制備鈦產品制造技術

本發明專利技術公開了用于制備鈦產品的方法(400)。所述方法(400)可包括獲得TiO2爐渣(401)，以及在適中溫度和壓力下使用金屬還原劑(402)從所述TiO2爐渣制備鈦產品，從而直接制得與所述TiO2爐渣中的金屬雜質化學分離的鈦產品(403)。所述鈦產品可包括TiH2和任選的單質鈦。然后在(404)階段可通過浸取、純化和分離去除所述鈦產品中的雜質，從而形成經純化的鈦產品。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】相關專利申請本專利申請要求提交于2013年8月19日的美國臨時專利申請序列號61/867,467的權益，該申請以引用方式并入本文中。
技術介紹
鈦較堅固、重量輕、耐腐蝕且具有生物相容性。這一獨特的特性組合使其成為非常適合多種潛在商業應用的有價值自然資源。鈦至少自1948年起便已商業化制造，并且廣泛用于航空、醫療和軍事防御工業。例如，美國地質調查局(U.S.GeologicalSurvey)關于鈦的礦產工業調查(MineralIndustrySurveys)報道稱，2011年間大約67％的軋制品和鑄件用于商業和軍事航空應用。然而，鈦特性很有用的其他工業仍然嚴重依賴于通用鋼。對鋼的嚴重依賴性并不令人意外，因為以常規方法制備鈦的費用可能是制備鋼的二十倍。這一高成本的大部分歸咎于已知工藝的間接性質，這些工藝很耗時，并且需要大量能量，如下文參照圖1-4所示和所討論。圖1示出了常規鈦制備方法100。在階段101處，通過碳熱工藝將FeTiO3(也稱為鈦鐵礦，其是一種天然礦石)還原為富鈦爐渣(TiO2爐渣)和生鐵(生Fe)。在階段102處，利用化學提取冶金工藝去除一些不期望的雜質并制備提質的TiO2(也稱為合成金紅石)。在階段103處，在高溫下(通常在800至1000℃的范圍內)用氯氣將合成金紅石氯化，以形成四氯化鈦(TiCl4)。使用如下兩種熟知的商業工藝來處理TiCl4：克羅爾法(Kroll)和亨特法(Hunter)。由倫斯勒理工學院(RensselaerPolytechnicInstitute)的冶金學家與教授MatthewHunter原創開發的亨特工藝104，涉及在高溫(大約900℃)和高壓下在密封鋼罐中用單質鈉還原TiCl4，而形成海綿鈦和熔融氯化鈉。隨后，亨特工藝升級為兩階段工藝。在升級的亨特工藝104的階段一中，用鈉將TiCl4還原為TiCl2，并從第一反應器排出，將熔融鹽進給到第二階段間歇式反應器(在熔爐上方并處于惰性氣氛中)，在此處將其與熔融鈉組合以完成還原而獲得海綿鈦。在反應完成并且密封罐冷卻之后，用鹽酸溶液洗去鹽，然后干燥。雖然亨特工藝104理論上可制得高純鈦金屬，但這種工藝很低效、耗時且昂貴，從而對于許多工業而言不切實際。克羅爾工藝105由WilhelmKroll開發作為亨特工藝104的備選方案，并且描述于美國專利No.2,205,854(1940年6月25日公布)。根據克羅爾工藝105，在大氣壓及高于800℃的溫度下用鎂金屬還原TiCl4。惰性氣體與鎂還原劑一起用于反應器。用水和鹽酸處理從反應器鏜孔(bored)的金屬薄片以去除氯化鎂(MgCl2)。據報道，克羅爾工藝花費了近10年才擴展為商業制備工藝。在更近的歷史中，特別是過去20年，一直在開展研究，試圖發現制備鈦的更經濟方法。圖2示出了一種稱為阿姆斯特朗(Armstrong)工藝200的方法。