יישום של מחמצן מורכב Si–Al–Fe לייצור סגסוגת המכילה ניקל

מתכות נקיות יותר למוצרים יומיומיים

ניקל וכרום נמצאים בתוך רבים מהדברים שאנו מסתמכים עליהם, החל מסכו"ם מפלדת אל-חלד ועד למטוסי סילון. עם זאת, ייצור מתכות אלה בדרך כלל מלווה בעלות כבדה בצריכת אנרגיה ובפליטות גזי חממה. מחקר זה בוחן דרך שונה להפוך עפרות ניקל באיכות נמוכה לסגסוגת שימושית תוך צמצום שימוש בדלקים מבוססי פחמן, ומציע הצצה לאופן שבו חומרים יום-יומיים עשויים להיות מיוצרים עם טביעת רגל סביבתית קלה יותר.

מדוע ייצור ניקל כיום הוא בעיה

רוב הניקל היום מיוצר על ידי חימום עפרות לטריט עם חומרים עשירים בפחמן כגון קוק או פחם. בתנורים אלה, הפחמן מסיר חמצן מהניקל ומהברזל, אך התהליך משחרר כמות גדולה של פחמן דו־חמצני וגזים אחרים. הוא דורש גם טמפרטורות גבוהות מאוד, לעיתים מעל 1350 מעלות צלזיוס, ויכול ליצור תרכובות עשירות בפחמן שמסבכות התהליכים הבאים של ניקוי. ככל שהאיכותו של העפרה יורדת וחוקי הסביבה מתהדקים, הדרך המסורתית הזו הופכת קשה יותר להצדקה ומניעה חיפוש אחרי גישות נקיות יותר.

נתיב שונה באמצעות מתכות פעילות

החוקרים חקרו שיטת מטלותרמיה, שבה מתכות תגובתיות יותר מבצעות את העבודה שבדרך כלל נעשית על ידי פחמן. הם התרכזו בחומר מורכב שנקרא פרוזיליקואלומיניום, או FeSiAl, שמאחד ברזל, סיליקון ואלומיניום בסוכן מחזר אחד. באמצעות דגמי מחשב הם השוו עד כמה היטב סיליקון בלבד, אלומיניום בלבד ושילוב Si–Al יכולים להסיר חמצן מתרכובות הניקל בעפרה. החישובים הראו ששימוש משולב של סיליקון ואלומיניום מקל על תגובות החיזור במגוון רחב של טמפרטורות, כלומר ניתן לשחרר את הניקל בקלות רבה יותר ובטמפרטורות תנור מעט נמוכות יותר.

צפייה בשינוי העפרה במהלך החימום

כדי לראות כיצד התגובות מתרחש בפועל, הצוות חימם דגימות של העפרה המעורבות עם סוכני חיזור שונים תוך מעקב קפדני אחר שינויים במשקל והשפעות חום. במבחנים אלה נחשף מתי המינרלים בעפרה איבדו מים, התפרקו והחלו להגיב עם המתכות המוספות. על ידי ניתוח העקומות הללו, המדענים העריכו כמה אנרגיה נדרשת כדי להניע את השלבים המרכזיים. התערובת עם FeSiAl דרשה אנרגיית השקה נמוכה בהרבה מזו של תערובות עם פרוסיליקון סטנדרטי או שילוב עשיר באלומיניום, מה שמצביע על אפקט ‘‘עזרה’’ משמעותי כשסיליקון ואלומיניום פועלים יחד. במונחים מעשיים, המערכת מתנהגת יותר כתהליך מבוקר דיפוזיה, המאפשר למתכת להיווצר ולהיפרד ביתר קלות.

איתור נקודת האיזון להגדרות התנור

לאחר מכן נעשה שימוש בסימולציות מחשב כדי לחקור רבדים רבים של טמפרטורה, כמות FeSiAl ושימוש בזפת גיר (ליים) שעוזרת ליצור שילג עובד. באמצעות עיצוב ניסויים מובנה, המחברים מיפו כיצד גורמים אלה משפיעים על חלקו של הברזל והכרום שמגיעים למתכת וכמה סיליקון נמס לתוך הסגסוגת הסופית. הם זיהו חלון אופטימלי סביב 1300–1350 מעלות צלזיוס, עם כ־10 אחוזי FeSiAl וכ־38–40 אחוזי ליים לפי משקל. בתנאים אלה, כמעט כל הניקל עובר למתכת, ויש אחוזים גבוהים של ברזל וכרום שנלכדים גם הם, בעוד שרמת הסיליקון בסגסוגת נשארת בתחום שימושי.

בדיקת השיטה בתנור

כדי לבדוק שהמודל מתאים למציאות, הצוות ביצע התכת מעבדה בקנה מידה גדול בתנור חשמלי באמצעות עפרה ממכרה בטמשה בקזחסטן. בעבודה בטווח המותאם, הם ייצרו 9.5 קילוגרם של סגסוגת מוצקה המכילה בעיקר ברזל, עם כ־8 אחוז ניקל, כ־18 אחוז סיליקון וכמה אחוזים של כרום, בנוסף לכמות קטנה של אלומיניום. ניתוח כימי הראה שכל הניקל, רוב הכרום וחלק משמעותי מהברזל שולבו במתכת. השילג שנותר הכיל מעט מאוד תחמוצת ניקל, מה שמאשר כי המתכת היקרה הוצאה ביעילות, בעוד שההרכב שלו נשאר מתאים לטיפול בתנאי תעשייה.

מה זה אומר לגבי פלדה וסגסוגות עתידיות

המסקנה היא כי שימוש ב־FeSiAl כסוכן מחזר מורכב מציע אלטרנטיבה מבטיחה להיתוך מבוסס פחמן של עפרות ניקל בדרגה נמוכה. מאחר ש־FeSiAl מכיל מעט מאוד פחמן, הפליטות הישירות של פחמן דו־חמצני משלב ההיתוך יכולות לרדת בצורה חדה, והטמפרטורות הקצת נמוכות חוסכות אנרגיה. סגסוגת Fe–Ni–Si–Cr–Al הנוצרת אינה פרוניקל סטנדרטי אך יכולה לשמש כסגסוגת מאסטר בייצור פלדה, שבה הסיליקון מסייע להסיר חמצן ממסת הפלדה המותכת בעוד הניקל והכרום משפרים חוזק ועמידות בפני קורוזיה. עם מחקרים נוספים של מחזור חיים וניסויים תעשייתיים, גישה זו עשויה לעזור ליצרני מתכות לספק את החומרים העשירים בניקל שדורשת הטכנולוגיה המודרנית תוך הפחתת ההשפעה הסביבתית שלהם.

ציטוט: Yessengaliyev, D., Kelamanov, B., Zayakin, O. et al. Application of a complex Si–Al–Fe reducing agent for the production of a nickel-containing alloy. Sci Rep 16, 14856 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45605-y

מילות מפתח: ניקל לטריט, מטלותרמיה, פרוזיליקואלומיניום, היתוך בעל פחמן נמוך, סגסוגת ניקל