一种海绵钛的制备系统的制作方法

文档序号:15325622发布日期:2018-09-01 03:51阅读:207来源:国知局

本实用新型属于真空冶金技术领域,具体涉及一种海绵钛的制备系统。



背景技术:

我国有丰富的钛资源,储量居世界之首。目前,我国钛资源主要用来生产钛白粉,利用率仅30%左右。钛以及钛合金具有密度小、比强度高、耐腐蚀性优异以及无毒等优点,广泛应用于航空航天、化工、冶金、轻工、船舶、汽车、医药、建筑等工业。随着金属钛及钛合金潜在需求的增加,钛资源的高效利用越来越重要。

目前,金属钛生产的工业方法是Kroll法,生产过程中,含钛矿物(金红石、高钛渣等)通过氯化(竖炉氯化、熔盐氯化、沸腾氯化等)方式转化得到TiCl4,再使用镁热还原法将TiCl4转化为单质形态,然后通过真空蒸馏的方法分离反应过程中生成的氯化镁,得到海绵钛产品;氯化镁经电解得到金属镁返回镁热还原过程循环利用;Kroll法制备海绵钛工艺属于间歇式生产,未能实现生产的连续化,生产耗时长,全过程从TiO2的氯化开始到生产出海绵钛需要17d,且生产成本很高。



技术实现要素:

本实用新型针对现有技术的不足,提出了一种海绵钛的制备系统,通过原料气态接触反应的方式,解决了镁热还原法制备海绵钛耗时长、间断生产、效率低等问题,有效降低了海绵钛生产成本,降低了劳动强度。

为解决上述技术问题,本实用新型采取的技术方案为:

本实用新型提出了一种海绵钛的制备系统,包括:反应系统和燃烧系统,其中,所述反应系统包括:反应室、四氯化钛加热罐、金属镁加热罐、旋风分离器和冷却罐,其中,在所述反应室的下部侧壁上环布多个喷嘴,在所述反应室的底部设有分布器,所述分布器设有多个进气孔,所述四氯化钛加热罐与所述喷嘴相连,所述金属镁加热罐与所述分布器相连,向所述反应室内提供四氯化钛蒸汽和金属镁蒸汽;所述旋风分离器的入口与所述反应室的顶部出口相连,所述旋风分离器的底部出口通过下降管与所述反应室的侧壁入口相连,所述冷却罐的入口与所述旋风分离器的顶部出口相连,所述冷却罐的四氯化钛出口与所述四氯化钛加热罐相连;所述燃烧系统的多个辐射管设置于所述反应室内。

进一步的,还包括:引风机,所述引风机的入口与所述冷却罐的氩气出口相连,所述引风机的出口与所述金属镁加热罐相连,将氩气作为金属镁蒸汽的气体载体。

进一步的,还包括:真空蒸馏系统和真空系统,其中,所述真空蒸馏系统的入口与所述反应室的底部出口相连,所述真空蒸馏系统的金属镁出口与所述金属镁加热罐相连,所述真空蒸馏系统还包括:海绵钛出口和氯化镁出口;所述真空系统的入口与所述真空蒸馏系统相连,用于得到所述真空蒸馏系统的真空环境。

进一步的,所述燃烧系统还包括:蓄热室、换向阀、助燃风管道、燃气管道和烟气管道,其中,所述辐射管的两侧出口延伸至所述反应室的外部分别与所述蓄热室相连,所述换向阀与所述蓄热室相连,所述换向阀与所述助燃风管道和所述烟气管道切换连通,所述燃气管道与所述蓄热室或所述辐射管的烧嘴相连。

进一步的,所述喷嘴为雾化喷嘴,所述分布器呈多孔布置,所述四氯化钛蒸汽和金属镁蒸汽分别通过所述雾化喷嘴和分布器进入所述反应室内,加快反应速度。

进一步的,所述分布器的进气孔为方形或者圆形或者锥形,使金属镁蒸汽均匀分布于所述反应室内。

进一步的,还包括:出料装置,其分别与所述反应室的底部出口和所述真空蒸馏系统的入口相连,用于调整出料速度。

进一步的,所述旋风分离器分离出来的未反应的金属镁与反应得到的金属钛或中间产物TiCl3以及氯化镁从旋风分离器底部排出,通过所述下降管重新进入反应室中,进一步反应完全;所述四氯化钛加热罐与所述喷嘴相连的管路中设有控制阀,用于控制四氯化钛蒸汽进入所述反应室。

