پایان نامه كانی شناسی تیتانیم

چكیده

مهمترین كانیهای تجاری تیتانیم ایلمنیت و روتیل هستند. لوكوكسن، آناتاز، اسفن، پرووسكیت و بروكیت دیگر كانیهای مهم تیتانیم هستند. كانی ایلمنیت معمولاً در ماگمای تأخیری به وجود می آید و بنابراین بیشتر در سنگهای آذرین با تركیب بازی یافت می شود. نوعی از روتیل كه محصول دگرسانی ایلمنیت است معمولاً در ماسه ها و گاهی اوقات در سنگهای دگرسان شده حاوی ایلمنیت دیده می شود. طبقه بندیهای متفاوتی در مورد كانسارهای تیتانیم ارائه شده است. طبقه بندی این كانسارها به كانسارهای ماسه‌ای و سنگی و یا به ترتیب ثانویه و اولیه معمولترین طبقه بندی است.

بعد از پی جوئیهای مستمر، تنها كانسار ایلمنیت كهنوج امید بخش تشخیص داده شده است. در نتیجه، اكتشاف مقدماتی و نیمه تفصیلی تا فصیلی را نیز به دنبال داشته است. كانسار كهنوج كه در جنوب استان كرمان قرار گرفته است، از نوع كانسارهای پلاسری است كه سنگ مادر آن تشكیلات گابرویی بند زیارت در 30 كیلومتری شرق آن است. اكتشافات تفصیلی و تعیین ذخیره فقط در محدوده بستر دره درگز صورت گرفته است. ذخیره منطقه تعیین ذخیره شده بقدری است كه می تواند نیاز كشور را در طی بیست سال به كانیهای تیتانیم رفع كند. كانسار كهنوج توانایی تأمین اكسید و انادیم را نیز داراست.

روشهای تهیه دی اكسید تیتانیم، فرایندهای سولفات و كلرید است كه مسائل زیست محیطی باعث رشد استفاده از فرآیند كلرید شده است ابتدا خوراك فرایند كلرید، دی اكسید تیتانیم به صورت كانی روتیل و آناتاز بوده است كه به علت تقاضای روز افزون قیمت آن افزایش زیادی داشته است و از طرفی عرضه این كانیها تكافوی تقاضاهای جهانی را ندارد، بنابراین امروزه فرایندهای غنی سازی ایلمنیت از دی اكسید تیتانیم جهانگیر شده اند. تهیه سرباره غنی از دی اكسید تیتانیم اولین بار در كانادا متداول شده است.

مقدمه

به دلیل كاربرد زیاد رنگدانه دی اكسید تیتانیم در صنایع رنگ كشور، سالانه مقادیری ارز صرف واردات این ماده می شود. همچنین رشد صنایع هوایی – نظامی ایران به زودی باعث استفاده از فلز تیتانیم خواهد شد. بنابراین با توجه به سیاستهای خودكفایی و عدم وابستگی، فعالیتهای مستمر در مورد اكتشاف كانسارهای تیتانیم دار آغاز گشته و منطقه كهنوج از نقاط امید بخش جهت رفع نیازهای مملكت به این ماده معدنی شناخته شده است.

این گزارش نتیجه مطالعات مرحله اول است. در این گزارش به دلیل رابطه تنگاتنگ ایلمنیت با دیگر كانیهای تیتانیم،‌ تمام كانیها بررسی و روشهای فرآوری و كاربرد و آمار آنها نیز ارائه شده است. بیشترین كاربرد فلز تیتانیم در صنایع نظامی – هوایی است و قیمت این فلز منتج از تقاضای این بخش است. به علت ویژگیهای خاص فلز تیتانیم مانند مقاومت در مقابل خوردگی، بالا بودن نسبت مقاومت به وزن این فلز در صنایع شیمیایی و ساخت آلیاژها كاربرد فراوانی دارد .

بیشترین كاربرد عنصر تیتانیم به صورت تركیب اكسید آن، دی اكسید تیتانیم است. رنگدانه های دی اكسید تیتانیم، از نوع روتیل و آناتاز، مهمترین رنگدانه هایی هستند كه صنایع شیمی معدنی به دیگر صنایع عرضه كرده اند. مقاومت در مقابل اشعه یا پرتوهای ماوراء بنفش، قدرت پوشش بسیار خوب و ویژگیهای دیگر سبب كاربرد این رنگدانه در صنایع رنگ، كاغذ سازی و پلاستیك شده است. 

