CN107586971A - 一种利用二氧化钛直接生产钛及钛合金的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用二氧化钛直接生产钛及钛合金的方法，所述方法是利用化学活性大于钛的活泼金属与二氧化钛在高温下直接发生化学反应。本发明可直接由二氧化钛生产钛及钛合金，不仅生产成本可得到显著降低，而且反应过程清洁环保，不存在污染问题，尤其是无需中间提纯处理，产量高，生产工艺简单，易于实现规模化。

Description

一种利用二氧化钛直接生产钛及钛合金的方法
技术领域
本发明是涉及一种利用二氧化钛直接生产钛及钛合金的方法，属于金属材料制备技术领域。
背景技术
钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，钛合金因具有强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于各个领域。钛和钛合金以其比重小，塑性好，比强度和热强性高，低温性能好，抗腐蚀性优良，以及同人体组织有良好的亲合性等优越的性能，成为最重要的工程材料之一。近几十年以来，随着技术的发展，钛和钛合金的作用越来越重要，在航天、航空、航海等部门它们是产业发展的基础材料、关键材料，在化工、石化、医疗、机械等行业它们也有重要作用。现在，钛和钛合金已大量用于制作导弹、火箭、飞船等航天器的壳体，飞机的壳体、机翼和发动机叶片，轮船、军舰、潜艇的壳体，海水淡化装置、化工反应器、管道、容器，人造牙齿、骨骼、关节、夹板，以及仪表、精密机械、高尔夫球头、眼镜框、钟表、首饰和装饰品。此外，钛还用于制作超导材料、贮氢材料、吸气材料、压电材料和形状记忆合金等重要的功能材料。
目前，金属钛的主流生产工艺为克罗尔(Kroll)工艺，主要是采用金属Mg还原TiCl4工序、真空分离工序制造金属钛。该工艺由三部分组成：一是由含钛矿物质制取精TiCl4；二是镁还原TiCl4生产海绵钛的还原工序；三是真空蒸馏、提纯和镁的再生。在还原工序中，液态TiCl4从反应器上方加入并流经熔融Mg发生还原，在反应器底部沉积得到海绵Ti；真空分离工序主要是除去其中夹杂的Mg单质和还原产物MgCl2。虽然该工艺可制得高纯度的金属钛，但该工艺由于热还原过程长、工序复杂、不能连续生产等原因使钛生产成本居高不下，加之生产过程中的环境污染，大大制约了钛的广泛应用。因此，研发一种既可以大幅度降低生产成本，且清洁环保、易于实现工业化的生产钛及钛合金的方法，将具有重要经济价值和社会意义。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题和需求，本发明的目的是提供一种利用二氧化钛直接生产钛及钛合金的方法，以实现低成本、清洁环保的工业化生产钛及钛合金。
为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
一种利用二氧化钛直接生产钛及钛合金的方法，所述方法是利用化学活性大于钛的活泼金属与二氧化钛在高温下直接发生化学反应；所述高温是指能使活泼金属或/和二氧化钛熔化的温度。钛是重要的国防和工业材料，一直是世界科技研究的重点。但由于二氧化钛的钛和氧之间的化学键非常牢固，导致化学性质非常稳定，无法直接生成金属钛，所以利用二氧化钛直接生成金属钛已经成为人类材料科学的世界难题。所以现在就只能采用金属镁还原四氯化钛，得到海绵金属钛。但四氯化钛的生产成本非常高，并且在生产过程中会产生严重的污染。本发明采用的直接生产钛的方法，首次破解了人类直接利用二氧化钛生成金属钛的材料学的技术瓶颈。
一种实施方案，使活泼金属与二氧化钛按化学反应方程式的计量比发生化学反应，得到金属钛。
