钛提纯装置及使用方法
【专利摘要】本发明公开了一种钛提纯装置，包括提纯包、高压高温惰性气体装置、加热装置和排气管道，提纯包为封闭罐体结构，其内设有坩埚，坩埚与提纯包之间填充有保温材料，该保温材料中埋设有冷却装置；高压高温惰性气体装置出口穿设提纯包底部、保温材料与坩埚底部连通，坩埚底部设有伸出提纯包的出液管；加热装置包括中部加热器，中部加热器上端固定在提纯包顶部上，下端设在坩埚的空腔内；排气管道设在提纯包顶部上。本发明通过底部吹预热的惰性气体对钛液有搅拌作用，不断地让表面钛液和内部钛液发生质量交换，使液态钛中的杂质上升到液面上，去除易挥发杂质。
【专利说明】
钛提纯装置及使用方法
技术领域
[0001]本发明涉及金属提出设备技术领域，尤其是一种钛提纯装置，及其使用方法。
【背景技术】
[0002]钛由于难于提炼，制备过程是非常困难的，其冶炼过程一般都在800°C以上的高温下进行，而钛在高温下化合能力极强，可以与氧、碳、氮以及其他许多元素化合，因此必须在真空中或在惰性气氛保护下操作。实验室中把钛铁矿变成四氯化钛，再放到密封的不锈钢罐中，充以氩气，使它们与金属镁反应，就得到“海绵钛”。这种多孔的“海绵钛”是不能直接使用的，必须把它们在电炉中熔化成液体，铸成钛锭。但制造这种电炉又谈何容易！除了电炉的空气必须抽干净外，更伤脑筋的是，简直找不到盛装液态钛的坩祸，因为一般耐火材料含有氧化物，而其中的氧就会被液态钛夺走。
[0003]工业上常用硫酸分解钛铁矿的方法制取二氧化钛，再由二氧化钛制取金属钛。海绵钛经过粉碎、放入真空电弧炉里熔炼，最后制成各种钛材。金属热还原法生产出的海绵状金属钛，纯度％(质量)一般为99.1?99.7。杂质元素％(质量)总量为0.3?0.9，杂质元素氧％(质量)为0.06?0.20，硬度(HB)为100?157，根据纯度的不同分为WHT1至MHTi4五个等级，为制取工业钛合金的主要原料。
[0004]也可通过反应:Ti+2l2=Til4
得到TiI4经过高温(1250°C左右)情况下分解:
TiI4=Ti+2I2由此得到纯钛棒。
[0005]目前主要是使用一种“水冷铜坩祸”的电炉。目前工业上采用钛铸件熔炼浇铸设备有三种:真空自耗电弧凝壳炉、真空非自耗凝壳炉和电子束凝壳炉，其共同特点都是采用“凝壳坩祸”，即使用强制水冷的铜坩祸或者石墨坩祸。熔炼时钛在坩祸壁上形成一个薄薄的凝固壳体，保护钛在熔融状态下不受污染，从而获得足够浇铸件用的“纯净”液态钛。这种电炉只有中央一部分区域很热，其余部分都是冷的，钛在电炉中熔化后，流到用水冷却的铜坩祸壁上，马上凝成钛锭。用这种方法已经能够生产几吨重的钛块，但它的成本太高，周期长，生产效率低、能耗高。
【发明内容】
[0006]本发明针对现有技术的不足，提出一种钛提纯装置，结构巧妙，使用方便。
[0007]为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案:一种钛提纯装置，包括提纯包、高压高温惰性气体装置、加热装置和排气管道，提纯包为封闭罐体结构，其内设有坩祸，坩祸与提纯包之间填充有保温材料，该保温材料中埋设有冷却装置;高压高温惰性气体装置出口穿设提纯包底部、保温材料与坩祸底部连通，坩祸底部设有伸出提纯包的出液管;加热装置包括中部加热器，中部加热器上端固定在提纯包顶部上，下端设在坩祸的空腔内；排气管道设在提纯包顶部上。
[0008]进一步地，中部加热器由加热器和保护罩构成，加热器设在保护罩内，保护罩上端固定在提纯包顶部，下端设在坩祸的空腔内。
[0009]进一步地，加热装置还包括顶部加热器，该顶部加热器固定在保护罩的中上部。
[0010]进一步地，高压高温惰性气体装置由高压惰性气体罐、管道加热器和保温层构成，高压惰性气体罐经管道与坩祸连通，管道加热器设在管道外周，保温层包覆在管道上。
[0011 ]进一步地，坩祸为钨坩祸、钼坩祸或者石墨坩祸。
[0012]进一步地，保护罩为石墨材质，外表面为碳化钛层。
[0013]进一步地，加热器为硅钼棒加热器或石墨加热器。
[0014]进一步地，管道加热器为硅钼加热器、铁丝加热器或石墨加热器。