در حال حاضر بیش از 70 كانی تیتانیم شناخته شده است. مهمترین كانیهای اقتصادی تیتانیم ایلمنیت، روتیل و آناتاز هستند. كانیهای اسفن، بروكیت، پرووسكیت دیگر كانیهای مهم تیتانیم هستند.

ایلمنیت

ایلمنیت اولین بار در كوههای ایلمن واقع در جنوب كوههای اورال اتحاد جماهیر شوروی یافت شده است. ایلمنیت فراوانترین كانی تیتانیم با تركیب اكسیدهای مركب (اسپینلها) و با فرمول شیمیایی FeTiO₃  یا FeO+TiO₂  ، به طور تئوری دارای 6/31 درصد تیتانیم، 8/36 درصد آهن و 6/31 درصد اكسیژن است و بر حسب دگرسانی كانی، این مقادیر تفاوت خواهند كرد. معمولاً ناخالصیهای آلومینیم، منیزیم،‌ نیوبیم، وانادیم، كرم، منگنز، آهن سه ظرفیتی در آن وجود دارد. به همین دلیل كانی بدون ناخالصی را كریكتونیت می نامند. در صورتی كه منیزیم به طور كامل جایگزین یون آهن شود كانی گایكیلیت با تركیب شیمیایی MgTiO₃  و در صورت جایگزینی توسط منگنز، كانی پیروفانیت با تركیب شیمیایی MnTiO₃  به وجود می آید.

یك سری محلول جامد پیوسته بین ایلمنیت و هماتیت در دمای 1050 درجه سانتیگراد وجود دارد.. با كاهش دما، حلالیت Fe₂O₃  در FeTiO₃  كاهش یافته و در نتیجه موجب تشكیل ایلمنیت حاوی هماتیت و هماتیت حاوی ایلمنیت می شود. به این ترتیب هماتیت به شكل عدسیهای ضخیم و نازك، به صورت ادخال در بسیاری از ایلمنیتها وجود دارد. عده ای بر این عقیده هستند كه وجود تركیب Fe₂O₃  به دلیل حضور كانی آریزونیت با فرمول شیمیایی TiO₂ , Fe₂O₃  است. 

ایلمنیت در مقابل هوا زدگی معمولی بسیار مقاوم است. معهذا بسیار كم و توسط فرایندهای متفاوتی دگرسان میشود. در اینجا فقط بعضی از فرایندهای دگرسانی ایلمنیت ذكر می شود:

1-  تشكیل منیتیت دوكی كه اكثراً همراه روتیل است.

2-  ایلمنیت غنی از ادخالهای هماتیت به تجمعهای نامنظم روتیل و منیتیت تبدیل می شود.

فرایندهای مذكور در دماهای بسیار بالا اتفاق می افتند و بر حسب دمای تشكیل، محصولات ظاهراً درشت تر از كانیهای اولیه هستند. در برخی شكافها علاوه بر روتیل و به جای آن، آناتاز تشكیل شده است.

3-  در برخی سنگهای آذرین ایلمنیت به طور حاشیه ای و گاهی كاملاً به لوكوكسن تبدیل شده است.

4-  در بعضی سنگهای غنی از یون كلسیم ممكن است اسفن از دگرسانی ایلمنیت به وجود آید.

5-  محصول دگرسانی ایلمنیت در ماسه های ساحلی مناطق حاره معمولاً لوكوكسن است.

اغلب در این شرایط روتیل و یا سایر كانیهای تیتانیم تشكیل نخواهند شد.

لوكوكسن، ایلمنیت دگرسان شده

در كا نسارهای ثانویه حاوی ایلمنیت، به سبب اكسیداسیون و كاهش درصد آهن، تركیب شیمیایی ایلمنیت درجه های متفاوتی از دگرسانی را از خود نشان می دهند كه محصول به نام لوكوكسن معروف است و در نهایت فرایند، منجر به تولید دی اكسید تیتانیم خواهد شد. فرایند این عمل توسط تمپل در سال 1966 به شرح زیر توضیح داده شده است:

«دگرسانی در طول مرزهای دانه ها و ناپیوستگیهای داخل شبكه تبلور ایلمنیت، آغاز می شود. بعد از عبور از مرحله بی شكلی، اكسیداسیون و جدایش آهن از شبكه ایلمنیت موجب تشكیل تیتانات آهن حد واسطی با ساختمان بلوری مشخص به نام شبه روتیل می شود. 

