تنگسن و آینده آن
در سال 2005 اتحادیه شیمی محض و کاربردی تصمیم به استفاده از واژه تنگستن به جای ولفرام (Wilfram) گرفت، اما "W" نماد شیمیایی این عنصر باقی مانده است.
تنگستن به دلیل کاربرد آن در کاربید سیمانی و ابزارهای فولادی سرعت بالا (فولادهای پر سرعت برپایه نوع مولیبدن و تنگستن هستند و برای کاربردهای ماشینکاری با سرعت بالا و ابزار برش (چاقو ، مته ، برش فرز و غیره) استفاده می شوند، برای دستیابی به سطوح بالای تولید در صنعت که رفاه اقتصادی دنیا به آن وابسته است، نقش مهمی دارد. این عنصر در فن آوری روشنایی، بخش الکترونیک، مهندسی نیرو، فن آوری اتصال و پوشش، صنایع فضا پیما و اتومبیل، پزشکی، تولید دما بالاها، صنعت ابزارسازی(تجهیز)، حتی در ورزش و جواهر سازی کاربرد دارد.
در لوازم خانگی، تنگستن در حبابهای روشنایی، لوله های فلورسنت، ذخیره کننده های انرژی، لامپهای HID، تلفنهای همراه، دستگاه های تلویزیون، مگنترون برای مایکروویو و دیگر محصولات الکتریکی مورد استفاده قرار می گیرد. این فلز برای سوراخکاری دیوار، برش کاشی، چاقوی حلقوی و برای توپهای کوچک نوک خودکار کاربرد دارند.
تنگستن بالاترین نقطه ذوب در میان فلزات را داراست. مکعب تنگستن با طول بعد 73/3 سانتیمتر، دقیقا 1 کیلوگرم وزن دارد.
ویژگیهای تنگستن
تنگستن و ولفرام نام اطلاق شده به عنصر 74 جدول تناوبی مندلیف با نشان شیمایی "W" می باشند.
عدد اتمی: 74
میانگین جرم اتمی: 85/183
تنگستن بالاترین نقطع ذوب را در میان کل فلزات داراست (3422 درجه سانتیگراد). در این دما غالب دیگر فلزات مهندسی (آهن، آلومنیوم، مس و تیتانیوم) بخار می شوند. نقطه جوش آن 5700 درجه سانتیگراد معادل دمای سطح خورشید می باشد. با دانسیته 19/25 گرم بر سانتی متر مکعب، در میان سنگینترین فلزات قرار دارد. رسانایی الکتریکی آن در دمای صفر درجه سانتیگراد حدود 28 درصد نقره، که بالاترین رسانایی الکتریکی را داراست، می باشد. ضریب انبساط حرارتی آن در میان همه فلزات کمترین است.
تنگستن یک فلز درخشنده سفید است و در خالصترین حالت آن، کاملا نرم و خم شونده است و به راحتی قابلیت فشرده شده را دارد. از اینرو، معمولا دارای تمرکزهای کوچک از کربن و اکسیژن می باشد که باعث سختی و شکنندگی قابل توجه آن می شوند.
تمامی چیپستهای پیشرفته برای ترانزیستورها و لایه های به هم پیوننده به تماسهای تنگستن متکی می باشند. دلیل این مسئله مقاومت الکتریکی پایین، ضریب انبساط حرارتی کم، و مقاومت مناسب مهاجرت الکترونی می باشد.
تنگستن مهمترین فلز برای کاربردهای انتشار ترمیونی می باشد. از اینرو توسط یک ماده ساطع کننده پوشیده می شود.
به دلیل نقطه ذوب بسیار بالا، محصولات تنگستن (ورق، راد، سیم، پین) از پودر ساخته می شوند و نه از طریق ذوب و ریخته گری.
کاربردهای اولیه تنگستن
کاربیدهای سیمانی، که به آن hardmetals نیز گفته می شود، مهمترین کاربرد امروزه تنگستن می باشد. ماده اصلی تشکیل دهنده، مونوکاربید تنگستن (WC) است که از نظر سختی نزدیک الماس می باشد. Hardmetal ابزارهایی برای شکل دادن فلزات، آلیاژها، چوب، کامپوزیتها، پلاستیک و سرامیک و همچنین برای صنایع معدنی و ساخت و ساز می باشند. تنگستن جزء مهمی برای ابزارهای فولادی، فولادهای پرسرعت، ماهواره ها و فولادها و آلیاژهای مقاوم در برابر خزش است.