作为优选方案，使活泼金属与过量二氧化钛发生化学反应，得到高纯度金属钛。因为此种情形下可保证活泼金属全部参与化学反应，从而保证得到的金属钛里面没有活泼金属。
一种实施方案，使过量活泼金属与二氧化钛发生化学反应，得到钛合金。钛的用途非常广泛，其中一个用途之一就是以钛与活泼金属形成钛合金。采用这种方案可以直接得到钛与活泼金属的合金，而不需要将纯钛与活泼金属再进行熔化生成合金。
一种实施方案，先将形成目标钛合金所需要的其他组分加入活泼金属中，然后使其与二氧化钛发生化学反应，得到所需钛合金。因为钛合金种类非常多，如果采用本方案可以一步就形成所需的钛合金。
一种实施方案，先将形成目标钛合金所需要的其他组分加入二氧化钛中，然后使活泼金属与其发生化学反应，得到所需钛合金。因为钛合金种类非常多，如果采用本方案可以一步就形成所需的钛合金。
一种实施方案，先使部分熔融态活泼金属与熔融态二氧化钛发生化学反应，然后补加固态活泼金属。由于所述化学反应是放热反应，先使部分熔融态活泼金属与熔融态二氧化钛发生化学反应，在反应过程中会释放出大量的热，通过补加固态活泼金属可以提高产量，降低加热能耗。
同样，也可以先使部分熔融态活泼金属与部分熔融态二氧化钛发生化学反应，然后补加固态二氧化钛。
同样，可以先使部分熔融态活泼金属与部分熔融态二氧化钛发生化学反应，然后补加固态活泼金属和固态二氧化钛。这种方法不仅可以节省加热能耗，还可以使化学反应连续进行，达到连续生产。
一种实施方案，上述活泼金属包括但不限于金属镁、铝等，其中优选金属铝，因为铝在与二氧化钛反应过程中会释放出大量的热能，从而可保持化学反应的持续进行，尤其是铝的沸点高，可保证在化学反应过程中不会发生气化产生污染问题。
所述化学反应优选在无氧条件下进行，例如：在惰性气氛下或真空下进行。因为刚生产出来的钛非常活泼，容易与氧发生化学反应，通过无氧环境保证产品的品质。
所述化学反应优选在搅拌下进行，特别是在反应过程中补加固态二氧化钛、活泼金属时。
与现有技术相比，本发明具有如下显著性有益效果：
1、可直接由二氧化钛生产钛及钛合金，生产工艺简单，易于实现规模化，且生产成本得到显著降低；
2、直接由活泼金属与二氧化钛进行化学反应，反应过程清洁环保，不存在污染问题。
3、由于可直接生产得到金属钛及钛合金，无需中间提纯处理，因此产量高，操作简单。
附图说明
图1是实施例1提供的一种利用二氧化钛直接生产钛及钛合金的间歇式生产工艺流程示意图。
图2是实施例2提供的一种利用二氧化钛直接生产钛及钛合金的连续式生产工艺流程示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明技术方案做进一步详细、完整地说明。
实施例1
参照图1所示，本实施例提供的一种利用二氧化钛直接生产钛及钛合金的方法，是采用间歇式生产工艺，即：先将活泼金属铝2放置在坩埚1里，通过加热使活泼金属铝2熔化成液态及将二氧化钛5放置在坩埚4里加热至其熔化成液态；然后开启阀门3使液态金属铝2加入到坩埚4里，使液态金属铝2与液态二氧化钛5发生化学反应，由于钛的比重比生成的三氧化二铝大，钛位于坩埚的底部，开启出料口6可将产生的钛从坩埚4里放出。
若液态金属铝2与液态二氧化钛5是按化学计量比发生化学反应，则得到金属钛；若使液态二氧化钛5稍稍过量，则可保证液态金属铝2充分反应完全，从而得到高纯度金属钛；若使液态金属铝2过量，则会使过量的液态金属铝2与形成的金属钛形成钛铝合金，从而得到钛铝合金。
若要生产与发生反应的活泼金属不同元素的钛合金，例如钛铁合金，可通过先使液态金属铝2与液态二氧化钛5按化学计量比发生化学反应得到金属钛，然后加入与形成的金属钛为化学计量比的金属铁，从而直接得到钛铁合金；也可以，先将化学计量比的金属铁加入液态二氧化钛5中，然后向其中加入化学计量比的液态金属铝2，搅拌使其发生反应，从而直接得到钛铁合金。
