תהליך קרול

תהליך קרול (באנגלית: Kroll process) הוא השיטה התעשייתית העיקרית להפקת טיטניום מתכתי מעפרותיו. השיטה הומצאה בלוקסמבורג, בשנות ה-40 של המאה ה-20, על ידי המטלורג ויליאם ג'סטין קרול, ושוכללה בהמשך על ידיו, גם כתהליך ליצור של זירקוניום מתכתי. תהליך קרול החליף את תהליך האנטר ששימש קודם לכן.

התהליך

עפרת טיטניום (בעיקר אילמניט או רוטיל) עוברת חיזור ראשוני באמצעות אבקת פחם, במיכל הגבה בטמפרטורה של כ-1000 מעלות צלזיוס. אז מוזרם לתערובת התגובה גז כלור (Cl₂) ליצירת טיטניום ארבע-כלורי (TiCl₄) - שהוא נוזל נדיף מאוד, המבודד מהמערכת באמצעות זיקוק מפריט.

משוואת התגובה:

$TiO_{2}+2Cl_{2}+C\rightarrow TiCl_{4}+2CO_{2}$

הטיטניום הארבע-כלורי (TiCl₄) מועבר למיכל תגובה אחר, העשוי פלדת אל-חלד, בו הוא מחוזר על ידי מגנזיום או נתרן נוזלי, המוכנסים בעודף סטוכיומטרי של כ-20%, בטמפרטורה של כ-850 מעלות צלזיוס.

משוואת התגובה:

$TiCl_{4}+2Mg\rightarrow Ti+2MgCl_{2}$

החומר המתקבל בתהליך זה הוא טיטניום מתכתי גולמי, בתצורה של ספוג (titanium sponge), שעובר עיבוד מכני ובהמשך התכה ויציקה לתבניות.

טיטניום - מעפרה למתכת
טיטניום דו-חמצני (המתקבל מעיבוד העפרה)	טיטניום ארבע-כלורי (תוצר ביניים בתהליך קרול)	ספוג טיטניום (המתקבל בתהליך קרול)	טיטניום מתכתי (לאחר עיבוד)

מגמות עתידיות

טיטניום היא מתכת בעלת חשיבות רבה לאדם, היא עמידה מאוד לשיתוך, חזקה, כמו פלדה, וקלה ממנה בהרבה (לערך 45% מפלדה), דבר שהופך אותה למועמדת מצוינת למגוון רחב של שימושים, בעיקר בתעשיית הרכב, התעופה והבנייה, אולם, מחירה הגבוה מהווה מכשול משמעותי ליישום נרחב שלה.

אחת מההנחות למחיר הגבוה של הטיטניום הוא תפוצתו, אולם, בניגוד למקובל לחשוב, טיטניום הוא יסוד נפוץ מאוד בקרום כדור הארץ (התשיעי במספר), ומחצבי טיטניום מצויים במקומות רבים בעולם, אלא שהפקה תעשייתית של טיטניום מתכתי מעפרותיו היא אתגר הנדסי רב. הטיטניום מופיע בטבע במחצבים בהם הוא קשור לחמצן באחד מהקשרים הכימיים החזקים והיציבים ביותר (TiO₂), על מנת לפרק את הקשר בין חמצן וטיטניום ולהפיק טיטניום מתכתי, יש צורך בהשקעת אנרגיה רבה מאוד, שמקשה על יישום של שיטות הפקה פירומטלורגיות רגילות (כפי שנעשה לדוגמה בהפקת ברזל). בנוסף, טמפרטורת ההיתוך הגבוהה של הטיטניום (1668°C), פוטנציאל החיזור הגבוה שלו, והנטייה שלו ליצור דנטריטים, מקשה על היישום של שיטות הפקה אלקטרוליטיות.

תהליך קרול מספק מענה לחלק מהבעיות. עם זאת, מדובר בתהליך מורכב, הכולל "הקרבה" של מתכת אחרת (למשל כמגנזיום או נתרן), דבר שמייקר מאוד את מחירו הסופי. לו יימצאו בעתיד שיטות יעילות יותר להפקת טיטניום מעפרותיו, אזי עשוי הטיטניום להיכנס לשימוש נרחב בהרבה, ולהביא לרווחה משמעותית באורח חייו של האדם.

קישורים חיצוניים

• הפקת טיטניום בתהליך קרול - הדמיה ממוחשבת, מחלקת האנרגיה של ארצות הברית
• הפקת טיטניום, סרטון מדעי מהתוכנית: ?How do they do it