[0015]进一步地，坩祸为石墨坩祸，其内表面层为碳化钛层或碳氮化钛层。
[0016]—种如上所述钛提纯装置的使用方法，包括以下步骤:
(I)、真空处理提纯包:对提纯包进行抽真空只1Pa以下，同时通入惰性气体，使得提纯包中处于惰性气体气氛中；
⑵、将熔融的液态钛在隔绝空气下导入提纯包的坩祸内；
(3)、在提纯包底部持续通入1000 0C-1600 0C的惰性气体，流量为0.5?5 1/min，气体压力为0.5?IMPa，同时启动顶部加热器和中部加热器，控制坩祸内上表层液态钛温度为1750?1900°C，内层液态钛温度为1700?1900°C ;持续I?8h;
⑷、控制中部加热器，缓慢降温液态钛至1700°C，同时启动冷却装置，使得液态钛由坩祸四周向中心定向凝固；部分杂质含量高的未凝固液态钛经出液管排出。
[0017]与现有技术相比，本发明具有以下优点:
I)通过底部吹预热的惰性气体对钛液有搅拌作用，不断地让表面钛液和内部钛液发生质量交换，使液态钛中的杂质上升到液面上，去除易挥发杂质。
[0018]2)本发明提纯钛工艺简单，成本低；整个提纯过程无酸碱反应，无废气排除，环保。
[0019]3)克服了在工业生产上实现低纯和高纯难分离状况，本发明低纯度钛在液态时实现和高纯固态钛分离，解决了高低纯度不容易分开问题。
[0020]4)提纯过程中，固/液面上杂质含量最高，底部吹惰性气体，使固液面上杂质快速扩散到液态中，减少了杂质对高纯固态钛的扩散。
[0021 ] 5)对99%钛提纯效果，经提纯后纯度可达到99.9?99.997%。
[0022]6)石墨和钛接触地方进行了碳化钛处理，解决了选择坩祸难的问题。
[0023]7)实现了对吹入提纯包底部的惰性气体预热，避免了因气体降低液态钛的温度。
[0024]8)整个提纯流程中实现真空或者惰性气体气氛下进行，防止和空气接触出现氧化和氮化，为在提纯过程中减少氧和氮打下基础。
[0025]9)实现了液态钛在动态情况下进行了定向凝固。
[0026]10)传统工艺只是在液态钛表面加热，本发明实现了在液态钛内部实行加热。
【附图说明】
[0027]图1为本发明钛提纯装置的结构示意图；
图2为本发明钛提纯装置的使用状态图。
【具体实施方式】
[0028]下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。
[0029]如图1和2所示，一种钛提纯装置，包括提纯包6、高压高温惰性气体装置、加热装置和排气管道I，提纯包6为封闭罐体结构，其内设有坩祸4，坩祸4与提纯包6之间填充有保温材料3，该保温材料3中埋设有冷却装置2;高压高温惰性气体装置出口穿设提纯包6底部、保温材料3与坩祸4底部连通，坩祸4底部设有伸出提纯包的出液管7;加热装置包括中部加热器，中部加热器上端固定在提纯包6顶部上，下端设在坩祸4的空腔内；排气管道I设在提纯包6顶部上。
[0030]排气管道I经顶部耐高温顶盖通向外部，依靠氩气充入管道10吹入氩气，氩气携带易挥发杂质及气体排到提纯包外边，起到提纯作用。
[0031]冷却装置2位置在保温材料3中间，通过水冷却，根据水流量大小带走的热量，来控制液态钛凝固速度，从四周向中心定向凝固。
[0032]保温材料3紧挨着坩祸4外表面，由三氧化二铝保温材料、石墨毡和高温棉等组合成，防止顶部加热器和中部加热器的热量流失太快，控制液态钛的温度。
[0033]坩祸4为高熔点的钨坩祸、钼坩祸或者石墨坩祸，用于盛放液态钛5，此坩祸为圆形或者四方形，本专利以圆形为例，图示以圆形。
[0034]熔融钛或液态钛5，置于坩祸4内，经真空中频炉、真空电泳炉或者其它真空炉加热熔化成的液态钛5。
[0035]提纯包6为圆形或者四方形，本专利以圆形为例，图示以圆形。
[0036]出液管7经四周和底部定向凝固达到提纯作用后剩余含杂质量高的液态钛经此管倒出。
[0037]耐高温材料8由三氧化二铝和软碳毡等材料组成，防止高温氩气热量损失。
[0038]管道加热器9加热氩气管道，间接升温氩气，其温度控制在1000°C?1600°C。