منابع تنگستن
بین تنگستن اولیه (کنسانتره سنگ معدن ولفرامیت و شیلایت) و تنگستن ثانویه (انواع مختلف ضایعات حاوی تنگستن) تفاوت وجود دارد.
تنگستن اولیه (کنسانتره)
تنگستن ثانویه (ضایعات)
تنگستن در طبیعت تنها در قالب ترکیبات شیمیایی وجود دارد. اگرچه بیش از سی ماده معدنی حاوی تنگستن شناخته شده است، تنها دو مورد از آنها، ولفرامیت و شیلایت، برای مصارف صنعتی مهم میباشند.
شیلایت خالص تحت نور ماوراء بنفش دارای نور فلورسانس آبی-سفید می باشد، خاصیتی است که در کاوش مورد استفاده قرار می گیرد. ولفرامیت یک اصطلاح کلی برای تنگستاتهای آهن و منگنز است که در آن نسبت آهن به منگنز می تواند متفاوت باشد. یک ماده معدنی با بیش از 80 درصد FeWO4 را فربریت و یک ماده معدنی با بیش از 80 درصد MnWO4 را هوبنریت می نامند. تمام کانسارهای تنگستن منشأ ماگمایی یا هیدروترمال دارند. در خلال سرد شدن ماگما، تبلور افتراقی رخ می دهد و شیلایت و ولفرامیت اغلب در رگه هایی مشاهده می شوند که ماگما در پوسته زمین نفوذ کرده است. عمده کانسارهای تنگستن در کمربندهای جوانتر کوهستان یعنی آلپ، هیمالیا و کمربند پیرامون اقیانوس آرام قرار دارند. عیار کانسارهای اقتصادی معمولاً بین 0/3 تا 10 درصد WO3 میباشد.
زمین شناسی و معدنکاری
عمده کانیهای تنگستن با تبلور از یک مایع گرمابی تشکیل می شوند - آخرین فاز مایع در توالی تبلور افتراقی یک ماگما (فرآیند سرد شدن آرام) می باشد. اتمهای تنگستن اگر در ماگما وجود داشته باشد، به دلیل "اشتباه" بودن اندازه و بار یون تنگستن (W6+) نمیتوانند در مواد معدنی اولین مراحل تبلور (سنگهای اساسی) مشارکت نمایند. همچنین یونهای تنگستات نمی توانند یونهای سیلیکات یا آلومینات را در مرحله بعدی تبلور اسیدی جایگزین کنند. بنابراین، اگر تنگستن در ماگما وجود داشته باشد، در مایع هیدروترمال باقیمانده که یک مایع فوق بحرانی است (حدود 600 درجه سانتیگراد و فشار زیاد) متمرکز میشود. تنگستن ممکن است به عنوان یون تنگستات، اسید تنگستیک، تنگستات سدیم یا اسید هتروپولی وجود داشته باشد.
بسته به وجود و غلظت کاتیونهایی مانندFe2+ ، Mn2+ و Ca2+ و ماهیت سنگهای اطراف سیال هیدروترمال، کانیهای مختلف تنگستن متبلور (ته نشین) می شوند. پاراژنز متداول کانیایی فربریت، هوبنریت و شیلایت می باشند. در صورتیکه سنگ اطراف آن یک سنگ آهک (به عنوان مثال CaCO3) باشد، تنگستات در اثرترکیب شدن با کلسیم، شیلات را تشکل می دهد..
عامل اصلی تعیین محل کانسارهای تنگستن، نزدیکی به کمربندهای کوهزایی به دلیل ارتباط مشخص بین کانسارهای تنگستن و کمربندهای کوهستانی است، مانند آلپ-هیمالیا و کمربندهای اطراف اقیانوس آرام. به طور ویژه، ذخایر عمده تنگستن در کمربندهای چین خورده خاور دور، در جنوب چین، تایلند، برمه، کره جنوبی و ژاپن وجود دارند. کانسارهای غنی در استانهای چینی جیانگشی، گوانگدونگ و هونان واقع شده است، که در آنها می توان انواع مهم کانسار را یافت (بزرگترین معدن شیلایت جهان). در این مناطق حتی سنگهای بازالتی حاوی تمرکزهای بالاتری از تنگستن هستند که توسط محققان چینی به عنوان ناهنجاری گوشته زیرین تعبیر شده است. کمربندهای مشابه در سراسر بخش آسیایی اتحاد جماهیر شوروی سابق گسترش دارند. تنگستن همچنین در کمربندی چین خورده ساحل شرقی در استرالیا و کمربند آلپ از فرانسه تا ترکیه نیز وجود دارد. کوه های راکی و آند به عنوان بخشی از کمربند پیرامون اقیانوس آرام حاوی تعدادی از کانسارهای مهم در کانادا، ایالات متحده آمریکا، بولیوی و پرو می باشند. کانسارهای آفریقا (رواندا، اوگاندا و جمهوری کنگو) و برزیل (ریو گراند دل نورت، رودونیا) تاریخچه مشترک تشکیل کانسارهای Sn/W را پیش از باز شدن اقیانوس اطلس (یعنی جدایی آفریقا و آمریکای جنوبی)، حدود 100 میلیون سال پیش را نشان می دهند.