本实用新型的有益效果至少包括:

1)本实用新型采用流态化的反应方式,将原料四氯化钛和金属镁均以蒸汽的形式进入反应室中,在反应室中以“气-气”或“气-液滴”的方式接触后进行反应,有效提高了反应效率;

2)本实用新型采用流态化的反应方式,分散了反应中心,避免了反应剧烈放热造成局部高温,引起烧结生成钛坨、降低海绵钛的品质等问题;

3)本实用新型通过采用高温旋风分离器分离-下降管回炉再次反应的方法,有效提高了原料的反应程度,提高了海绵钛的收率;

4)本实用新型所采用的蓄热式燃烧系统能够取代现有电炉来进行真空镁热法制备金属钛,降低反应过程所消耗的能耗,进而降低真空碳热还原制备金属铝的成本,为工业化的可能性更进一步;

5)本实用新型采用蓄热式燃烧方式,通过辐射管加热反应室,隔绝烟气,有效保证反应室内为惰性气氛;同时,可通过调节各个辐射管的加热温度,灵活控制各反应区的温度,保证反应区温度在最有利于反应发生的温度区域内。

附图说明

图1为本实用新型制备系统结构示意图。

图2为本实用新型制备方法流程图。

图3为本实用新型喷嘴结构示意图。

图4为本实用新型分布器结构示意图。

图5为本实用新型燃烧系统的双蓄热式燃烧结构示意图。

其中,反应室1、喷嘴101、分布器102、进气孔1021、四氯化钛加热罐2、金属镁加热罐3、旋风分离器4、下降管401、冷却罐5、引风机6、真空蒸馏系统7、海绵钛出口701、氯化镁出口702、金属镁出口703、真空系统8、蓄热室9、换向阀10、助燃风管道11、燃气管道12、烟气管道13、辐射管14。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本实用新型的技术方案,下面将结合具体实施例对本实用新型作进一步的详细说明。下面描述的实施例是示例性的,仅用于解释本实用新型,而不能理解为对本实用新型的限制。实施例中未注明具体技术或条件的,按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。

根据本实用新型的实施例,图1为本实用新型制备系统结构示意图,参照图1所示,本实用新型所述海绵钛的制备系统包括:反应系统、燃烧系统、引风机、真空蒸馏系统和真空系统。

根据本实用新型的实施例,参照图1所示,本实用新型所述反应系统包括:反应室、四氯化钛加热罐、金属镁加热罐、旋风分离器和冷却罐。

根据本实用新型的一些实施例,图3为本实用新型喷嘴结构示意图,图4为本实用新型分布器结构示意图,参照图1、3和4所示,所述反应室为立式炉,在所述反应室的下部侧壁上环布多个喷嘴,所述喷嘴优选为雾化喷嘴;在所述反应室的底部设有分布器,所述分布器设有多个进气孔,所述分布器呈多孔布置,所述四氯化钛蒸汽和金属镁蒸汽分别通过所述雾化喷嘴和分布器进入所述反应室内,加快反应速度。

根据本实用新型的一些实施例,所述分布器的进气孔的具体形状不受限制,可以为圆形、方形或锥形,使金属镁蒸汽均匀分布于所述反应室内。

根据本实用新型的一些实施例,参照图1所示,所述四氯化钛加热罐经控制阀与所述喷嘴相连,通过所述控制阀控制四氯化钛蒸汽进入所述反应室;所述金属镁加热罐与所述分布器相连,向所述反应室内提供四氯化钛蒸汽和金属镁蒸汽进行反应;本实用新型采用流态化的反应方式,将原料四氯化钛和金属镁均以蒸汽的形式进入反应室中,在反应室中以“气-气”或“气-液滴”的方式接触后进行反应,有效提高了反应效率;同时分散了反应中心,避免了反应剧烈放热造成局部高温,引起烧结生成钛坨、降低海绵钛的品质等问题。

