制备钛产品的利记博彩app
【专利说明】制备钛产品
[0001 ] 相关专利申请
[0002] 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】
[0003] 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%的乳制品和铸件 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。
[0004] 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FeTi03(也称为钛 铁矿，其是一种天然矿石)还原为富钛炉渣(Ti0 2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Ti02(也称为合成金红石）。在阶段 103处，在高温下（通常在800至1000°C的范围内）用氯气将合成金红石氯化，以形成四氯化 钛（TiCl 4)。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)〇
[0005] 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°C)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TiCl 4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。
[0006] 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°C 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(MgCl 2)。据报道，克罗尔工艺花费了近10年才 扩展为商业制备工艺。
[0007] 在更近的历史中，特别是过去20年，一直在开展研究，试图发现制备钛的更经济方 法。图2示出了一种称为阿姆斯特朗（Armstrong)工艺200的方法。该工艺200开始于阶段 201，在该阶段处，钛铁矿矿石发生碳热还原而得到Ti炉渣和生铁，然后在阶段202处进行化 学提取，并且在阶段203处将提质的合成金红石高温氯化为TiCl 4。阶段204是使用熔融钠 (Na)金属还原TiCl4的连续工艺。虽然阿姆斯特朗工艺相比于亨特工艺和克罗尔工艺具有 一些优点，但仍然有许多挑战。在一个方面，阿姆斯特朗工艺得到具有微型海绵密度的Ti粉 末，使后续工艺诸如压实和烧结变得困难。在另一个方面，熔融钠是昂贵的材料，并且再生 Na(从NaCl)是高耗能的工艺。此外，阿姆斯特朗工艺仍然需要TiCl4。因此，阿姆斯特朗工艺 的有益效果是有限的。
[0008]继克罗尔法和亨特法之后，开发了多种方法，所述方法修改了处理钛所需的步骤 的数量。图3中所示的一个例子是FCC剑桥工艺。方法300开始于阶段301，在该阶段处，钛铁 矿矿石发生碳热还原而得到Ti炉渣和生铁，然后在工艺302处进行化学提取。在阶段303处， FCC剑桥工艺使用电解将提质的合成金红石电化学还原为Ti海绵或粉末。
[0009] 在2004年1月，美国能源部（U. S.Department of Energy)和橡树岭国家实验室 (Oak Ridge National Laboratory(ORNL))发布了题为"Summary of Emerging Titanium Cost Reduction Technologies"（新兴钛成本降低技术的概述)的报告，其中识别并描述了 十六种新兴的钛还原工艺。尽管付出了相当大的努力并获得了大量财政支持，但由于各种 各样的原因，此类努力成果未被广泛采用，也未证实在多种情况下可商业化使用。
[0010]如上所述，现有技术(包括商业工艺和开发工艺)在广义上可分成两个组：（1)采用 TiCl4还原的工艺，以及(2)采用Ti02还原的工艺，以间接制备钛。TiCl4还原的研究重点在很 大程度上聚焦于对TiCl 4还原工艺进行优化。相反，Ti02还原的研究重点在很大程度上聚焦 于避免高温氯化。然而，这两个部分和相关研究仍然需要化学提取工艺才能获得提质的（高 度精炼的)金红石进料，以供后续工艺步骤使用-这个步骤费用也较高。
[0011]上述方法都不能提供充分提高钛金属经济可行性的钛制备方法。图4示出了与钛 常规制备相关的典型成本。镁和钠还原处理(例如，图1的亨特工艺103和克罗尔工艺104)占 总制备成本的大约66%。氯化形成TiCl4占总制备成本的约24%，剩余10%可归因于制备提 质的金红石。因此，仍然需要用于制备钛金属的降低成本的简化方法。
【发明内容】
[0012] 本发明涉及用于直接从Ti02炉渣制备钛产品诸如钛粉末或海绵的方法。所述方法 可包括获得Ti〇2炉渣，以及在适中温度和压力下使用金属还原剂从Ti〇 2炉渣制备钛产品，从 而直接制得与Ti02炉渣中的金属杂质化学分离的钛产品。钛产品可包括TiH 2和任选的单质 钛。可使用浸取、纯化和/或分离步骤从钛产品中去除金属杂质，从而形成经纯化的钛产品。
[0013] 在一个方面，所述方法可包括对Ti02炉渣进行碱焙烧，以从炉渣去除杂质并制备 中间产品，诸如钛酸钠和偏钛酸的衍生物。在另一个方面，所述方法可包括在一定温度和压 力下使用金属还原剂还原经碱浸取且水洗的产品或偏钛酸，从而制备包括氢化钛和/或单 质钛的钛产品。
[0014] 在一个方面，所述方法可包括对Ti02炉渣进行碱焙烧以从炉渣去除杂质，并且进 行浸取以制备基本上纯的二氧化钛(Ti0 2)。在另一个方面，所述方法可包括在一定温度和 压力下使用金属还原剂还原二氧化钛，从而制备包括TiH2和/或单质钛的钛产品。
[0015] 因此，已对本发明的较重要的特征进行了广义的概述，以更好地理解接下来的本 发明的【具体实施方式】，并且更好地认识本发明对本领域的贡献。通过本发明的以下具体实 施方式并结合附图和权利要求，本发明的其他特征将变得更清晰，或者可通过本发明的实 践了解到。
【附图说明】
[0016] 图1是工艺流程图，其示出了常规钛制备工艺，包括亨特还原和克罗尔还原。
[0017] 图2是工艺流程图，其示出了用于制备海绵钛或钛粉末的阿姆斯特朗工艺。
[0018] 图3是工艺流程图，其示出了用于制备海绵钛或钛粉末的FCC剑桥工艺。
[0019] 图4是饼形图，其示出了与钛常规制备相关的典型成本。
[0020] 图5示出了根据本发明的一个例子的用于制备钛产品的方法。
[0021] 图6示出了根据本发明的一个例子的用镁或氢化镁还原剂直接还原Ti02炉渣所得 的各种反应产品的相对量。
[0022] 图7是流程图，其示出了根据本发明的另一个例子的用于制备钛产品的方法。
[0023] 图8是流程图，其示出了根据本发明的又一个例子的用于制备钛产品的方法。
[0024] 图9是流程图，其示出了根据本发明的再一个例子的用于制备钛产品的方法。
[0025] 提供这些附图的目的是举例说明本发明的各个方面，并非旨在限制维度、材料、构 型、布置或比例方面的范围，除非权利要求书另有限制。
【具体实施方式】
[0026] 虽然这些示例性实施例描述得足够详细，以使本领域技术人员能够实施本发明， 但应该理解可以实现其他实施例，且可以对本发明作出多种变化而不会偏离本发明的精神 和范围。因此，本发明实施例的以下更详细说明并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而 是仅出于举例说明而非限制的目的给出，以描述本发明的特征和特性，阐述本发明的最佳 操作模式，以及足以使本领域技术人员能够实施本发明。因此，本发明的范围仅由所附权利 要求书限定。<