专利名称：连续生产金属钛或金属钛合金的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及有色冶金工艺，更特别涉及利用四氯化钛的金属
热还原反应连续生产金属钛和金属钛合金的方法和生产金属钛或其合 金的设备。
背景技术：
在生产金属钛的现有方法中，先用镁或钠还原四氯化钛，然 后在真空电弧炉中将海绵钛破碎和熔化成锭(在Kroll法基础上改动)。 不管任何版本的基于Kroll法的金属热还原技术工艺中，都是将纯化后 的四氯化钛加到密封反应炉中，反应炉中充满氩气，并且预先或在加入 四氯化钛的同时加入还原剂。工艺温度的上限受钢设备的耐热性限制， 温度下限由还原得到的氯化物的熔点决定。在四氯化钛被还原剂还原并 在真空下分离反应产物(通常在镁热工艺中使用)的工艺结束后，通过 钻孔或挤压将钛海绵从反应炉中分离出。然后粉碎钛海绵，熔化成锭 (丁nTaH. CBoficTBa， Cbip&eBaii 6a3a， 4)H3HKOxnMH:^:ecK:He ochobm h ciioco6m nonyneHHH. M.: MeTannypr叫1983. G339-342[Titanium. Properties, Source Of Raw materials, Physicochemical Fundamentals And Method of Obtaining Thereof. Moscow: Metallurgy, 1983， p. 339-342])。传统工艺中，钛海绵的烙 化一般在真空电弧炉中或在惰性气体中进行。但是，在真空环境下烙化 的主要优点在于一一真空下熔化时，金属熔池会沸腾，所以从金属钛中 除去挥发性杂质(氢气、湿气、还原剂、还原剂氯化物及其它杂质)的 速度要远远快于在惰性气压下熔化。而且获得的金属质量更优。 一种已 知的通过真空电弧炉熔化成钛金属锭的技术方案包括利用由压縮钛海绵制成的自耗电极进行第一次熔化工艺。电弧在液态金属熔池和自耗电 极之间燃烧，金属熔化后流入金属熔池。第二次熔化工艺在比第一次熔 化工艺用的直径更大的铸造模中进行。第二次熔化工艺使用的自耗电极 由第一次熔化工艺结束后得到的若干电极焊接而成(MeTannypma TirraHa. M.: MeTannypr叫1964. C 182-184 [Titanium Metallurgy. Moscow: Metallurgy, 1964， p. 182-184])。已知方法的主要缺点在于金属钛生产工艺要分几个阶段进 行，金属钛生产工艺耗时长，并且实施这些方法所用设备的生产率低。还有一种从含有还原金属的氯化物中置换金属的方法(1974 年12月11日公布的美国专利3,847,596， "Process of obtaining metals from metal halides" ， IPC C22B 5/00)，该方法主要是将还原金属的化合 物(如气态四氯化钛)和还原剂(如液态镁)通入真空预热反应炉中发 生放热反应。还原反应在所要生产的金属熔点以上的温度和不低于蒸发 的还原剂的氯化物(以下简称还原剂氯化物)的气体压力下进行。最初 形成的金属是固体形式。作为还原反应的结果，还原剂的氯化物在大气 压下被加热到蒸发温度，形成气态，直到气压(还原剂氯化物熔化后的 压力、钛熔化后的压力和导入反应炉的惰性气体的压力)达到与反应炉 内置换反应温度对应的压力。从这一刻起，只存在液态的还原剂氯化物。 随后在获得的回流压力和高于钛熔点的温度下发生置换反应。在该过程 中，钛产生后被熔化，所以反应炉内生产出的是液态钛。