[发明专利]一种制备钛粉的方法

说明书

技术领域

本发明属于钛加工技术领域，具体涉及一种制备钛粉的方法。

背景技术

现有技术中高纯钛的制备方法包括物理法和化学精炼法两大类，物理法主要包括电子束熔炼法、偏析法、高真空熔炼法、真空蒸馏法、电迁移法、光激发精制法等，化学精炼法主要包括熔盐电解法、碘化物热分解法、氯化物热分解法、置换沉淀法和溶剂萃取法等。

一、在工业生产中制备高纯钛主要采用的方法有克劳尔法、碘化法、熔盐电解法、电子束熔炼精炼法等。

1、克劳尔法(镁热还原法)

①基本原理

克劳尔法是国内外大规模生产海绵钛的主要工艺方法，其制备海绵钛的工艺原理大致为：在反应容器中加入惰性气体，然后加入高纯度的金属镁，在800～900℃的温度条件下，金属镁成为熔融态，再加入TiCl₄与熔融态的镁发生还原反应从而制得海绵钛，其主要化学反应如(1)式：

TiCl₄+2Mg＝Ti+2MgCl₂(1)

②工艺流程

克劳尔法生产海绵钛的主要工艺流程是：a、选矿，使钛含量得到进一步的提升；b、精制TiCl₄，将钛矿在石油焦和氯气的共同作用下制得粗TiCl₄，再经过蒸馏除杂和反应除钒使粗TiCl₄转变为精TiCl₄；c、还原操作，将精TiCl₄在惰性气体气氛中与熔融态金属镁发生还原反应；d、蒸馏操作，待还原反应完全后，高温蒸馏除去多余的Mg和MgCl₂，得到海绵状的钛坨；e、后处理，将钛坨经粉碎、分级、封装等工序得到商品海绵钛。

③克劳尔法存在的缺陷和问题

海绵钛中超过一半的杂质来源于原材料，为了保证制得纯度高的海绵钛必须提高原材料TiCl₄和金属Mg的纯度，生产5N级钛时TiCl₄的纯度要求达到6N级，在提高TiCl₄纯度的同时还必须减少MgCl₂和Mg运输过程中金属元素的污染，同时还原蒸馏容器中的重金属元素也会对海绵钛造成较为严重的污染，其中主要有Fe、Cr、Ni。由此可见克劳尔法生产高纯海绵钛的工艺复杂，这导致其生产成本偏高。

2、碘化法

碘化法制备高纯钛原理是利用钛在一个温度变化区间内与卤化剂能够发生可逆反应，与此同时杂质元素在反应温度区之内却几乎完全不参与发生副反应，从而可以容易的把杂质从体系中分离出去。早在1925年碘化法就已经被发明，它经历了传统碘化法和新碘化法两个发展阶段，碘化法是目前生产高超纯度海绵钛的主要方法。

①传统碘化法

基本原理：传统碘化法是将纯度较低的粗钛与碘填充在密闭容器中，在一定的温度条件下发生碘化反应生成TiI₄，再将生成的TiI₄通入加热的钛丝，在钛丝表面发生热分解反应析出高纯钛，游离的碘再扩散到碘化反应区继续进行反应，整个过程发生的主要反应如下：

Ti(粗)+2I₂→TiI₄(200～400℃)(2)

TiI₄→Ti(高纯度)+2I₂(1100～1500℃)(3)

传统碘化法主要用于对钛纯度要求不高的工业化生产，其存在的问题有：a、反应在电阻丝上进行，限制了反应容器中粗钛量，反应速率慢，生产效率低；b、电阻丝上沉积层变化，导致温度控制困难，甚至使电阻丝熔断；c、易受反应容器中杂质的污染。

②新碘化法

为了解决这些问题，日本住友公司提出了新的碘化法方案，该方案可以生产纯度高达6N的钛。其工艺原理是把汽化的四碘化钛通入反应容器将粗钛还原为二碘化钛，二碘化钛再在沉积表面热分解，同时除去多余的碘回到反应区使反应连续进行，最后析出高纯钛。整个过程中的主要反应如下：

TiI₄+Ti→2TiI₂(700～900)(4)

2TiI₂→TiI₄+Ti(1100～15300℃)(5)

与传统碘化法相比，新碘化法具有如下几个优点：a、降低了反应温度(200℃左右)；b、以钛管代替钛丝，加大了反应表面积，使反应速率增大；c、采用间接加热方式，不受沉积速度的影响，有利于温度控制；d、以块状粗钛为原料，使得容器可以容纳更多的钛原料，加大了生产量；