br>[0027]
[0028] 在描述和要求保护本发明中，将使用以下术语。
[0029] 单数形式的"一个"、"一种"和"该"包括多个指代物，除非上下文另外明确指明。因 此，例如，提及"还原剂"包括提及一种或多种此类材料，并且提及"经受"是指一个或多个此 类步骤。
[0030] 如本文针对所识别的特性或情形所用，"基本上"是指偏离的程度足够小而不会明 显减损所识别的特性或情形。在一些情况下，容许的精确偏差度取决于具体情况。
[0031]如本文所用，"邻近"是指两个结构或元件接近。具体地讲，被识别为"邻近"的元件 可邻接或连接。此类元件还可以彼此靠近或接近，而不一定彼此接触。在一些情况下，精确 的接近度可以取决于具体情况。
[0032] 如本文所用，为方便起见，多个物品、结构元件、组成元件和/或材料可以在相同列 表中表示。然而，这些列表应理解为列表的每个构件独立地识别为单独且唯一的构件。因 此，在没有相反指示的情况下，不应单独地基于它们在相同组中的表现，将此类列表的任何 单个构件理解为相同列表的任何其他构件的实际等同物。
[0033] 如本文所用，术语"至少一者"旨在与"一者或多者"同义。例如，"A、B和C中的至少 一者"明确包括仅A、仅B、仅C或每一者的组合。
[0034] 本文可能以范围格式表示浓度、含量和其他数值数据。应当理解，此类范围格式的 使用仅仅出于方便和简洁目的，并且应灵活解读为不仅包括明确引用为范围限值的数值， 还包括涵盖在该范围内的所有单个数值或子范围，如同明确引用每个数值和子范围。例如， 约1至约4.5的数值范围应解读为不仅包括1至约4.5的明确引用限值，而且包括诸如2、3、4 的单个数值以及诸如1至3、2至4等的子范围。相同原理适用于仅引用一个数值的范围，诸如 "小于约4.5"，其应解读为包括所有以上引用的值和范围。此外，无论范围宽度或被描述的 特性如何，这种解读都应该是适用的。
[0035] 任何方法或工艺权利要求中所引用的任何步骤可以按任何顺序执行并且不限于 权利要求提供的顺序。只有在对于具体的权利要求限制，且所有以下条件均存在于该限制 中时，才能使用手段加功能或步骤加功能限制:a)明确引用"用于…的手段"或"用于…的步 骤"；以及b)明确引用对应功能。在本文的说明中明确引用了支持所述手段加功能的结构、 材料或行为。因此，本发明的范围应仅由所附权利要求及其合法等同条件确定，而非由本文 给定的描述和例子确定。
[0036]图5示出了用于制备钛产品的方法400的一个实施例，该方法可由Ti02炉渣直接进 行。钛产品可包括例如粉末和/或海绵形式的TiH2和/或单质钛。方法400可包括获得Ti02炉 渣401。本方法中可采用多种原材料，包括从土壤提取的天然材料和/或预处理材料，诸如天 然金红石(Ti0 2)、钛铁矿(FeTi03)和白钛石(含钛矿物的蚀变产品）。此类材料可由不同程度 的二氧化钛构成。在一个方面，可通过碳热还原包含钛铁矿和/或白钛石的钛给料来获得 Ti02炉渣，该步骤可在反应器中进行。具体条件可有所不同，但是作为一般性指导原则，此 类碳热还原可包括加热到约1000到1600°C的温度。结果是除了 Ti02之外，Ti02炉渣还包含其 他反应产品或杂质，诸如生铁。通常，Ti0 2炉渣可包含70至85重量％Ti02。
[0037]本研究中使用的炉渣由力拓QIT公司（Rio Tinto QIT)提供，商品名为 Sorelslag?。炉渣是具有铁板钛矿结构的各种钛酸盐化合物的固溶体(Borowiec等人，1998 年）。初生相内的化合物的相对比例是(FeTi2〇5)Q.31(MgTi 2〇5)().3()(Ti3〇5)(). 31(Al2TiO5)0.06 (MnTi2〇5) 0. QQ8。Sorelslag?矿物特性的更详细说明由Borowi ec等人提供。
[0038]在另一个方面，本申请中所用的术语Ti炉渣还包括称为"提质的炉渣"或UGS。通常 通过一系列浸取工艺纯化普通Ti炉渣来制备UGSWGS通常由大于90%的Ti〇2构成。就Ti〇2含 量而言，UGS与称为"合成金红石"的另一种工业产品类似。为了本申请方便起见，术语Ti0 2 炉渣意指可用作本说明书中所述工艺的原材料的所有那些浓缩Ti矿物。