由于纯钛的熔点为1678℃，而钛合金的熔点一般会低于1678℃，二氧化钛的熔点为1850℃，因此反应得到的金属钛或钛合金也为液态，因而可以由坩埚4的底部出料口6排出。
实施例2
参照图2所示，本实施例提供的一种利用二氧化钛直接生产钛及钛合金的方法，是采用连续式生产工艺，即：先将活泼金属铝2A放置在坩埚1A里，加热使其熔化成液态以及将二氧化钛2B放置在坩埚1B里，加热使其熔化成液态，然后开启计量阀门3A和3B，使液态金属铝2A与液态二氧化钛2B加入到反应坩埚4里，在搅拌7作用下发生化学反应。
可使液态金属铝2A与液态二氧化钛2B按化学计量比加入到反应坩埚4里发生化学反应；也可先加入部分液态金属铝2A与全量的液态二氧化钛2B至反应坩埚4里发生化学反应，然后补加余量的金属铝粉至反应坩埚4里，使继续反应。因为液态金属铝2A与液态二氧化钛2B为放热反应，这样可以充分利用反应热维持继续反应，以节约能耗。
另外，在此需要说明的是，本发明所述化学反应优选在无氧条件下进行，例如：在惰性气氛下或真空下进行，以避免发生氧化反应而影响产品纯度和产量。
最后需要在此指出的是：以上仅是本发明的部分优选实施例，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容做出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种利用二氧化钛直接生产钛及钛合金的方法，其特征在于：所述方法是利用化学活性大于钛的活泼金属与二氧化钛在高温下直接发生化学反应；所述高温是指能使活泼金属或/和二氧化钛熔化的温度。
2.根据权利要求1所述的利用二氧化钛直接生产钛及钛合金的方法，其特征在于：使活泼金属与二氧化钛按化学反应方程式的计量比发生化学反应，得到金属钛。
3.根据权利要求1所述的利用二氧化钛直接生产钛及钛合金的方法，其特征在于：使活泼金属与过量二氧化钛发生化学反应，得到高纯度金属钛。
4.根据权利要求1所述的利用二氧化钛直接生产钛及钛合金的方法，其特征在于：使过量活泼金属与二氧化钛发生化学反应，得到含活泼金属的钛合金。
5.根据权利要求1所述的利用二氧化钛直接生产钛及钛合金的方法，其特征在于：先将形成目标钛合金所需要的其他组分加入活泼金属中，然后使其与二氧化钛发生化学反应，得到所需钛合金。
6.根据权利要求1所述的利用二氧化钛直接生产钛及钛合金的方法，其特征在于：先将形成目标钛合金所需要的其他组分加入二氧化钛中，然后使活泼金属与其发生化学反应，得到所需钛合金。
7.根据权利要求1所述的利用二氧化钛直接生产钛及钛合金的方法，其特征在于：先使部分熔融态活泼金属与熔融态二氧化钛发生化学反应，然后补加固态活泼金属。
8.根据权利要求1所述的利用二氧化钛直接生产钛及钛合金的方法，其特征在于：先使部分熔融态活泼金属与部分熔融态二氧化钛发生化学反应，然后补加固态二氧化钛。
9.根据权利要求1所述的利用二氧化钛直接生产钛及钛合金的方法，其特征在于：先使部分熔融态活泼金属与部分熔融态二氧化钛发生化学反应，然后补加固态活泼金属和固态二氧化钛。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的利用二氧化钛直接生产钛及钛合金的方法，其特征在于：所述活泼金属为金属铝。
11.根据权利要求1至9中任一项所述的利用二氧化钛直接生产钛及钛合金的方法，其特征在于：所述化学反应在无氧条件下进行。
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