تیتاناتها

تیتاناتها تركیباتی هستند كه با حرارت دادن مخلوط اكسید یا كربنات یك فلز و دی اكسید تیتانیم ساخته می‌شوند. ضریب انكسار بالا و خواص پیزوالكترولیتی به آنها اهمیت تجارتی زیادی داده است.

بلورهای تیتانات باریم، BaTiO₃ ، با پرسكاری قالبی دی اكسید تیتانیم و كربنات باریم در گرمای زیاد تولید می شود. تیتانات باریم در پنج سیستم متبلور می شود. بلورهای تتراگونال آن در خازنها به عنوان دی الكتریك به كار می رود. یك نوع سرامیك پیزو الكتریك به جای كوارتز از تیتانات باریم قالب گیری شده است. 

فهرست اجمالی

فصل اول

كانی شناسی تیتانیم 

فصل دوم

زمین شناسی كانسار های

تیتانیم دار 

فصل سوم

ذخایر احتمالی ایران 

فصل چهارم

تیتانیوم و تركیبات آن 

فصل پنجم

دی اكسید تیتانیوم 

فصل ششم

پر عیار سازی ایلمنیت 

فصل هفتم

روشهای متداول كانه آرایی

فهرست جزیی

فصل اول-كانی شناسی تیتانیم

1-1-ایلمنیت  1                                                                                                        

1-2-لوكوكسن ، ایلمنیت دگرسان شده  6                                                   

1-3-روتیل 7                                   

1-4-آناتاز  11

1-5- بروكسیت  13                          

1-6- اسفن  14

1-7- برو وسكیت  13                                             

فصل دوم-زمین شناسی كانسار های تیتانیم دار

2-1-كلیات  17

2-2-ذخایر ماگمایی  19

2-3-كانسار های پلاسری تیتانیم  20

2-4- كانسار های ناشی از هوا زدگی  24

2-5-كانسار های رسوبی ـ آتشفشانی  24

2-6- كانسارهای با منشاء دگرگونی  28 

فصل سوم- ذخایر احتمالی ایران

3-1-كلیات  29

3-2-كانی سازی در ناحیه ساغند ـ زریگان  29

3-3- كانی سازی تیتانومنیتیت در جنوب سیخورلن  30

3-4-نهشته های ناحیه گیلان  31

3-5-نهشته های ناحیه مازندران  33

3-6-كانسار ایلمنیت كهنوج  34

فصل چهارم-تیتانیوم و تركیبات آن

4-1-تیتانیم  35

4-2-آلیاژ های تیتانیوم  36

4-3-كاربرد فلز تیتانیم و آلیاژ های تیتانیوم  37

4-4- تركیبات تیتانیوم و كاربرد آنها  38

4-4-1- تركیبات هیدروژن دار تیتانیوم  38

4-4-2- تركیبات بر دار تیتانیوم  39

4-4-3- تركیبات كربن دار تیتانیوم  39

4-4-4-تركیبات نیتروژن دار تیتانیوم  39

4-4-5- تیتاناتها  40

4-4-6- تركیبات هالوژنه تیتانیوم دار  41

4-4-7- تركیبات دیگر تیتانیوم  42

4-5- تهیه فلز تیتانیوم  42

4-5-1- فرایند یدید 43

4-5-2- فرایند تولید تیاتنیوم الكترولیتی  43

4-5-3- روش كرول  44

4-5-4- فرایند هانتر  44

4-6- بازار جهانی فلز تیتانیوم  45

فصل پنجم- دی اكسید تیتانیوم

5-1-كلیات  50

5-2-دی اكسید تیتانیوم به عنوان رنگدانه  50

5-3-دیگر كاربردهای  دی اكسید تیتانیوم  55

5-4-تولید دی اكسید تیتانیوم  58

5-5-فرایند های مختلف تهیه دی اكسید تیانیوم  59

5-5-1- فرایند سولفات  62

5-5-2- فرایند كلرید  65

5-5-3- فرایند فلوئورید  68

5-6- واردات كشور  72

فصل ششم ـ پر عیار سازی ایلمنیت

6-1-كلیات  74