根据本实用新型的一些实施例,参照图1所示,所述旋风分离器的入口与所述反应室的顶部出口相连,所述旋风分离器的底部出口通过下降管与所述反应室的侧壁入口相连;所述旋风分离器分离出来的固化的金属镁与反应得到的金属钛或中间产物TiCl3等以及氯化镁从旋风分离器底部排出,通过所述下降管重新进入反应室中,进一步完全反应,本实用新型通过采用高温旋风分离器分离-下降管回炉再次反应的方法,有效提高了原料的反应程度,提高了海绵钛的收率。

根据本实用新型的一些实施例,本实用新型所述旋风分离器为高温旋风分离器,其温度控制为大于200℃。

根据本实用新型的一些实施例,参照图1所示,所述冷却罐的入口与所述旋风分离器的顶部出口相连,所述冷却罐的四氯化钛出口与所述四氯化钛加热罐相连;未反应的四氯化钛蒸汽和氩气进入冷凝罐,未反应的四氯化钛蒸汽冷凝为液体再次送入四氯化钛加热罐,氩气经引风机送入金属镁加热罐;实现了中间能源的循环利用。

根据本实用新型的实施例,图5为本实用新型燃烧系统的双蓄热式燃烧结构示意图,参照图5所示,本实用新型所述燃烧系统包括:辐射管、蓄热室、换向阀、助燃风管道、燃气管道和烟气管道,其中,多个所述辐射管在反应室内均匀布置,各个辐射管单独控制,可以通过调节辐射管的燃烧功率来控制反应室内的温度,使之处于反应温度的最佳区域750℃-900℃。

根据本实用新型的一些实施例,本实用新型所述燃烧系统为蓄热式燃烧系统,可以为单蓄热也可以为双蓄热,助燃风可以为空气、富氧空气,燃气可以为天然气、焦炉煤气、水煤气、热解煤气、石油液化气等。所述助燃风与燃气分别经蓄热室蓄热预热至500℃以上后,进入燃烧室进行燃烧,燃烧后产生1000-1200℃高温烟气,可使得反应室内温度达到750-900℃。若燃气为天然气、热解气、石油液化气等高热值燃料,采用单蓄热燃烧方式,即助燃风蓄热,燃气不蓄热;若燃气为焦炉煤气、水煤气等低热值煤气,则既可采用单蓄热燃烧方式,又可采用双蓄热燃烧方式,即助燃风与燃气均蓄热后参与燃烧。

根据本实用新型的一些实施例,所述辐射管的两侧出口延伸至所述反应室的外部分别与所述蓄热室相连,所述换向阀与所述蓄热室相连,所述换向阀与所述助燃风管道和所述烟气管道切换连通,当所述燃气管道与所述蓄热室相连时,所述常温燃气和常温空气分别经燃烧系统的蓄热室预热至500℃以上,一起通入燃烧系统的辐射管燃烧,即双蓄热燃烧方式,参照图5所示;当所述燃气管道与所述辐射管的烧嘴相连,所述常温空气经燃烧系统的蓄热室预热至500℃以上,与所述常温燃气一起通入燃烧系统的辐射管燃烧,即单蓄热燃烧方式(图中未示出)。

根据本实用新型的一些实施例,所述燃烧系统通过辐射管来提高反应室内温度,即燃气与助燃风在辐射管内燃烧,产生的高温烟气通过辐射、对流等方式加热反应室后,再经蓄热室回收热量后经换向阀至排烟管道。所述辐射管可以为U型、I型、W型等形式,每个辐射管布置一对烧嘴,交替进行燃烧、蓄热、预热、燃烧过程,保证持续、稳定加热反应室。

