מדוע הפחתת עלויות חשובה בייצור יריעות טיטניום
יפן היא אחת מיצרניות הטיטניום הגדולות בעולם. התעשייה שלה מייבאת את רוב חומרי הגלם של עפרות הטיטניום ומייצאת יותר מ-60% מהטיטניום שהיא מייצרת. כאשר שני הקצוות של שרשרת הערך תלויים בשווקים חיצוניים, קיצוץ בעלויות התהליך הוא המנוף המרכזי שבו משתמשים היצרנים היפנים כדי להישאר תחרותיים - אילוץ שחל באופן שווה על יצרנים בסין, ארצות הברית ואירופה.
פרויקט NEDO: יעדים והיקף
NEDO (ארגון לפיתוח טכנולוגיה וטכנולוגיה חדשה לאנרגיה ותעשייתית) כלל טיטניום בתוכנית "מחקר ופיתוח חומרים מבניים חדשניים" שלה. בשנת 2013, קונסורציום של יצרני טיטניום ויצרני פלדה יפניים השיק פרויקט בן 10 שנים בנושאטכנולוגיית גיליונות טיטניום-בעלות נמוכה. הפרויקט כיסה שלושה קווי פיתוח:
ייצור-בעלות נמוכה של ספוג טיטניום-איכותי;
טכנולוגיית גלגול ישיר ההופכת ספוג ליריעה ללא התכה; ו
שקיעה אלקטרוליטית לייצור רדיד טיטניום ישיר.
מאמר זה סוקר את ההתקדמות של שני הכיוונים הראשונים, בהתבסס על תוצאות הפרויקט שדווחו בפומבי.
תוכן המחקר: קיצור המסלול הקונבנציונלי
המסלול המקובל של לוחות טיטניום קר- מורכב מ: הכנת ספוג טיטניום → התכה (המסה מחדש של קשת ואקום) → ייצור בילט → פרזול → גלגול חם → גלגול קר. מטרת הפרויקט הייתה להשמיט אתהתכה וחישולצעדים, המפחיתים משמעותית את השקעת הציוד, עלות האנרגיה ואובדן החומרים.
השמטת ההתכה יוצרת שני אתגרים. ראשית, יסודות טומאה כגון חמצן וברזל אינם הומוגנים עוד במצב נוזלי, ולכן יש לשלוט עליהם בספוג עצמו. שנית, יש למזער בספוג שאריות מגנזיום כלורי (MgCl2) מתהליך הפחתת קרול, שבדרך כלל יוסרו במהלך ההמסה. מסלול הגלגול הישיר דורש אפוא ספוג עם חמצן נמוך, ברזל נמוך ושארית MgCl2 נמוכה.
ייצור-נמוך של ספוג טיטניום-איכותי
כדי להפחית ברזל, חמצן ושאריות MgCl2 מבלי להגדיל את העלות, צוות הפרויקט ניתח את הרכב מוצרי הביניים והסופיים, והשתמש בסימולציה מספרית של תנאי הכור כדי לזהות את הגורמים השולטים בתכולת ובהפצת הטומאה. לאחר מכן בוצעו אופטימיזציה של תנאי חומרי הגלם ופרמטרי התהליך.
לצורך הקרנה, גושי ספוג נבדקים אזור אחר אזור ונחתכים או מרוסקים בנפרד על סמך הפיזור המצטבר המדומה של ברזל וחמצן. מכיוון שספוג עם תכולת ברזל גבוהה מחזיר אור בצורה שונה, פותחה מערכת בדיקה אופטית לזיהוי ולדחייה אוטומטית של גרגרים עם ריכוז ברזל גבוה. כתוצאה מכך, הפרויקט הקים טכנולוגיית ייצור יציבה עבור ספוג טיטניום-איכותי והגיע ליישום תעשייתי.
טכנולוגיית גלגול ישיר של ספוג
בשלב-ייצור וגלגול, ספוג-איכותי נדחס למטיל, עטוף בצלחת טיטניום, והפנים מפונה ליצירת בילט טיטניום אטום. הבילט מחומם לכ-1000 מעלות ומגולגל חם-; במהלך הגלגול, צלחת המעטפת וליבת הספוג משולבים במבנה צפוף אחד.
ניסויים מוקדמים סבלו מפגמי סדקים וקצה במהלך חימום וגלגול חם. על ידי אופטימיזציה של גיאומטריית לבנית הספוג, שיטת המילוי, בניית בילט ופרמטרים של גלגול, הצוות ביטל פיצוח בגלגול שלאחר מכן של בילטים גדולים בעובי 220-279 מ"מ. הצלחת המגולגלת החמה- הגיעה לעובי של 5-6 מ"מ; לאחר הסרת אבנית תחמוצת פני השטח וגלגול קר, סדינים סיים דקים כמו0.5 מ"מהופקו.
השוואת איכות: גלגול ישיר לעומת תהליך קונבנציונלי
בדיקה של הסדין המגולגל הקרה- הראתה יחס שטח נקבוביות פני השטח של פחות מ-0.2%, מה שמצביע על כך שהמיקרו-מבנה של גיליון מגולגל ישירות שווה ערך לזה המיוצר במסלול גליל- הריח הרגיל.
| איכות ספוג / מסלול | ביצועים נצפים לעומת גיליון קונבנציונלי |
|---|---|
| ספוג עם שאריות MgCl2 של 600-1000 ppm (גלגול ישיר) | חוזק מתיחה גבוה יותר, התארכות מעט נמוכה יותר עקב תכולת טומאה גבוהה יותר; בסך הכל קרוב לגיליון קונבנציונלי. |
| ספוג-איכותי עם שאריות MgCl2 נמוכה מאוד (גלגול ישיר) | חוזק מעט נמוך יותר וגמישות גבוהה יותר, תואם לביצועי גיליון מגולגל קר- קונבנציונלי JIS Class 1. |
| גיליון מגולגל רגיל-מגולגל קר-(JIS Class 1) | התייחסות לבסיס. |
תוצאות אלו מוכיחות שבאמצעות ספוג- באיכות גבוהה, מסלול הגלגול הישיר יכול לספק יריעת טיטניום מגולגלת קר- עם תכונות מכניות שוות למוצר רגיל - תוך ביטול שני שלבי תהליך עתירי אנרגיה-.
שאלות נפוצות
מהו גלגול ישיר של ספוג טיטניום?
גלגול ישיר של ספוג טיטניום משמיט את שלבי ההתכה והחישול של קשת הוואקום- של המסלול הקונבנציונלי. ספוג בטוהר גבוה- נדחס למשטחים, מכוסה בצלחת טיטניום, מפונה, מחומם ומגולגל חם- ישירות לצלחת, ציוד חיתוך, עלות אנרגיה וחומר.
מדוע בקרת טומאה קריטית בגלגול ישיר של ספוג?
ללא שלב ההיתוך מחדש, חמצן, ברזל ושאריות מגנזיום כלוריד לא ניתנים לחלוקה מחדש או הסרה, ולכן גלגול ישיר דורש ספוג עם מעט חמצן/ברזל ושאריות MgCl2 נמוך כדי לעמוד בדרישות גיליון JIS/ASTM.
