制备钛产品制造技术

本发明专利技术公开了用于制备钛产品的方法(400)。所述方法(400)可包括获得TiO2炉渣(401)，以及在适中温度和压力下使用金属还原剂(402)从所述TiO2炉渣制备钛产品，从而直接制得与所述TiO2炉渣中的金属杂质化学分离的钛产品(403)。所述钛产品可包括TiH2和任选的单质钛。然后在(404)阶段可通过浸取、纯化和分离去除所述钛产品中的杂质，从而形成经纯化的钛产品。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关专利申请本专利申请要求提交于2013年8月19日的美国临时专利申请序列号61/867,467的权益，该申请以引用方式并入本文中。
技术介绍
钛较坚固、重量轻、耐腐蚀且具有生物相容性。这一独特的特性组合使其成为非常适合多种潜在商业应用的有价值自然资源。钛至少自1948年起便已商业化制造，并且广泛用于航空、医疗和军事防御工业。例如，美国地质调查局(U.S.GeologicalSurvey)关于钛的矿产工业调查(MineralIndustrySurveys)报道称，2011年间大约67％的轧制品和铸件用于商业和军事航空应用。然而，钛特性很有用的其他工业仍然严重依赖于通用钢。对钢的严重依赖性并不令人意外，因为以常规方法制备钛的费用可能是制备钢的二十倍。这一高成本的大部分归咎于已知工艺的间接性质，这些工艺很耗时，并且需要大量能量，如下文参照图1-4所示和所讨论。图1示出了常规钛制备方法100。在阶段101处，通过碳热工艺将FeTiO3(也称为钛铁矿，其是一种天然矿石)还原为富钛炉渣(TiO2炉渣)和生铁(生Fe)。在阶段102处，利用化学提取冶金工艺去除一些不期望的杂质并制备提质的TiO2(也称为合成金红石)。在阶段103处，在高温下(通常在800至1000℃的范围内)用氯气将合成金红石氯化，以形成四氯化钛(TiCl4)。使用如下两种熟知的商业工艺来处理TiCl4：克罗尔法(Kroll)和亨特法(Hunter)。由伦斯勒理工学院(RensselaerPolytechnicInstitute)的冶金学家与教授MatthewHunter原创开发的亨特工艺104，涉及在高温(大约900℃)和高压下在密封钢罐中用单质钠还原TiCl4，而形成海绵钛和熔融氯化钠。随后，亨特工艺升级为两阶段工艺。在升级的亨特工艺104的阶段一中，用钠将TiCl4还原为TiCl2，并从第一反应器排出，将熔融盐进给到第二阶段间歇式反应器(在熔炉上方并处于惰性气氛中)，在此处将其与熔融钠组合以完成还原而获得海绵钛。在反应完成并且密封罐冷却之后，用盐酸溶液洗去盐，然后干燥。虽然亨特工艺104理论上可制得高纯钛金属，但这种工艺很低效、耗时且昂贵，从而对于许多工业而言不切实际。克罗尔工艺105由WilhelmKroll开发作为亨特工艺104的备选方案，并且描述于美国专利No.2,205,854(1940年6月25日公布)。根据克罗尔工艺105，在大气压及高于800℃的温度下用镁金属还原TiCl4。惰性气体与镁还原剂一起用于反应器。用水和盐酸处理从反应器镗孔(bored)的金属薄片以去除氯化镁(MgCl2)。据报道，克罗尔工艺花费了近10年才扩展为商业制备工艺。在更近的历史中，特别是过去20年，一直在开展研究，试图发现制备钛的更经济方法。图2示出了一种称为阿姆斯特朗(Armstrong)工艺200的方法。该工艺200开始于阶段201，在该阶段处，钛铁矿矿石发生碳热还原而得到Ti炉渣和生铁，然后在阶段202处进行化学提取，并且在阶段203处将提质的合成金红石高温氯化为TiCl4。阶段204是使用熔融钠(Na)金属还原TiCl4的连续工艺。虽然阿姆斯特朗工艺相比于亨特工艺和克罗尔工艺具有一些优点，但仍然有许多挑战。在一个方面，阿姆斯特朗工艺得到具有微型海绵密度的Ti粉末，使后续工艺诸如压实和烧结变得困难。在另一个方面，熔融钠是昂贵的材料，并且再生Na(从NaCl)是高耗能的工艺。此外，阿姆斯特朗工艺仍然需要TiCl4。因此，阿姆斯特朗工艺的有益效果是有限的。继克罗尔法和亨特法之后，开发了多种方法，所述方法修改了处理钛所需的步骤的数量。图3中所示的一个例子是FCC剑桥工艺。方法300开始于阶段301，在该阶段处，钛铁矿矿石发生碳热还原而得到Ti炉渣和生铁，然后在工艺302处进行化学提取。在阶段303处，FCC剑桥工艺使用电解将提质的合成金红石电化学还原为Ti海绵或粉末。在2004年1月，美国能源部(U.S.DepartmentofEnergy)和橡树岭国家实验室(OakRidgeNationalLaboratory(ORNL))发布了题为“SummaryofEmergingTitaniumCostReductionTechnologies”(新兴钛成本降低技术的概述)的报告，其中识别并描述了十六种新兴的钛还原工艺。尽管付出了相当大的努力并获得了大量财政支持，但由于各种各样的原因，此类努力成果未被广泛采用，也未证实在多种情况下可商业化使用。如上所述，现有技术(包括商业工艺和开发工艺)在广义上可分成两个组：(1)采用TiCl4还原的工艺，以及(2)采用TiO2还原的工艺，以间接制备钛。TiCl4还原的研究重点在很大程度上聚焦于对TiCl4还原工艺进行优化。相反，TiO2还原的研究重点在很大程度上聚焦于避免高温氯化。然而，这两个部分和相关研究仍然需要化学提取工艺才能获得提质的(高度精炼的)金红石进料，以供后续工艺步骤使用-这个步骤费用也较高。上述方法都不能提供充分提高钛金属经济可行性的钛制备方法。图4示出了与钛常规制备相关的典型成本。镁和钠还原处理(例如，图1的亨特工艺103和克罗尔工艺104)占总制备成本的大约66％。氯化形成TiCl4占总制备成本的约24％，剩余10％可归因于制备提质的金红石。因此，仍然需要用于制备钛金属的降低成本的简化方法。