6-2- ذوب در كوره های الكتریكی  74

6-2-1- بازار سرباره غنی از دی اكسید تیتانیوم

6-3- اسید شویی ایمنیت  76

6-3-1- اسید شویی با اسید سولفوریك  76

6-3-2- اسید شویی با اسید هیدرو كلریك  78

6-4- احیاء مستقیم كانسنگ و جدا سازی آهن  78

فصل هفتم ـ روشهای متداول كانه آرایی

7-1- كانسار های اولیه  84

7-2-كانسارهای ثانویه  89

7-2-1- واحد های مرحله اول آرایش 91

7-2-2- مراحل ثانویه  101

7-2-3- واحدهای آرایش بعضی از كانسارهای ماسه ای در دنیا  105

7-3-سابقه بررسی های كانه آرایی كانسنگ كهنوج  112

منابع و ماخذ  116

فهرست اشکال

شكل 1-1: نمایی از تك بلور ایلمنیت 3

شكل 1-2 :كارت مشخصات پراش اشعه ایكس كانی ایلمنیت در استاندارد امریكا 5

شكل 1-3: نمایی از تك بلور روتیل 8

شكل 1-4 : كارت مشخصات پراش اشعه ایكس كانی روتیل تهیه شده توسط اداره استاندارد امریكا 10

شكل 1-5 : شكل بلورین آناتاز 11

شكل 1-6 : كارت استاندارد مشخصات آتاناز برای مطالعه پراش اشعه ایكس 12

شكل 1-7: فازها دی سیستم سه گانه FeO-Fe₂O₃-TiO₂    14

شكل 1-8 : بلورهای اسفن 14

شكل 1-9 : بلور پرووسكیت 15

شكل 3-1 : نقشه پی جوییهای اكتشافی كانیهای تیتانیم در سراسر ایران 30

شكل4-1 : نمایی شماتیك از واحد صنعتی تولید فلز تیتانیم در هند 47

شكل 5-1 : روند ظرفیت و تقاضای جهانی دی اكسید تیتانیم طی سالهای 92-1980   59

شكل 5-2 :  ماده خام اولیه برای فرایندهای سولفات و كلرید 61

شكل 5-3: مراحل مختلف فرایند سولفات با ماده اولیه ایلمنیت و سرباره غنی از تیتانیم  64

شكل 5-4 : مراحل مختلف فرایند كلرید به طور بسیار مختصر 68

شكل 5-5 : مراحل مختلف فرایند فلوئورید 70

شكل 5-6 : روند و ارزش رنگدانه دی اكسید تیتانیم 73 

شكل 6-1: فرایند مورفیورس 80

شكل 6-2 :‌ فرایند ایشی ها را 80

شكل 6-3 :‌ فرایند مورد استفاده در شركت تیتانیم غرب 81

شكل 7-1 :‌ فلوشیت آرایش معدن تاهاووسد 87

شكل 7-2 : فلوشیت آرایش كانسنگ كانسار تلنس نروژ 88

شكل 7-3: فلوشیست تركیب میز ها در آرایش اولیه ماسه ها 92

شكل 7-4: فلوشیست تركیب مارپیچها در آرایش اولیه ماسه ها 93

شكل 7-5: فلوشیست تركیب ناوهادر آرایش اولیه ماسه ها 94

شكل 7-6: آرایش ستاره ناو یورك در مراحل اول تغلیظ 95

شكلهای 7-7 تا 7-11 : فلوشیستهای متداول كانه آرایی مطرح 100-96

شكل 7-12 : فلوشیت عمومی برای تركیب جداكننده های الكترواستاتیكی و مغناطیسی 103

شكل 7-13 : فلوشیت مرحله ثانویه آرایش كانسارهای ماسه ای 104

شكل 7-14: فلو شیست واحدهای مربوط به كانسار مانا والاكوریچی 108

شكل 7-15: مراحل جدایش ثقلی مربوط به آرایش كانسنگ كانسار تریل ریج 109

شكل 7-16: بخشهای عمده فر آوری در كانسار ریچارد بی 110

شكل 7-17: فلو شیست مسیر مراحل ثانویه آرایش در كانسار ریچارد بی 110

شكل 7-18: فلو شیست واحدها ی آرایش تر كانسار شركت روتیل ساحلی 114

شكل7-19: فلو شیست واحد آرایش خشك كانسار شركت روتیل ساحلی 114

شكل 7-20: فلوشیست روسی جهت كنستانتره نهایی ایلمنیت 119

شكل 7-21 :دیاگرام واحد سنگ شكنی 128