該工藝200開始于階段201，在該階段處，鈦鐵礦礦石發生碳熱還原而得到Ti爐渣和生鐵，然后在階段202處進行化學提取，并且在階段203處將提質的合成金紅石高溫氯化為TiCl4。階段204是使用熔融鈉(Na)金屬還原TiCl4的連續工藝。雖然阿姆斯特朗工藝相比于亨特工藝和克羅爾工藝具有一些優點，但仍然有許多挑戰。在一個方面，阿姆斯特朗工藝得到具有微型海綿密度的Ti粉末，使后續工藝諸如壓實和燒結變得困難。在另一個方面，熔融鈉是昂貴的材料，并且再生Na(從NaCl)是高耗能的工藝。此外，阿姆斯特朗工藝仍然需要TiCl4。因此，阿姆斯特朗工藝的有益效果是有限的。繼克羅爾法和亨特法之后，開發了多種方法，所述方法修改了處理鈦所需的步驟的數量。圖3中所示的一個例子是FCC劍橋工藝。方法300開始于階段301，在該階段處，鈦鐵礦礦石發生碳熱還原而得到Ti爐渣和生鐵，然后在工藝302處進行化學提取。在階段303處，FCC劍橋工藝使用電解將提質的合成金紅石電化學還原為Ti海綿或粉末。在2004年1月，美國能源部(U.S.DepartmentofEnergy)和橡樹嶺國家實驗室(OakRidgeNationalLaboratory(ORNL))發布了題為“SummaryofEmergingTitaniumCostReductionTechnologies”(新興鈦成本降低技術的概述)的報告，其中識別并描述了十六種新興的鈦還原工藝。盡管付出了相當大的努力并獲得了大量財政支持，但由于各種各樣的原因，此類努力成果未被廣泛采用，也未證實在多種情況下可商業化使用。如上所述，現有技術(包括商業工藝和開發工藝)在廣義上可分成兩個組：(1)采用TiCl4還原的工藝，以及(2)采用TiO2還原的工藝，以間接制備鈦。TiCl4還原的研究重點在很大程度上聚焦于對TiCl4還原工藝進行優化。相反，TiO2還原的研究重點在很大程度上聚焦于避免高溫氯化。然而，這兩個部分和相關研究仍然需要化學提取工藝才能獲得提質的(高度精煉的)金紅石進料，以供后續工藝步驟使用-這個步驟費用也較高。上述方法都不能提供充分提高鈦金屬經濟可行性的鈦制備方法。圖4示出了與鈦常規制備相關的典型成本。鎂和鈉還原處理(例如，圖1的亨特工藝103和克羅爾工藝104)占總制備成本的大約66％。氯化形成TiCl4占總制備成本的約24％，剩余10％可歸因于制備提質的金紅石。因此，仍然需要用于制備鈦金屬的降低成本的簡化方法。
技術實現思路
本專利技術涉及用于直接從TiO2爐渣制備鈦產品諸如鈦粉末或海綿的方法。所述方法可包括獲得TiO2爐渣，以及在適中溫度和壓力下使用金屬還原劑從TiO2爐渣制備鈦產品，從而直接制得與TiO2爐渣中的金屬雜質化學分離的鈦產品。鈦產品可包括TiH2和任選的單質鈦。可使用浸取、純化和/或分離步驟從鈦產品中去除金屬雜質，從而形成經純化的鈦產品。在一個方面，所述方法可包括對TiO2爐渣進行堿焙燒，以從爐渣去除雜質并制備中間產品，諸如鈦酸鈉和偏鈦酸的衍生物。在另一個方面，所述方法可包括在一定溫度和壓力下使用金屬還原劑還原經堿浸取且水洗的產品或偏鈦酸，從而制備包括氫化鈦和/或單質鈦的鈦產品。在一個方面，所述方法可包括對TiO2爐渣進行堿焙燒以從爐渣去除雜質，并且進行浸取以制備基本上純的二氧化鈦(TiO2)。在另一個方面，所述方法可包括在一定溫度和壓力下使用金屬還原劑還原二氧化鈦，從而制備包括TiH2和/或單質鈦的鈦產品。