[发明专利]连续生产金属钛或金属钛合金的方法和设备

说明书

技术领域

本发明涉及有色冶金工艺，更特别涉及利用四氯化钛的金属热还原反应连续生产金属钛和金属钛合金的方法和生产金属钛或其合金的设备。

背景技术

在生产金属钛的现有方法中，先用镁或钠还原四氯化钛，然后在真空电弧炉中将海绵钛破碎和熔化成锭(在Kroll法基础上改动)。不管任何版本的基于Kroll法的金属热还原技术工艺中，都是将纯化后的四氯化钛加到密封反应炉中，反应炉中充满氩气，并且预先或在加入四氯化钛的同时加入还原剂。工艺温度的上限受钢设备的耐热性限制，温度下限由还原得到的氯化物的熔点决定。在四氯化钛被还原剂还原并在真空下分离反应产物(通常在镁热工艺中使用)的工艺结束后，通过钻孔或挤压将钛海绵从反应炉中分离出。然后粉碎钛海绵，熔化成锭(Титан.Свойства，сыръеваябаза，физикохимическиеосновыиспособыпопучения.М.：Метаппургия，1983.C.339-342[Titanium.Properties，SourceOf Raw materials，Physicochemical Fundamentals And Method of ObtainingThereof.Moscow：Metallurgy，1983，p.339-342])。传统工艺中，钛海绵的熔化一般在真空电弧炉中或在惰性气体中进行。但是，在真空环境下熔化的主要优点在于——真空下熔化时，金属熔池会沸腾，所以从金属钛中除去挥发性杂质(氢气、湿气、还原剂、还原剂氯化物及其它杂质)的速度要远远快于在惰性气压下熔化。而且获得的金属质量更优。一种已知的通过真空电弧炉熔化成钛金属锭的技术方案包括：利用由压缩钛海 绵制成的自耗电极进行第一次熔化工艺。电弧在液态金属熔池和自耗电极之间燃烧，金属熔化后流入金属熔池。第二次熔化工艺在比第一次熔化工艺用的直径更大的铸造模中进行。第二次熔化工艺使用的自耗电极由第一次熔化工艺结束后得到的若干电极焊接而成(Метаппургиятитана.М.：Метаппургия，1964.C.182-184[Titanium Metallurgy.Moscow：Metallurgy，1964，p.182-184])。

已知方法的主要缺点在于金属钛生产工艺要分几个阶段进行，金属钛生产工艺耗时长，并且实施这些方法所用设备的生产率低。

还有一种从含有还原金属的氯化物中置换金属的方法(1974年12月11日公布的美国专利3,847,596，“Process of obtaining metalsfrom metal halides”，IPC C22B 5/00)，该方法主要是将还原金属的化合物(如气态四氯化钛)和还原剂(如液态镁)通入真空预热反应炉中发生放热反应。还原反应在所要生产的金属熔点以上的温度和不低于蒸发的还原剂的氯化物(以下简称还原剂氯化物)的气体压力下进行。最初形成的金属是固体形式。作为还原反应的结果，还原剂的氯化物在大气压下被加热到蒸发温度，形成气态，直到气压(还原剂氯化物熔化后的压力、钛熔化后的压力和导入反应炉的惰性气体的压力)达到与反应炉内置换反应温度对应的压力。从这一刻起，只存在液态的还原剂氯化物。随后在获得的回流压力和高于钛熔点的温度下发生置换反应。在该过程中，钛产生后被熔化，所以反应炉内生产出的是液态钛。在液态钛表面漂浮着一层液态的还原剂氯化物。在氩气或真空环境中通过冷的铜锭模从反应炉中连续取出液态钛。

这一方法的缺点是，生产出的金属钛中掺杂有大量由四氯化钛和还原剂混合物产生的残余氯、金属镁、氯化镁，还有氢气和其他气体。而且，反应炉材料的选择问题使这一方法的工业应用变得颇为复杂，因为反应炉材料需要耐受钛熔点以上的温度。