تنگستن معمولاً دارای معدنکاری زیرزمینی می باشد. شیلات و/یا ولفرامیت غالباً در رگه های باریک قرار دارند که کمی متمایل هستند و اغلب با عمق گسترده می شوند. معادن روباز وجود دارند اما به ندرت.
معادن تنگستن نسبتاً کوچک می باشند و بندرت بیش از 2000 تن کاسنگ در روز تولید می شود. روشهای استخراج سنگ معدن تنگستن به هیچ وجه استثنایی نیستند و معمولاً با زمین شناسی کانسار سازگار هستند. بیشتر کانسارهای تنگستن حاوی کمتر از 1/5 درصد WO3 و غالباً فقط چند دهم درصد می باشند. از طرف دیگر، کنسانتره معامله شده در سطح بین المللی به 75-65 درصد WO3 نیاز دارد. از اینرو، مقدار بسیار زیادی از باطله باید جدا شوند. به همین دلیل است که کارخانه های تغلیظ کانسنگ همیشه در مجاورت معدن قرار دارند تا هزینه های حمل و نقل را کاهش دهند.
برای آزادسازی کریستالهای معدنی تنگستن، ابتدا کانسنگ خرد و آسیاب می شود. کانسنگ شیلایت را می توان با روشهای ثقلی، غالباً در نترکیب با فلوتاسیون تغلیظ می گردد، در حالیکه کانسنگ ولفرامیت را می توان با گرانش، گاهی اوقات در ترکیب با جداسازی مغناطیسی تغلیظ نمود.
عرضه و تقاضا
تنگستن مطمئناً یک فلز استراتژیک است زیرا درصنایع نظامی و بسیاری از کاربردهای صنعتی کاربرد قابل توجهی دارد. ثبات در درجه حرارت بالا تنگستن به خودی خود و استحکام آلیاژهای تنگستن، آن را در کاربردهای صنعتی مفید می کند. متداولترین کاربرد آن در سخت شدن فولاد و ساخت مته و تجهیزات برش است. بنابراین از آن در صنایع معدنی، فلزکاری، نفت، ساخت و ساز، جواهرات و هوافضا استفاده می شود.
اینکه مقدار زیادی تنگستن در زمین وجود داشته باشد جای تردید نیست اما برخی از بزرگترین کانسارها در مناطقی با دسترسی دشوار یا عیار پایین کانسنگ، حضور دارند، که باعث می شود نمای بلند مدت از قیمتهای تنگستن به عنوان عامل تعیین کننده در تعیین موجودیت اقتصادی آنها استفاده شود.
نه تنها منابع عرضه تغییر کرده بلکه ترکیبات تنگستن با نوسانات قیمت بین محصولات کنسانتره و به روز شده نیز مورد معامله قرار گرفته است و محدودیتهای دولتی نقش خود را در بازار اعمال میکند. محصولات واسطه ای شامل تنگستاتها، اکسیدهای تنگستن و هیدروکسیدها، پودرهای W و WC و فروتنگستن می باشند.
تقاضای تنگستن تحت تأثیر اقتصاد جهانی و وقوع حوادث جنگ است. عرضه تنگستن مربوط به قیمتهای آن یا به طور موردی استراتژیهای انباشت برخی دولتها می باشد. تعادل تقاضا و عرضه تنگستن و قیمت آن به صورت علت و معلول مرتبط هستند: قیمتهای پایین تنگستن حاکی از محدودیت ظرفیتهای معدنی آن است و قیمت بالای تنگستن باعث آغاز اجرای پروژه های جدید معدنی می گردد. با این وجود، ساز و کارهای بازار آزاد با مداخلات دولت تعدیل می شود. حاکم مطلق بازار تنگستن کشور چین می باشد (حدود 83 درصد). افزایش عرضه تنگستن چین حاکی از افزایش تقاضا است. برخی از نامهای چینی در تولید تنگستن، مانند Xiamen Tungsten Co Ltd که بیش از 3 میلیارد دلار سرمایه دارد، برای متخصصان صنعت معدنی آشنا می باشد.
