[发明专利]晶体钛粉末的制备方法

说明书

发明领域

本发明涉及晶体钛粉末的制备。

发明背景

对于制备钛晶体的最初尝试之一由Keller和Zonis描述在专利中(1958)。Keller和Zonis认识到了将氯化钛物种缓慢、分步还原对于获得晶体钛的重要性。

Keller和Zonis还强调了均匀地分布还原剂以避免在盐反应介质中钛迅速被还原的局部形成钛细粒的重要性。

White和Oden描述了制备不含卤化物夹杂物的粒状Ti金属的方法，其需要使在连续搅拌槽反应器中的由溶解在各自金属的卤化物盐中的Na、Mg、Li或K组成的流与由含有Ti的卤化物盐的卤化物盐流组成的流反应。尽管该方法的意图是提供允许钛金属有序生长的条件，但没有认识到达成这样的条件的关键因素的重要性，例如：确保在反应器中溶解的还原金属和溶解的卤化钛两者的低浓度(这通过将反应物近似化学计量地进料和提供比较长的在反应器中的停留时间而实现)的必要性，将两种反应组分作为稀物流进料的优势，保持在反应器中钛晶体的高浓度以相对于新的钛晶体核的形成增强这样的钛晶体的生长，通过用悬浮在熔融的卤化物盐流中的过量的钛粒子还原TiCl₄来制备含有卤化钛进料的进料流的益处，和经由长程电子中介还原(Long Range Electronically Mediated Reduction)(LR-EMR)防止氯化钛的不受控的还原的必要性，这描述在J.Mater.Res.，第13卷，第12号，1998年十二月，3372至3377中。而且，没有认识到避免高操作温度的必要性，高操作温度可以导致形成可能含有被包封的卤化物盐的簇的钛晶体的部分烧结，且取而代之的是，该方法教导了使用高操作温度以增加在熔融的卤化物盐中的不同的反应物种的溶解度。

本发明与现有技术的区别在于，它优化了达成以连续方式制备和生长晶体钛金属粒子的条件所需的多种要求的组合。

发明概述

根据本发明，提供了在连续金属热TiCl₄还原过程中制备钛晶体和控制钛晶体生长的方法。

因此，根据本发明，提供了一种制备晶体钛粉末的方法，所述晶体钛粉末含有具有平均晶体尺寸(按体积计)大于1μm的单晶或单晶的团聚物，所述方法包括使氯化钛物种，优选二氯化钛，和还原金属在连续返混型反应器中反应以制备钛粉末在熔融氯化物盐中的自由流动悬浮液，其中：

i.将所述氯化钛物种和所述还原金属均溶解在含有悬浮的钛粉末的熔融氯化物盐中，并进料至含有所述还原金属的氯化物盐的所述反应器中；

ii.所述氯化钛物种和还原金属向所述连续返混型反应器的平均进料比率在完全将氯化钛盐还原成钛金属所需的化学计量比的1％内，优选0.1％内；

iii.在所述连续返混型反应器中，在钛粉末在熔融盐中的流体悬浮液中，所述钛粉末的浓度在2至23质量％之间；并且

iv.所述还原金属是锂、钠、镁或钙。

可以将一些熔融盐和钛粉末产物一起从所述连续返混型反应器中取出，并且在所述反应器外彼此分离。

溶解氯化钛物种的进料可以在所述连续返混型反应器之外的独立的容器中制备，优选通过使TiCl₄与从所述连续返混型反应器再循环的分散在熔融氯化物盐中的金属钛反应而制备。

可以将所述还原金属在进料至所述连续返混型反应器之前预溶解在熔融氯化物盐中，优选通过将熔融盐从所述连续返混型反应器再循环至容器并且在该容器中将所述还原金属溶解在所述氯化物盐中而进行。

制备所述溶解的氯化钛盐和所述溶解的还原金属的容器可以彼此电绝缘，并且还与所述连续返混型反应器电绝缘。

所述氯化钛盐的溶解的钛阳离子的摩尔浓度可以小于在所述熔融盐进料溶液中的氯阴离子的摩尔浓度的25％，优选小于5％。

在所述熔融氯化物盐进料中的溶解的还原金属原子的摩尔浓度可以小于熔融盐溶液的所述氯阴离子的3.5％，优选小于0.5％。

溶解的还原金属向所述连续返混型反应器的进料可以超过用于还原所述连续返混型反应器的所述进料中的全部低价氯化钛所需的化学计量。

所述连续返混型反应器的温度可以低于800℃，典型地低于700℃，优选低于650℃。

在所述反应器中的停留时间可以表达为在所述连续返混型反应器内部的钛粉末的体积与在所述连续返混型反应器中制备的钛粉末的体积速率之比，并且可以大于五分钟，优选大于二十分钟。