在液态钛表面 漂浮着一层液态的还原剂氯化物。在氩气或真空环境中通过冷的铜锭模 从反应炉中连续取出液态钛。这一方法的缺点是，生产出的金属钛中掺杂有大量由四氯化 钛和还原剂混合物产生的残余氯、金属镁、氯化镁，还有氢气和其他气 体。而且，反应炉材料的选择问题使这一方法的工业应用变得颇为复杂， 因为反应炉材料需要耐受钛熔点以上的温度。还有一种连续生产金属钛及其生产装置的方法(欧洲专利0 299 791， 21.10.1992， "Method for producing metallic titanium and
5apparatus therefor", IPC5 C22B 34/12)，作为最接近的类似方法，其利 用还原剂还原四氯化钛。这一方法具有以下特征在反应炉的反应区维
持温度和压力，其温度和压力分别高于钛的熔点和气态还原剂的压力； 往反应炉内加入四氯化钛和还原剂(如镁)，反应生成金属钛和副产物 _—还原剂氯化物，同时使金属钛和副产物维持熔融形式；根据密度不 同，分离金属钛和副产物一一还原剂氯化物；收集反应炉底部的金属钛， 从反应炉底部将金属钛连续压出。实现这一方法的设备包括反应炉， 反应炉中具有将所在区域温度限定在钛熔点以上并维持压力不变，以防 止还原剂(如镁)和其氯化物沸腾；从反应炉侧面或上部将液态还原剂 通入反应区的管道；从反应炉上部将四氯化钛通入反应区的管道；将副 产物一一还原剂氯化物从反应炉侧面排出的排放管；安装在反应炉外侧 与反应区齐平的加热部件；从反应炉底部连续压出金属钛的设备。这一方法的缺点是需要维持反应区的高压(约50个大气压) 以防止还原剂和其氯化物沸腾，而且还必须维持反应区的温度在钛熔点 以上，否则会引起反应炉爆炸和气体泄漏的相关问题，也就是说，金属 钛生产工艺存有安全隐患。而且，在反应炉中高压下生产金属钛会使反 应生成的金属钛掺杂有大量的由四氯化钛混合物和还原剂产生的残余 氯、金属镁、氯化镁、氢气和其他气体，继而导致生产出的金属钛质量 不高。
发明内容
本发明的技术目标旨在消除原有方法的不足，包括提高金 属钛生产工艺的安全水平，改善所得的金属钛的质量，以及，增加用于 连续生产金属钛和金属钛合金的设备的生产率。本发明的技术目标通过以下连续生产金属钛或金属钛合金 的方法实现，该方法包括在真空环境下用还原剂还原四氯化钛，同时 在直流电弧炉(反应炉)中将所得钛海绵熔化，该直流电弧炉中装配的 是钛或钛合金自耗电极，并根据需要掺入用于获得钛合金的其他化学元素。由于金属钛或其合金与还原剂氯化物之间密度不同，而且还原剂氯 化物会被定期排放到冷凝器中，从而使金属钛与还原剂氯化物分离。在真空环境下还原剂与四氯化钛发生还原反应，使金属钛生 产工艺的安全水平增加成为可能，而且四氯化钛被还原剂还原和在真空 电弧炉中将所得钛海绵熔化这两个工艺的组合不仅提高了获得的金属 钛的质量，而且使连续生产金属钛或金属钛合金的设备的生产率增加。
图1中显示了用于连续生产金属钛或金属钛合金的设备。
具体实施例方式图1所示设备包括
一电弧炉1，其壁2由耐高温材料(如铌或钽)制成，其外壳3 (如 不锈钢)能防止吸收氧气和其他气体，电弧炉中具有反应区4，用于将 温度设定在还原剂沸点以上，并维持真空环境以从反应区4中除去残余 的还原剂(如镁)及其氯化物；用于安装自耗电极6的导电固定架5; 在电弧炉l壁上用于往反应区4通入液态还原剂的孔7;在电弧炉l壁 上用于往反应区4通入四氯化钛的孔8;在电弧炉1壁上用于从反应区 4中除去沸腾的还原剂氯化物的孔9;安装在电弧炉1外部，与反应区4 齐平的加热部件10;用于在电弧炉1底部安装引锭杆12和形成金属钛 或金属钛合金的结晶器ll;