تأمین تنگستن می تواند از منابع اولیه یا ثانویه باشد. منبع اصلی تولید تنگستن از ولفرامیت و شیلایت است. علاوه بر این، انباشتهای ایجاد شده توسط تولیدکنندگان تنگستن در دوره عدم تعادل عرضه/تقاضا یا انبارهای مواد استراتژیک ایالات متحده، روسیه و چین را می توان در بین منابع اولیه تنگستن قرار داد. مورد ثانویه در گذشته ایجاد شده و کشورها علاقمند بودند تنگستن انبار شده را به بازار عرضه کنند. اشکال مختلف قراضه حاوی تنگستن نشان دهنده منابع ثانویه عرضه مواد است. بدیهی است که محاسبه کامل برای عرضه و تقاضای تنگستن در سرتاسر جهان دشوار می باشد.
چین تولید کننده اصلی تنگستن اولیه است. کشورهای تولید کننده اصلی دیگر اتریش، بولیوی، کانادا، پرو، پرتغال، روسیه، تایلند و چندین کشور آفریقایی هستند. برخی از معادن که در دهه های اخیر در استرالیا، کره جنوبی و ایالات متحده آمریکا بسته شدهاند، اکنون در حال بازگشایی می باشند.
بازیافت ضایعات عامل مهمی در عرضه تنگستن جهان است. یبق تخمین امروزه حدود 35 درصد بازیافت می شود و صنعت فرآوری تنگستن قادر است تقریباً هر نوع ضایعات و ضایعات حاوی تنگستن را برای بازیابی تنگستن و در صورت وجود سایر ترکیبات با ارزش فرآوری نماید. ضایعات تنگستن به دلیل دارا بودن تنگستن بالا در مقایسه با سنگ معدن، یک ماده خام با ارزش می باشند.
در سال 2017، تولید محدود به تولید کنندگان کوچکتر و بسیار آلاینده، قیمت تنگستن را حدود 50 درصد افزایش داده است. و در سال 2018 روند صعودی خود را ادامه داد تا اینکه در ماه ژوئن به اوج 350 دلار در هر واحد تن متریک (MTT) رسید. با وجود 5 درصد افزایش تقاضا، میزان عرضه معادن جهانی از 82100 تن در سال 2017 به 82000 تن در سال 2018 کاهش یافت. با توجه به اینکه چین در تلاش اقتصادی خود علیه مبارزه ادامه دار با تعرفه های دونالد ترامپ، به دنبال این است که به هر حال علیه آمریکا به دنبال افزایش قدرت باشد، ممکن است فشار بیشتر گردد (با کاهش بیشتر تولید).
تنگستن یک بازار کوچک است که تخمین زده میشود تا سال 2025 به حدود 8/5 میلیارد دلار برسد. در این سطح، تقریباً نیمی از اندازه بازار عناصر نادر خاکی جهان است که نسبتاً اندک است. در قیاس، گفته می شود که بازار مس جهانی بیش از 260 میلیارد دلار ارزش دارد، که حتی این (مس) در برابر بازار چند ده تریلیونی نفت ناچیز می باشد.
با اینحال، برای کسانیکه به دنبال فرصتهای تازه هستند، تنگستن می تواند سرمایه گذاری بسیار سودآوری باشد که به جلو می رود.
تا به امروز تولید در دنیای غرب آنقدر نبود تا کمبود چینیها را برطرف کند. در چند سال گذشته، دو معدن بزرگ تنگستن، معدن Cantung در کانادا، و معدن Drakelands در انگلستان، بسته شده اند، دومی حتی پیش از شروع کار بسته شده است. بزرگترین معدن در حال کار تنگستن در خارج از چین در ویتنام واقع شده است، نه دقیقاً شناخته شده ترین مقصد برای سرمایه معدن غربی، و حتی تولید در آن از 6600 تن در سال 2017 به 6000 تن در سال 2018 کاهش یافته است.