه سانتیگراد بیشترین کاربرد را دارند. یکی از مواردی که در توسعه آلیاژهای تیتانیوم جدید مورد توجه قرار دارد، درصد آلیاژسازی است.

آلیاژسازی، استحکام آلیاژها را افزایش میدهد؛ اما سبب افت داکتیلیته میشود. آلیاژ Ti-۶Al-۴V از نظر دمای کاربری محدودیت دارد و همین امر کاربرد آن را به دمای حدود ۴۰۰ درجه سانتیگراد محدود میکند و برای دمای بالا باید از آلیاژ دیگری بهطور نمونه Ti-۶Al-۲Sn-۴Zr-۲Mo+Si استفاده شود. آلیاژ Ti-۶Al-۴V نوردی بهطور گسترده در موتور توربین و اسکلت هواپیما بهکار میرود. سایر کاربردهای آلیاژ Ti-۶Al-۴V عبارتند از تسلیحات، تجهیزات امواج صوتی، هیدروفویل، سوپاپهای توپی آب دریا برای زیردریایی هستهای، توپیهای روتور هلیکوپتر، بدنه موشک و محفظه حسگرهای نوری. در اتومبیلهای مسابقه نیز برای تولید قطعات چرخان مانند سوپاپها، فنر سوپاپ و میلههای اتصالدهنده استفاده میشود.

فراوانی تیتانیوم در پوسته زمین

پراکندگی و فراوانی تیتانیوم در پوسته زمین زیاد است. غلظت این عنصر در پوسته زمین بهطور متوسط ۰/۶۰درصد تخمین زده شده و از نظر وفور بعد از اکسیژن، سیلیسیم، آلومینیم، آهن، منیزیم، کلسیم، سدیم و پتاسیم در رده نهم جای دارد. مقدار تیتانیوم حدود یک بیستم آلومینیم و یک دهم آهن بوده و از نظر فراوانی مشابه کلر، گوگرد یا فسفر است. همچنین فراوانی بیشتری نسبت به مجموع تمام فلزات دیگر دارد. تیتانیوم اولیه در سنگهای آذرین وجود دارد.  ذخایر ثانویه تیتانیوم شامل ایلمنیتهای پلاسری و ماسهای است که بهطور گسترده توزیع شده و بیشتر در مناطق ساحلی بروز میکنند. منابع اکسید تیتانیوم (TiO۲) در خاک رس نیز نمونههای دیگری از این ذخایر ثانویه هستند.

ایلمنیت، ماده اولیه اصلی برای رنگدانههای اکسید تیتانیومی است. مهمترین کانیهای تیتانیوم، آناتیز (TiO۲)؛ ایلمنیت (FeTiO۳) که تا ۵۳ درصد TiO۲ دارد و محصول کم- آهن حاصل از هوازدگی آن، لکوزین؛ پروسکیت (CaTiO۳)؛ روتیل (TiO۲)؛ و اسفن CaTi(SiO۴)O است. از میان این کانیها، تنها ایلمنیت، لکوزین و روتیل، به دلیل فرآوری آسان، از نظر اقتصادی از اهمیت برخوردارند. بهترین ماده معدنی استحصال تیتانیوم و ترکیبات آن روتیل است که با وجود فراوانی کمتر نسبت به ایلمنیت، اکسید تیتانیوم بیشتری در خود دارد. روتیل غنی بهطور طبیعی رنگی قهوهای تا سیاه دارد و حاوی ۹۷-۹۰درصد اکسید تیتانیوم همراه با ناخالصیهایی مانند اکسید سیلیسیم، اکسیدهای آهن، وانادیم، نایوبیوم و تانتالوم و درصد ناچیزی از ترکیبات مولیبدن، قلع و کروم است. اصلیترین ذخایر روتیل در جنوب شرقی نروژ (آلبایت با ۲۵درصد روتیل) و ایالات متحده وجود دارد.

ذخایر ثانویه پلاسری که اهمیت بیشتری دارند در برزیل، کامرون و ایالات متحده و نوع ماسهای در سواحل استرالیا، ایالات متحده و افریقای جنوبی یافت میشوند. تمامی روتیل و دو سوم ایلمنیت از ذخایر پلاسری و ماسهای استحصال شده و بقیه ایلمنیت از تیتانومگنتیتها و تیتانوهماتیتها بهدست میآید. ذخایر ساحلی و شنی روتیلدار در صورت داشتن بیش از ۰/۳ درصد اکسید تیتانیوم قابل بهرهبرداری هستند. اکسید تیتانیوم موجود در ماسههای ایلمنیت به درجه هوازدگی ماسه بستگی دارد. بزرگترین منابع ایلمنیت در افریقای جنوبی، هند، ایالات متحده، کانادا، نروژ، استرالیا، اوکراین، روسیه و قزاقستان وجود دارد و بزرگترین منبع روتیل در برزیل یافت میشود.