_收集电弧炉1中沸腾的还原剂氯化物的冷凝器13，它与真空泵 14和排放冷却的还原剂氯化物的管道15连接；
一安装在电弧炉1和冷凝器13上的结晶器11冷却系统16。连续生产金属钛或金属钛合金的方法包括结晶器11是一 个铸造模，位于电弧炉l (反应炉)底部，金属钛或金属钛合金的引锭 杆12被密封在冷结晶器11内，钛或钛合金制成的自耗电极6被密封在电弧炉1壁上的导电固定架5内，必要的话，电极内掺入其它化学元素 (如铝、硅、钼、铬、钒、锰、铁、镍、铋、银、铌、钽、釙、鸽、锆、 钴)并密封。将电弧炉l抽真空，同时加热部件IO (电感器或电阻炉) 将炉体加热到还原剂沸点以上的温度，之后停止加热。因为在四氯化钛 还原反应过程中会放热，所以不需要再加热。根据选用的真空电弧炉l
的电源供给(如引锭杆12上的"+ "，自耗电极6上的"-")提供电压。 结果，引锭杆12的上部被熔掉，在冷结晶器11中形成钛熔池。设定电
弧炉参数，以确保在钛或钛合金的整个生产工艺中维持冷结晶器11中
的钛熔池状态。接着，往电弧炉1的反应区4通入液态还原剂(如镁)。 在足以使还原剂蒸发的一定时间后或在通入还原剂的同时，按化学计量 比往电弧炉1的反应区4加入液态四氯化钛和还原剂。然后，电弧炉l 内发生钛还原反应，得到副产物一一还原剂氯化物，反应过程中有热量 放出。部分钛冷凝到自耗电极6 (阴极)上。还有部分钛流到冷结晶器 11中的熔池(阳极)内。电弧在熔化的钛或其合金浴和由钛或钛合金 制成的自耗电极6之间燃烧。金属熔化后流到熔池中。还原剂氯化物发 生沸腾。电弧炉的压力和温度固定不变后，说明钛还原反应完成。还原 反应一完成后，位于冷凝器13侧面，用于收集还原剂氯化物的真空泵 14开始工作。电弧炉1中的沸腾的还原剂氯化物被抽到冷凝器13中。 将还原剂氯化物抽出和将电弧炉1排空的过程一直持续到真空产生。之 后，再将均为液态的还原剂和四氯化钛通入电弧炉1反应区4内，重复 上述过程。金属钛或金属钛合金的生产过程是一个连续的过程。然后， 根据需要进行以下操作升高自耗电极6，将液态还原剂和四氯化钛通 入电弧炉反应区4，从电弧炉1中去除还原剂氯化物，取出在冷结晶器 11中的引锭杆12上形成的金属钛或其合金锭。
实施例在具有铌壁2的电弧炉1中熔化得到钛锭。电弧炉1的壁2 内径36mm，高450mm。将直径36mm的金属钛引锭杆12插入电弧炉 1中的冷结晶器ll内。将直径10mm的自耗钛电极6放入导电固定架5
8内。将电弧炉抽真空至lxlOmm—s汞柱之后，或者抽真空的同时用加热 部件IO将电弧炉1加热到1200°C，打开电弧炉1，产生钛熔池。自耗 电极每分钟往下滴落lmm。接着，往电弧炉1的反应区4通入50g液 态镁。然后，延迟2秒，再向电弧炉1的反应区4加入192g四氯化钛。 反应区内温度升至1500°C。当电弧炉1中温度和压力稳定后，开动真 空泵14，将沸腾的还原剂氯化物抽到冷凝器13中，将还原剂氯化物抽 出和抽空电弧炉1的操作持续到真空度达到lxlOmm—s汞柱为止。加入 50g液态镁后，延迟2秒，再往电弧炉1的反应区4中加入192g四氯 化钛。引锭杆12上形成金属钛锭。它以lmm/sec的速度增长。整个过 程持续1个半小时。1个半小时后得到的金属钛锭的重量为20kg。因此，本发明的生产金属钛和金属钛合金的方法和设备不仅 提高了所得金属钛的品质，而且增加了连续生产金属钛和金属钛合金工 艺的安全水平及生产率。
权利要求
