金属钛制备方法综述

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1、金属钛制备方法综述摘要：本文概括了生产金属钛的各种方法，包括以TiCl4为原料的Kroll法、Hunter法(SL)、Armstrong钠还原法等；以钛氧化物为原料的FFC工艺、OS法、EMR/MSE工艺、预成型还原工艺(PRP)、USTB法、含钛混合氧化物熔盐电解法等；以氟钛酸盐为原料制备金属钛的方法；还有例如等离子法、卤化钛热分解法、电子中介反应法等其它方法。较详细地叙述了一些比较典型的方法，例如FFC工艺、OS法、加拿大魁北克铁钛公司公开的高温熔盐电解法和USTB法等。并分析了每种方法各自的特点，认为USTB法和QIT公开的熔盐电解法连续制造金属钛的方法有较好的发

2、展前景，希望对今后的研究方向和工作重点有所帮助。关键词：钛海绵钛金属钛制备方法研究现状综述0引言钛是一种性能非常优越的金属，它具有比重轻、比强度高、耐腐蚀、耐高温低温等特点，是很好的结构材料和功能材料，在国防、化工、冶金、医疗、工农业生产等各行业得到了广泛的应用[1-2]。钛在地壳中的含量为0.61％，在结构金属中居第4位，仅次于铝、铁、镁。在2l世纪，钛的用量会越来越大。迄今为止已发明的钛的冶金工艺和技术比较复杂，生产成本高，导致钛及其产品价格过高，应用范围受到很大的限制。因此钛提取冶金技术和工艺的研究，特别是低成本提取工艺的研究已经受到越来越广泛的关注。本文概述了生

3、产金属钛的各种工艺和方法，对比分析了它们的不同特点。1还原TiCl41.1Kroll法克劳尔法，又称为镁还原法，首先由Kroll于2O世纪4O年代研究成功，是最早实现合格钛产品的方法，也是目前生产海绵钛的最成功、最主要的方法[3]。其工艺一般如下(见图1)：先将钛铁矿或金红石进行一系列的物理、化学处理，制备出纯度较高的TiCl4，然后把金属镁置于惰性气氛中，在800℃～900℃下还原数天，得到的混合物Ti-Mg-MgCl2经真空蒸馏除去Mg和MgCl2，再经破碎、分级和混合等过程得到合格的海绵钛。MgCl2则通过电解后生成Mg、Cl2循环使用。该法的优点是产能大，可以生

4、产出优质的海绵钛，易实现商业化，所以到目前为止似乎还找不出其他的工艺来替代[4]。但此工艺也具有流程长、周期长、还原率低、还原剂价格较高、过程难以实现连续化等造成海绵钛生产成本过高的缺点。1.2Hunter法(SL法)Hunter法，即钠还原法，是最早用来制取金属钛的方法。其工艺过程与镁法完全相同，只是用金属钠代替金属镁作为还原剂。根据不同的还原方式，钠法又可以分为一段法和二段法。钠法与镁法相比也有其优点：钠的熔点比镁低，易于净制和输送；设备较简单，投资较低且还原速度快，放热量大，操作简单等。但该法同时也具有产出的海绵钛中含Cl-高、块小、疏松、熔铸性能差、挥发份多等缺

5、点。因此，该法已于20世纪80年代后期逐步被淘汰。图1传统镁还原法生产工艺简图1.3Armstrong钠还原法Armstrong法[5-6]与Hunter法有相似之处，但将Hunter法改进为连续化生产工艺，在连续的熔融钠液流中把TiC14气体直接还原，除去钠和盐即可得到产品钛粉。反应中过量的钠起冷却还原产物并携带产物进入分离工序的作用。通过控制TiC14气体的连续送入量，可控制反应的速度。其工艺流程图见图2，反应器示意图见图3。产品中氧含量最低为0.2％，达到二级钛的标准。Armstrong工艺实现了钠循环使用，钛粉连续还原，具有生产连续化、投资少、产品应用范围广、副

6、产物分解为钠和氯气可循环利用的优点，有效降低了成本。目前ITP(InternationalTitaniumPowerLLC)公司已经建立了一家试验厂，以优化连续生产模式下的操作参数以及分离技术。ITP工艺可用来生产钛粉，已接近商业化，但仍然存在几个问题：如何进一步降低氧含量、设备的寿命、分离设备的优化等。与FFC法一样，Armstrong法也可以直接生产钛合金，如VTi，AlTi，Ti-6Al-4V合金。小规模实验已经证明，将多种金属氯化物作反应剂，直接生产出了均匀的钛合金。尽管产品均匀性还达不到熔铸工艺或合金化工艺那样的程度，但通过研究改进，可为钛合金提供另一条生产途

7、径，特别是那些用熔铸法很难生产出均匀化合金的。图2Armstrong法工艺流程图3Armstrong法反应器1.4TiCl4电解从降低能耗与简化工艺过程角度看，采用熔盐电解法比Kroll法和Hunter法均具有优越性。因此，Kroll发明镁还原法时就曾预测15年后，TiCl4电解还原法将取代镁还原法[7]。由于TiCl4是共价键分子，在熔盐中的溶解度较低，难以满足工业化生产的需要。另外钛是典型的过渡族金属元素，钛离子在阴极的不完全放电以及不同价态钛离子在阴、阳极之间的迁移可降低电解过程的电流效率，而且钛与氯会发生逆反应，这些因素大大降低了