根据本实用新型的实施例,参照图1所示,所述引风机的入口与所述冷却罐的氩气出口相连,所述引风机的出口与所述金属镁加热罐相连,将氩气作为金属镁蒸汽的气体载体。

根据本实用新型的实施例,参照图1所示,所述真空蒸馏系统的入口与所述反应室的底部出口相连,所述真空蒸馏系统的金属镁出口与所述金属镁加热罐相连,所述真空蒸馏系统还包括:海绵钛出口和氯化镁出口;所述真空系统的入口与所述真空蒸馏系统相连,用于得到所述真空蒸馏系统的真空环境。

根据本实用新型的一些实施例,本实用新型所述真空蒸馏系统包括:真空蒸馏炉,通过金属钛、金属镁以及氯化镁蒸气分压的不同且差别很大,净化分离得到纯净的海绵钛,同时,也可将金属镁以及氯化镁分别收集:所述金属镁可以回送至金属镁加热罐中回用,所述回收得到的氯化镁可以进一步电解得到金属镁和氯气,这部分金属镁也可以回送至金属镁加热罐中回用,氯气可用于四氯化钛的生产或其他。

根据本实用新型的一些实施例,本实用新型所述制备系统还包括:出料装置,其分别与所述反应室的底部出口和所述真空蒸馏系统的入口相连,根据反应情况(出料口取样分析)适时调整出料速度,确保物料反应完全。

在本实用新型的另一方面,提出了一种利用前面所述的制备系统制备海绵钛的方法,图2为本实用新型制备方法流程图,参照图2所示,具体包括以下步骤。其中,为了更好地描述和理解本实用新型制备系统的工艺流程,本实用新型将所述一侧燃烧系统描述为A侧燃烧系统,将所述另一侧燃烧系统描述为B侧燃烧系统,具体描述如下。

(1)将四氯化钛和金属镁原料按比例(质量比为3-5:1)分别加入四氯化钛加热罐和金属镁加热罐中,连接好所述制备系统后,使用氩气置换整个制备系统,使整个制备系统处于氩气氛围,并开启真空系统,维持系统压力<10Pa。

(2)开启A侧燃烧系统:将常温燃气与常温空气通入燃烧室通过烧嘴燃烧,燃烧产生的高温烟气通过辐射、对流等传热方式提高所述反应室内的温度后,经B侧燃烧系统的蓄热室蓄热后,再经烟气管道排出。

(3)经过120s左右后,换向阀换向,开启B侧燃烧系统:将常温燃气与常温空气采用所述单蓄热燃烧方式或双蓄热燃烧方式,产生的高温烟气加热所述反应室后,经所述A侧燃烧系统的蓄热室蓄热后,经烟气管道排出。

更具体的,所述单蓄热燃烧方式:所述常温空气经B侧燃烧系统的蓄热室预热至500℃以上,与所述常温燃气一起通入B侧燃烧系统的辐射管燃烧;所述双蓄热燃烧方式:所述常温燃气和常温空气分别经B侧燃烧系统的蓄热室预热至500℃以上,再一起通入B侧燃烧系统的辐射管燃烧。

(4)所述A侧燃烧系统和B侧燃烧系统重复、交替进行燃烧、蓄热、预热、燃烧,高效利用高温烟气余热,使反应室内的温度达到750℃-900℃。

(5)将金属镁加热罐升温至1100℃以上,得到金属镁蒸汽,向所述金属镁加热罐中送入氩气,以氩气作为金属镁蒸汽的气体载体,与所述金属镁蒸汽混合均匀后,经所述分布器的多个进气孔从所述反应室的底部均匀进入所述反应室。

(6)将四氯化钛加热罐升温至138℃以上,得到四氯化钛蒸汽,开启控制阀,所述四氯化钛蒸汽经所述反应室下部环绕布置的喷嘴通入反应室与所述金属镁蒸汽进行还原反应,得到金属钛和氯化镁产物。