[0039]氩气吹入管道10，此管通过提纯包底部，通过提纯包内保温材料3，达到坩祸底部，坩祸底部经海绵状耐高温材料吹入到液态钛5中。经此管道吹入氩气，对液态钛5起到搅拌作用，同时携带易挥发杂质及气体排到提纯包外边，起到提纯作用，另外提纯设备完全在惰性气体保护下，防止和空气接触，保温材料和钛被氧化和氮化。
[0040]高压氩气罐11控制氩气的流量和压力。
[0041]顶部加热器12固定于顶部耐高温顶盖上，始终保持顶部处于高温液态钛，保证氩气从底部通过液态钛能够从顶部排出。
[0042]固定于顶部耐高温顶盖上，中部加热器加热，保证中部始终处于液态状态，氩气通道完全顺畅，同时控制液态钛温度，和冷却系统配合，控制其四周向中心定向凝固速度，已达到提纯效果。
[0043]保护罩14，由于中部加热器13不能够和液态钛直接接触，对加热器其保护作用。
[0044]高纯凝固固态钛15，根据不同杂质在液态钛中的分凝系数和分凝原理，在四周向中心定向凝固过程中，部分杂质被排除到中心的液态钛中，得到的固态钛纯度相对较高。
[0045]低纯液态钛16，定向凝固后，剩余杂质含量较高的熔融钛。
[0046]本发明钛提纯装置的原料，是经真空中频炉、真空电泳炉或者其它真空炉加热熔化纯度为99%的粉状钛、海绵钛或者其它形式固体钛;在加热熔化过程中可在真空状态或者惰性气体保护下进行，熔化温度控制在1700?1900 0C。
[0047]炉内坩祸4采用高熔点的钨坩祸、钼坩祸或者石墨坩祸等。采用石墨坩祸首先进行钛直接在石墨坩祸中熔化，坩祸壁形成碳化钛保护层，需要熔化后保持I?4小时后倒出液态钛。在坩祸壁形成的碳化钛，熔点为3150°C，密度4.91 g/cm3。TiC具有良好的传热性能和导电性能，随着温度升高其导电性降低，这说明TiC具有金属性质。虽然有碳和钛固溶现象，只可能会增加坩祸四周和坩祸底部厚度。石墨导热率高，钛液表面流经的表面会很快形成一个凝固的钛壳，阻止了石墨和钛之间的互溶现象。
[0048]或者在石墨坩祸内壁喷钛粉，在氮气环境下I?4小时，形成氮化钛。25°C时密度为5.21 g/cm3。它的硬度很高，莫氏硬度为9，显微硬度为2.12 GPa，熔点为2930°C JiN具有很好的导电性能，20°C时电导率为8.7 ys/m。随着温度的升高，它的导电性降低，表现为金属性质。钛的氮化物很多，如TiN、TiN2、Ti2N、Ti3N、Ti4N、Ti3N4、Ti3N5、Ti5N6等，但其中比较重要的为TiN JiN在T1-N体系中形成固溶体，它在TiN0.37?TiNu组成范围内稳定。它们相互能形成一系列连续固溶体。和C反应，易形成性质稳定的Ti(C，N)化合物，形成一层保护膜，减少钛中C的含量。
[0049]中频炉中熔融状态钛转移到提纯包6前须对提纯包6进行抽真空达到10Pa以下时，然后通入氩气再抽真空，如此反复清洗，使整个提纯包系统处于洁净状态，减少对液态钛的污染。在液态钛转移到提纯包6之前，提纯包6系统处于惰性气体正压气氛中。
[0050]惰性气体可为氩气、氦气和氖气等；中部加热器13可为硅钼棒加热器和石墨加热器;氩气管道加热器9可用硅钼加热器、铁丝加热器和石墨加热器。
[0051]本发明惰性气体采用氩气为例，中部加热器13采用硅钼棒加热器，氩气管道加热器9采用石墨加热器为例进行提纯工艺说明。顶部加热器12采用石墨加热器，控制在1750?1900°C范围内，保证液态钛5表面是液态状况，从底部吹入的惰性气体能够在液态钛上表面溢出，经氩气出气管I顺利排出。中部硅钼棒加热器13防止接触到液态钛，需石墨保护罩14进行保护。石墨保护罩14表面同样需要进行碳化钛处理。中部硅钼棒加热器13控制在1700?1900°C范围内，保证坩祸中部始终处于液态钛5状态，氩气从底部到液态钛5上表面通道顺利。
[0052]为保证高温固态钛、液态钛与空气隔离，在整个钛提纯过程需要氩气气氛保护。整个过程主要包括:中频炉钛熔化、坩祸中液态钛、中频炉转移到提纯包、提纯工艺和最后剩余液态钛倒出等，都在氩气气氛中完成。氩气纯度为>99.99(4N)，在炉内熔化成液态钛中氩气流量5?30 1/min，压力为0.3?0.5 MPa。在中频炉转移到提纯包和最后剩余液态钛倒出过程中氩气流量为30?100 1/min，压力为0.3?0.5 MPa。提纯包提纯过程中吹入坩祸底部，氩气管道加热器9加热氩气温度范围:1000°C?1600°C，氩气流量0.5?5 Ι/min，气体压力为0.5?I MPa0