技术实现思路
本专利技术涉及用于直接从TiO2炉渣制备钛产品诸如钛粉末或海绵的方法。所述方法可包括获得TiO2炉渣，以及在适中温度和压力下使用金属还原剂从TiO2炉渣制备钛产品，从而直接制得与TiO2炉渣中的金属杂质化学分离的钛产品。钛产品可包括TiH2和任选的单质钛。可使用浸取、纯化和/或分离步骤从钛产品中去除金属杂质，从而形成经纯化的钛产品。在一个方面，所述方法可包括对TiO2炉渣进行碱焙烧，以从炉渣去除杂质并制备中间产品，诸如钛酸钠和偏钛酸的衍生物。在另一个方面，所述方法可包括在一定温度和压力下使用金属还原剂还原经碱浸取且水洗的产品或偏钛酸，从而制备包括氢化钛和/或单质钛的钛产品。在一个方面，所述方法可包括对TiO2炉渣进行碱焙烧以从炉渣去除杂质，并且进行浸取以制备基本上纯的二氧化钛(TiO2)。在另一个方面，所述方法可包括在一定温度和压力下使用金属还原剂还原二氧化钛，从而制备包括TiH2和/或单质钛的钛产品。因此，已对本专利技术的较重要的特征进行了广义的概述，以更本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于制备钛产品的方法，包括：获得TiO2炉渣；在适中温度、氢气氛和一定压力下使用金属还原剂从所述TiO2炉渣制备所述钛产品而直接制得与所述TiO2炉渣中的金属杂质化学分离的所述钛产品，其中所述钛产品包含TiH2和任选的单质钛；以及从所述钛产品去除所述金属杂质而形成经纯化的钛产品。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.08.19 US 61/867,4671.一种用于制备钛产品的方法，包括：
获得TiO2炉渣；
在适中温度、氢气氛和一定压力下使用金属还原剂从所述TiO2炉渣制备所述钛产品而直接制得与所述TiO2炉渣中的金属杂质化学
分离的所述钛产品，其中所述钛产品包含TiH2和任选的单质钛；以
及
从所述钛产品去除所述金属杂质而形成经纯化的钛产品。
2.根据权利要求1所述的方法，其中制备所述钛产品的步骤包括直接
用所述金属还原剂还原所述TiO2炉渣。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述制备步骤包括预处理所述
TiO2炉渣以制备中间产品，然后使用所述金属还原剂还原所述中间
产品，所述中间产品包括钛酸钠、偏钛酸和基本上纯的二氧化钛的
水洗衍生物中的至少一者。
4.根据权利要求3所述的方法，所述方法还包括在高于所述适中温度
的温度和氢气氛下使用比所述金属还原剂更强的第二还原剂对所述
钛产品进行脱氧而制得颗粒钛产品，将所述颗粒钛产品粗化到目标
粒度范围，以及在氢气氛下冷却所述颗粒钛产品。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述金属还原剂包括Mg、MgH2和CaH2中的至少一者。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述金属还原剂包括Mg和MgH2中的至少一者。
7.根据权利要求1所述的方法，其中还原所述TiO2炉渣包括将所述
TiO2炉渣、所述金属还原剂和盐组合。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述盐包括单金属氯化物盐、二
元氯化物盐和三元氯化物盐中的至少一者。
9.根据权利要求7所述的方法，其中所述盐包括MgCl2+NaCl、
MgCl2+KCl和MgCl2+CaCl2中的至少一者。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述从所述钛产品去除所述金属
杂质包括利用物理分离技术和化学分离技术中的至少一者。
11.根据权利要求1所述的方法，其中从所述钛产品去除所述金属杂质
包括用浸取剂和任选的螯合剂浸取所述金属杂质。
12.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括对所述经纯化的钛产
品进行脱氢而形成钛粉末。
13.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括对所述经纯化的钛产
品进行深度脱氧而减少所述经纯化的钛产品中的残余氧。
14.根据权利要求1所述的方法，其中所述适中温度在约400℃与约900
℃之间。
15.根据权利要求1所述的方法，其中所述适中温度在约700℃与约
1200℃之间。
16.根据权利要求1所述的方法，其中所述压力在约0.1巴与约5...

【专利技术属性】
技术研发人员：Z·Z·方，P·范，S·米德尔马斯，J·郭，Y·张，M·弗里，A·萨提亚帕岚，Y·夏，
申请(专利权)人：犹他大学研究基金会，
类型：发明
国别省市：美国;US