[发明专利]制备钛产品

说明书

本发明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。

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。

背景技术

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.Geological Survey)关于钛的矿产工业调查(Mineral Industry Surveys)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(Rensselaer Polytechnic Institute)的冶金学家与教授Matthew Hunter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Wilhelm Kroll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。