[0053]提纯过程中，控制中部加热器13的温度，从1900°C逐步降温，最终温度降到17000C。逐步增加提纯包冷却装置2水压力和流量，水压范围为0.2?0.6 MPa，水流量范围30?75 m3/h。最终使液态钛从四周往中心定向凝固，如图2所示。由于定向凝固原因，杂质元素被排除到液态钛16中，高纯凝固固态钛纯度远远高于液态钛16。因提纯工艺完成后剩余部分液态钛16，其杂质含量极高，为防止其凝固成固态影响到已凝固的高纯固态15，使高纯钛15和含杂质量极高的低纯钛16极易分离，需要把含杂质量高的低纯液态钛16在凝固之前倒出提纯包。为防止其倒出过程中发生燃烧现象，低纯液态钛16经流出管17转移到氩气保护气氛容器中，实现了高纯钛和低纯钛的分离。
[0054]因固体高纯钛15外表面会有碳化钛等物质，内表面杂质含量相对较高，同时需要去除头尾。因固态钛塑性好和强度低，提纯包是具有对称性，产出固态钛15也具有对称性，在车床上直接切削外表面和内表面，留出好的固态钛。或者沿着竖向中心线将整个固态钛15锯成两个部分，将两个对称性固态钛挤压成方型，对表面进行切削去除。
[0055]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种钛提纯装置，其特征在于:包括提纯包、高压高温惰性气体装置、加热装置和排气管道，提纯包为封闭罐体结构，其内设有坩祸，坩祸与提纯包之间填充有保温材料，该保温材料中埋设有冷却装置;高压高温惰性气体装置出口穿设提纯包底部、保温材料与坩祸底部连通，坩祸底部设有伸出提纯包的出液管;加热装置包括中部加热器，中部加热器上端固定在提纯包顶部上，下端设在坩祸的空腔内；排气管道设在提纯包顶部上。2.如权利要求1所述钛提纯装置，其特征在于:中部加热器由加热器和保护罩构成，加热器设在保护罩内，保护罩上端固定在提纯包顶部，下端设在坩祸的空腔内。3.如权利要求2所述钛提纯装置，其特征在于:加热装置还包括顶部加热器，该顶部加热器固定在保护罩的中上部。4.如权利要求1所述钛提纯装置，其特征在于:高压高温惰性气体装置由高压惰性气体罐、管道加热器和保温层构成，高压惰性气体罐经管道与坩祸连通，管道加热器设在管道外周，保温层包覆在管道上。5.如权利要求1所述钛提纯装置，其特征在于:坩祸为钨坩祸、钼坩祸或者石墨坩祸。6.如权利要求2所述钛提纯装置，其特征在于:保护罩为石墨材质，外表面为碳化钛层。7.如权利要求2所述钛提纯装置，其特征在于:加热器为硅钼棒加热器或石墨加热器。8.如权利要求4所述钛提纯装置，其特征在于:管道加热器为硅钼加热器、铁丝加热器或石墨加热器。9.如权利要求5所述钛提纯装置，其特征在于:坩祸为石墨坩祸，其内表面层为碳化钛层或碳氮化钛层。10.—种如权利要求1所述钛提纯装置的使用方法，包括以下步骤: (I)、真空处理提纯包:对提纯包进行抽真空只1Pa以下，同时通入惰性气体，使得提纯包中处于惰性气体气氛中； ⑵、将熔融的液态钛在隔绝空气下导入提纯包的坩祸内； (3)、在提纯包底部持续通入1000 °01600°C的惰性气体，流量为0.5?5 1/min，气体压力为0.5?IMPa，同时启动顶部加热器和中部加热器，控制坩祸内上表层液态钛温度为1750?1900°C，内层液态钛温度为1700?1900°C ;持续I?8h; ⑷、控制中部加热器，缓慢降温液态钛至1700°C，同时启动冷却装置，使得液态钛由坩祸四周向中心定向凝固；部分杂质含量高的未凝固液态钛经出液管排出。
【文档编号】C22B9/04GK105838907SQ201610342840
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年5月23日
【发明人】高文秀, 赵百通
【申请人】宜兴市昱元能源装备技术开发有限公司