1.一种通过四氯化钛的金属热还原反应连续生产金属钛和金属钛合金的方法，该方法包括以下步骤维持反应炉内反应区的温度，该温度在钛还原剂的沸点以上；往反应炉内提供四氯化钛和还原剂，使其反应生成金属钛或其合金和副产物——还原剂的氯化物，同时维持金属钛或其合金和副产物处于熔融状态；将金属钛或其合金和还原剂的氯化物分离；在反应炉底部收集金属钛或其合金，以及从反应炉底部连续压出金属钛或其合金；其特征在于，四氯化钛被还原剂还原的反应过程和所得钛海绵的熔化过程在电弧炉内真空环境下同时进行。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将还原剂的氯化物 从所述电弧炉的反应区抽到冷凝器中，从而将所得金属钛或其合金与还 原剂的氯化物分离。
3. 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在高于金属钛 还原剂的沸点但低于金属钛熔点的温度下进行四氯化钛还原反应。
4. 一种连续生产金属钛或金属钛合金的设备，其包括具有将温度维持在金属钛还原剂沸点以上的反应区的反应炉，位于 反应炉壁上、用来往反应区提供液态还原剂的孔，位于反应炉壁上、用 来往反应区提供四氯化钛的孔；位于反应炉壁上、用来从反应区中除去 还原剂的氯化物的孔；安装在与反应区齐平位置的加热部件；用于安装 引锭杆和形成金属钛的结晶器；结晶器的冷却系统，其特征在于，为了 使四氯化钛在真空环境下被还原剂还原，同时将钛海绵熔化并得到金属 钛或其合金，所述反应炉被制成电弧炉(1)，其与真空泵(14)连接， 装配有向其提供电压的自耗电极(6)，该电极用作阴极，位于冷结晶器 (11)内引锭杆(12)上部的钛或钛合金熔池充当阳极。
5. 根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述电弧炉(1)的 壁(2)由铌或钽制成。
6. 根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述电弧炉(1)的壁(2)包有用来防止吸收氧气和其他气体的外壳(3)。
7. 根据权利要求4-6之任一所述的设备，其特征在于，所述自耗电 极(6)由钛或钛合金制成。
8. 根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述自耗电极(6) 内掺有一种或多种下述其他化学元素铝、硅、钒、铬、锰、铁、钴、 镍、铜、锆、铌、钼、钌、钯、银、铪、钽、钨、铅、铋、补。
9. 根据权利要求4-8之任一所述的设备，其特征在于，配备冷却系 统(16)和排放冷的还原剂氯化物的管道(15)的冷凝器(13)通过收 集电弧炉(1)内还原剂氯化物的孔(9)与电弧炉(1)连接。
全文摘要
本发明涉及有色冶金工艺，更特别涉及利用四氯化钛的金属热还原反应连续生产金属钛和金属钛合金的方法和生产金属钛或其合金的设备。该方法的特征在于四氯化钛被还原剂还原和将所得钛海绵熔化的工艺在电弧炉内的真空环境下同时进行。该连续生产金属钛和金属钛合金的设备的特征在于在真空环境下用还原剂还原四氯化钛来完成四氯化钛的还原反应，同时将钛海绵熔化得到金属钛或其合金，反应炉用的是电弧炉(1)，它与真空泵(14)连接，装有自耗电极(6)，作为阴极，而位于冷结晶器(11)内引锭杆(12)上方的钛熔池或钛合金熔池充当阳极，然后向它们提供电压。
文档编号F27B3/08GK101517103SQ200780035533
公开日2009年8月26日 申请日期2007年5月22日 优先权日2006年9月25日
发明者埃尔温斯·布卢姆伯格斯 申请人:埃尔温斯·布卢姆伯格斯;波罗的海泰坦有限公司