دیاکسید تیتانیوم و کاربردهای آن

دیاکسید تیتانیوم (TiO۲) بهطور طبیعی در روتیل، آناتیز و بروکیت وجود دارد. روتیل و آناتیز بهطور صنعتی در مقادیر زیاد تولید میشوند و بهعنوان رنگدانه و کاتالیست و همچنین در تولید مواد سرامیکی مورد استفاده قرار میگیرند. دیاکسید تیتانیوم بهعنوان رنگدانه سفید از اهمیت ویژهای برخوردار است. در برخی از محصولات صنعتی، از دیاکسید تیتانیوم با ویژگیهای مشخص برای یک کاربرد خاص استفاده میکنند. انواعی از دیاکسیدهای تیتانیوم با مساحت سطح ویژه بالا، اندازه ذره کوچک و واکنشپذیری بسیار بالا برای این منظور مناسب هستند. تیتاناتهای تولید شده از سوی هیدرولیساتهای دیاکسید تیتانیوم خالص در خازنها و مواد پیزوالکتریک کاربرد دارند.

انتظار میرود تعیین دقیقتر خواص دیاکسید تیتانیوم مصرفی در این کاربردها، از جمله خلوص، واکنشپذیری و ویژگیهای زینترینگ، ضروری باشد. همچنین اصلیترین کاربرد دیاکسید تیتانیوم در ساخت کاتالیست برای جداسازی اکسیدهای نیتروژن از گازهای زائد صنایع و تاسیسات نیروگاهی است. اکسیدهای نیتروژن در گازهای زائد با آمونیاک و در حضور اکسیژن روی کاتالیست واکنش میدهند و نیتروژن و آب تولید میکنند که نوعی واکنش احیای انتخابی کاتالیستی است. کاتالیستها، علاوه بر TiO۲، دربرگیرنده حدود ۱۰درصد اکسید تنگستن و ۱درصد V۲O۵ هستند و به شکل لانه زنبوری اکسترود میشوند.

دیاکسید تیتانیوم مورد استفاده در کاتالیست باید از ویژگی دقیقی از نظر درجه خلوص، اندازه ذره و تخلخل، برخوردار باشد تا از دستیابی به اکتیویته کاتالیزوری مطلوب اطمینان حاصل شود. دیاکسید تیتانیوم با اندازه ذره nm ۳۰-۱۰ نیز قابل تولید است که در این صورت، شفاف خواهد بود. میکرو دیاکسید تیتانیوم بهندرت بهعنوان رنگدانه سفید بهکار برده میشود، زیرا انعکاس نور در آن بهدلیل ریز بودن اندازه کریستالی بسیار کم است و بنابراین اثر سفیدکنندگی خود را از دست میدهد.

نگاهی به ذخایر تیتانیوم در ایران

ایران بهعنوان یکی از کشورهای معدنی در جهان از ذخایر مناسب تیتانیوم برخوردار است که میتوان معدن قرهآغاج در آذربایجانغربی و معدن تیتانیوم کهنوج در استان کرمان را بهعنوان ذخایر بزرگ تیتانیوم کشور نام برد. به گفته عبدالحمید سرتیپی معاون امور معادن و صنایع معدنی سازمان صنعت، معدن و تجارت آذربایجانغربی، ذخیره قطعی معدن قرهآغاج ۵۶میلیون تن و ذخیره احتمالی آن ۲۱۰میلیون تن است و برای ۸۰۰ نفر بهطور مستقیم اشتغال ایجاد کرده است. معدن تیتانیوم قرهآغاج ارومیه در ۳۷ کیلومتری شهر ارومیه و دو کیلومتری شمال روستای قرهآغاج واقع شده که سال ۱۳۷۳ و در ظرفیتیابی و پیجوییهای انجام شده از سوی اداره کل معادن و فلزات آذربایجانغربی شناسایی شد.

همچنین معدن تیتانیوم کهنوج با ظرفیت قطعی ۱۵۰میلیون تن و ذخیره احتمالی ۴۰۰میلیون تن بهعنوان بزرگترین معدن تیتانیوم ایران شناخته شده است. براساس نظر کارشناسان این امر، بهرهبرداری و فرآوری تیتانیوم، نیازمند فناوری و دانش فنی نوین است؛ از اینرو شاهد بودیم که در آبان ۹۵ و در سفر معاون اول رئیسجمهور به استان کرمان، پس از سالها انتظار، عملیات ساخت ۲ کارخانه تولید کنسانتره و سرباره تیتانیوم در استان کرمان آغاز شد در حالی که بهرهبرداری و آغاز فعالیت در این معدن سالهای بسیاری به دلایل مختلف انجام نشده بود که سرانجام در دولت یازدهم این مهم انجام شد.