[发明专利]原位生成氯化钛的金属热还原

说明书

技术领域

本发明涉及金属的生产。本发明尤其具有与钛和钛合金的生产有关的应 用，并就与这种应用相关的方面进行说明，但也考虑到其它应用。

背景技术

钛的固有性质包括轻重量、高耐蚀性、形成合金时的高强度，和温和的 刚度，使它成为许多应用中选用的金属。比钢铁轻40％以上和展现出高耐蚀 性使钛成为一种令人满意的钢铁替代品。然而，钛的高成本限制了它在很多 部门中用于防御、运输和耐腐蚀用途的应用。生产钛金属的第一种商业化工 艺涉及1910年亨特教授在理工学院证明的四氯化钛的钠还原——亨特工艺。 后来在1932年克罗尔经四氯化钛的镁还原生产出钛——克罗尔工艺，其随后 在美国商品化。今天，全世界的钛是通过优于亨特工艺的克罗尔工艺来生产。 在克罗尔工艺的商业实践中，根据以下反应，将液态镁容纳在无空气的钢曲 颈瓶中保持在约900℃与从顶部进入液态镁的四氯化碳混合，其产生钛金属 和氯化镁：

2Mg+TiCl₄＝Ti+2MgCl₂                    (1)

将MgCl₂从曲颈瓶中移除并在一个单独的单元中电解，以生产用于还原 四氯化钛的镁。图1显示整个克罗尔工艺的示意图。亨特和克罗尔工艺二者 的缺点在于它们分批进行，这促成钛的高成本。而且，产生了海绵块，其不 能直接使用，而必须熔化以纯化并形成合金来生产固体金属板、棍、棒、铸 件或进一步处理成粉。尽管通过克罗尔工艺生产钛具有相当可观的设备容量， 但产出的钛的生产成本高于$4.00/lb。经克罗尔工艺的新容量是相当资本密集 的，远远超过$10/lb。由于克罗尔工艺已经商业化生产70年以上，在任何重 大程度上，资本或运转成本都不太可能降低，因此，经克罗尔工艺得到较低 成本的钛的可能性很低。

从钛矿石中提取钛的能量是从铝氧化物中提取铝能量的约10％以内。因 此，理论上应该有可能以接近铝的成本来生产钛。由于铝是电解产生，用电 力生产低成本钛也应该是有可能的。事实上，克罗尔预言了电解将取代金属 热(镁)还原来生产钛。然而，过去的70年已经有大量电解生产钛的调研。 起初，进料为四氯化钛(TiCl₄)，但TiCl₄表现出共价型键而不溶于熔融盐。 由于钛的负电性，它必须在没有可电离氢的介质中电解，这已导致熔融盐电 解质的出现。钛表现出多化合价，其在电解系统中引起歧化作用，导致非常 差的库仑或法拉第效率。在我们较早的序列号No.10/828,641的美国公开申 请中，我们描述了用钛氧化物作为进料来生产钛金属的电解工艺。根据以下 反应，该工艺将TiO₂碳热还原为较低氧化物，其在碳源作为阳极存在下，在 阴极上放出电积的低价钛离子，并在阴极释放CO和/或CO₂：

TiCO＝Ti+CO                    (2)

虽然该工艺能产生钛，且预计销售成本接近克罗尔工艺的1/2，但人们有一 种对传统克罗尔金属热工艺的倾向或亲密感，因为它已被应用超过50年。

人们已经做了试验以连续地操作克罗尔工艺。例如，参见Tetsushi N. Deura，et.Al，Metallurgical and Materials Transactions B，Vol.29B，Dec.1998， pgs.1167-1174；Ryosuke O.Suzuki，et.al.，Ibid，Vol.30B，June 1999， pgs.403-410，和Akic Friwa and Satoru Takays，JOM，Oct.2005，pgs.56-60。 这些现有技术的作者利用了含有至少一部分氯化镁(MgCl₂)的熔融盐，其 上漂有镁金属，将TiCl₄从底部引入，代替从顶部引入TiCl₄的典型克罗尔工 艺。该反应与克罗尔工艺相同(反应1)，目的是以这种方式构建该工艺以允 许连续操作，消除传统分批的克罗尔工艺。然而，单独地生产和处理有毒、 腐蚀性和湿度敏感的TiCl₄没有消除，产生镁还原剂的单独电化学厂也没有 消除。

发明内容