因此，已對本專利技術的較重要的特征進行了廣義的概述，以更本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種用于制備鈦產品的方法，包括：獲得TiO2爐渣；在適中溫度、氫氣氛和一定壓力下使用金屬還原劑從所述TiO2爐渣制備所述鈦產品而直接制得與所述TiO2爐渣中的金屬雜質化學分離的所述鈦產品，其中所述鈦產品包含TiH2和任選的單質鈦；以及從所述鈦產品去除所述金屬雜質而形成經純化的鈦產品。

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】2013.08.19 US 61/867,4671.一種用于制備鈦產品的方法，包括：
獲得TiO2爐渣；
在適中溫度、氫氣氛和一定壓力下使用金屬還原劑從所述TiO2爐渣制備所述鈦產品而直接制得與所述TiO2爐渣中的金屬雜質化學
分離的所述鈦產品，其中所述鈦產品包含TiH2和任選的單質鈦；以
及
從所述鈦產品去除所述金屬雜質而形成經純化的鈦產品。
2.根據權利要求1所述的方法，其中制備所述鈦產品的步驟包括直接
用所述金屬還原劑還原所述TiO2爐渣。
3.根據權利要求1所述的方法，其中所述制備步驟包括預處理所述
TiO2爐渣以制備中間產品，然后使用所述金屬還原劑還原所述中間
產品，所述中間產品包括鈦酸鈉、偏鈦酸和基本上純的二氧化鈦的
水洗衍生物中的至少一者。
4.根據權利要求3所述的方法，所述方法還包括在高于所述適中溫度
的溫度和氫氣氛下使用比所述金屬還原劑更強的第二還原劑對所述
鈦產品進行脫氧而制得顆粒鈦產品，將所述顆粒鈦產品粗化到目標
粒度范圍，以及在氫氣氛下冷卻所述顆粒鈦產品。
5.根據權利要求1所述的方法，其中所述金屬還原劑包括Mg、MgH2和CaH2中的至少一者。
6.根據權利要求1所述的方法，其中所述金屬還原劑包括Mg和MgH2中的至少一者。
7.根據權利要求1所述的方法，其中還原所述TiO2爐渣包括將所述
TiO2爐渣、所述金屬還原劑和鹽組合。
8.根據權利要求7所述的方法，其中所述鹽包括單金屬氯化物鹽、二
元氯化物鹽和三元氯化物鹽中的至少一者。
9.根據權利要求7所述的方法，其中所述鹽包括MgCl2+NaCl、
MgCl2+KCl和MgCl2+CaCl2中的至少一者。
10.根據權利要求1所述的方法，其中所述從所述鈦產品去除所述金屬
雜質包括利用物理分離技術和化學分離技術中的至少一者。
11.根據權利要求1所述的方法，其中從所述鈦產品去除所述金屬雜質
包括用浸取劑和任選的螯合劑浸取所述金屬雜質。
12.根據權利要求1所述的方法，所述方法還包括對所述經純化的鈦產
品進行脫氫而形成鈦粉末。
13.根據權利要求1所述的方法，所述方法還包括對所述經純化的鈦產
品進行深度脫氧而減少所述經純化的鈦產品中的殘余氧。
14.根據權利要求1所述的方法，其中所述適中溫度在約400℃與約900
℃之間。
15.根據權利要求1所述的方法，其中所述適中溫度在約700℃與約
1200℃之間。
16.根據權利要求1所述的方法，其中所述壓力在約0.1巴與約5...

【專利技術屬性】
技術研發人員：Z·Z·方，P·范，S·米德爾馬斯，J·郭，Y·張，M·弗里，A·薩提亞帕嵐，Y·夏，
申請(專利權)人：猶他大學研究基金會，
類型：發明
國別省市：美國;US