[0039]所述方法还可包括在402阶段使用金属还原剂还原Ti02炉渣而直接制得与Ti02炉 渣中的金属杂质化学分离的钛产品403。化学分离指示钛未合金化或未与其他金属杂质化 学键合。可通过将Ti02炉渣置于低压下的温控容器中并且使其在氢气氛中与金属还原剂混 合，而进行直接还原。温度控制可一般在约500至约1200°C的范围内。在一个方面，金属还原 剂包括Mg、MgH 2和/或CaH2。虽然在本文中更详细地描述，金属还原剂可以至少化学计量且在 一些情况下最多至Ti摩尔量的约6倍引入。
[0040] 在一个方面，可将Ti〇2炉渣研磨成小粒子，并且与MgH2或其他还原剂混合。Ti〇2炉 渣的初始粒度可影响反应的动力学和/或反应产品的粒度。炉渣粒度的尺寸可被设定为避 免后续浸取工艺(下文讨论)期间TiH 2的溶解，而且还避免最终产品中的氧化。Ti02炉渣的粒 度可通常为0.1微米至5000微米，并且在多种情况下在10至100微米之间。通常，氢化钛的粒 度将取决于初始炉渣粒度、反应温度和时间。在另一个方面，研磨Ti〇2炉渣也可增强转化程 度。合适的粒度可有所不同，但是10至约50μπι的尺寸可提供良好结果。
[0041 ]炉渣可为各种氧化物化合物的固溶体，并且典型Ti02炉渣的总Ti02含量为78.5%， 其中？6〇、]\%0、3102和六12〇3含量分别为9.8%、5.6%、2.8%和2.4%。在一个方面，炉渣可包 括"提质的" Ti02炉渣，其中Ti02含量高于典型Ti02炉渣的Ti02含量，而杂质含量低于典型 110 2炉渣的杂质含量。例如，提质的典型1^02炉渣可具有更高的1102含量(94.5%)，从而具 有少得多的杂质，这就使得在下述工艺的后续步骤中耗能更少。
[0042]下面提供反应式（1)到(8)，以说明用金属或金属氢化物还原剂对Ti02炉渣直接还 原的潜在初级反应。在反应式⑴到(8)中，在存在氢气的情况下将Ti02炉渣(含Ti02)与Mg或 MgH2还原剂组合。在一个实施例中，工艺502在相对较低温度下，例如在400与900°C之间或 在700与1200°C之间进行，并且制备反应产品403。反应产品403包括氢化钛(参见反应式（1) 至lj(4))。在相对较高温度下，例如在700与1200°C之间，反应产品403包括单质钛(参见反应 式(5)和⑶）。
[0043] (1 )Ti02+2Mg+H2^TiH2+2Mg0
[0044] (2)FeTi03+3Mg+H2^TiH2+3Mg0+Fe
[0045] (3)Ti〇2+2MgH2^TiH2+2MgO+H2
[0046] (4)FeTi03+3MgH2^TiH2+3Mg0+Fe+2H2
[0047] (5)Ti02+2Mg^Ti+2Mg0
[0048] (6) Fe T i 03+3Mg^T i+3Mg0+Fe
[0049] (7)Ti02+2MgH2^Ti+2Mg0+2H2
[0050] (8) FeT i03+3MgH2^T i+3Mg0+Fe+3H2
[0051] 虽然上述反应式（1)到(8)中未示出，但本领域普通技术人员应当理解除了Ti02之 外，Ti0 2炉渣通常还包含单质。这些附加材料可包括例如铁(Fe)、镁(Mg)、钙(Ca)、铝(A1)、 硅(Si)和钒(VhTiO〗炉渣通常为约80%Ti0 2和20%其他材料。因此，反应产品403将通常包 含TiH2或Ti金属和各种杂质的物理混合物。图6示出了通过Mg或MgH 2还原剂对Ti炉渣直接还 原所得的各种反应产品的潜在相对量。重新参考图5,此类杂质可经由一系列分离工艺404 去除。由于其独特的化学和物理特性，包括不溶于水及耐受适度酸性的溶液，因此可通过一 种或多种已知的物理和化学提取冶金技术，例如磁力分离、重力分离、离心分离、氯化铵浸 取、碱浸取和稀酸浸取，而将Ti与杂质分离。同样，工艺404可包括用于将Ti与杂质分离的此 类已知方法。上述物理和/或化学分离方法在提取冶金工业和研究界中普遍被良好地确立。 因此，通过如本文所公开的那样直接还原Ti0 2炉渣，可在不使用常规高温工艺的情况下将 Ti与炉渣中的其他杂质元素化学分离，并且可进一步通过一系列化学浸取和/或分离步骤 将Ti与杂质分离。
[0052] 例如，当使用MgH2在氢气下与Ti02炉渣反应时，形成了TiH2。通过形成TiH 2,将Ti与 炉渣中的其余化合物化学分离。形成TiH2而非Ti金属是有利的，因为Ti金属更易于与其他 元素诸如Fe形成难以分离的合金。另外，