(7)反应初期和反应过程中,随氩气上升的所述金属钛和氯化镁产物与未反应的四氯化钛蒸汽和金属镁蒸汽进入旋风分离器分离,控制旋风分离器的温度为>200℃,此时,金属镁蒸汽固化为金属镁颗粒,未反应的金属镁颗粒与随氩气上升的所述金属钛和氯化镁产物从旋风分离器的底部经下降管重新送入反应室,进一步参与反应,所述未反应的四氯化钛蒸汽和氩气进入冷凝罐,在所述冷凝罐中,未反应的四氯化钛蒸汽冷凝为液体,与氩气分离,四氯化钛液体再次送入四氯化钛加热罐,氩气经引风机送入金属镁加热罐,进行循环利用。

(8)所述反应室底部设有出料装置,适时调整出料速度,确保物料反应完全。从反应室底部出来的物料进入真空蒸馏系统,根据相同温度下金属镁、氯化镁、金属钛的蒸气分压不同(例:1173K时,Mg的蒸气压为1.1×104,MgCl2的蒸气压为9.5×102,Ti的蒸气压为9.8×10-6),可以分别蒸馏得到纯净的氯化镁、金属镁以及海绵钛。所得氯化镁经过电解可以得到金属镁和氯气,氯气可用于制备四氯化钛,金属镁可与蒸馏得到的金属镁一起返回至金属镁加热罐,重复利用。所得金属钛为海绵钛,含量≥99%,布氏硬度<200。

实施例:

(1)将四氯化钛和金属镁原料按质量比为3:1分别加入四氯化钛加热罐和金属镁加热罐中,连接好所述制备系统后,使用氩气置换整个制备系统,使整个制备系统处于氩气氛围,并开启真空系统,维持系统压力<10Pa。

(2)投入燃烧系统,使用天然气作为燃料,采用单蓄热式燃烧方式,开启A侧燃烧系统:将常温天然气与常温空气通入燃烧室通过烧嘴燃烧,燃烧产生的高温烟气通过辐射、对流等传热方式提高所述反应室内的温度后,经B侧燃烧系统的蓄热室蓄热后,再经烟气管道排出。

(3)经过120s后,换向阀换向,开启B侧燃烧系统:将所述常温空气经B侧燃烧系统的蓄热室预热至500℃以上,与所述常温天然气一起通入B侧燃烧系统的辐射管燃烧,产生的高温烟气加热所述反应室后,经所述A侧燃烧系统的蓄热室蓄热后,经烟气管道排出。

(4)所述A侧燃烧系统和B侧燃烧系统重复、交替进行燃烧、蓄热、预热、燃烧,高效利用高温烟气余热,使反应室内的温度达到780℃。

(5)将金属镁加热罐升温至1100℃以上,得到金属镁蒸汽,向所述金属镁加热罐中送入氩气,以氩气作为金属镁蒸汽的气体载体,与所述金属镁蒸汽混合均匀后,经所述分布器的多个进气孔从所述反应室的底部均匀进入所述反应室。

(6)将四氯化钛加热罐升温至138℃以上,得到四氯化钛蒸汽,开启控制阀,所述四氯化钛蒸汽经所述反应室下部环绕布置的喷嘴通入反应室与所述金属镁蒸汽进行还原反应,得到金属钛和氯化镁产物。

(7)反应初期和反应过程中,随氩气上升的所述金属钛和氯化镁产物与未反应的四氯化钛蒸汽和金属镁蒸汽进入旋风分离器分离,控制旋风分离器的温度为>200℃,此时,金属镁蒸汽固化为金属镁颗粒,未反应的金属镁颗粒与随氩气上升的所述金属钛和氯化镁产物从旋风分离器的底部经下降管重新送入反应室,进一步参与反应,所述未反应的四氯化钛蒸汽和氩气进入冷凝罐,在所述冷凝罐中,未反应的四氯化钛蒸汽冷凝为液体,与氩气分离,四氯化钛液体再次送入四氯化钛加热罐,氩气经引风机送入金属镁加热罐,进行循环利用。

(8)所述反应室底部设有出料装置,适时调整出料速度,确保物料反应完全。从反应室底部出来的物料进入真空蒸馏系统,根据相同温度下金属镁、氯化镁、金属钛的蒸气分压不同(例:1173K时,Mg的蒸气压为1.1×104,MgCl2的蒸气压为9.5×102,Ti的蒸气压为9.8×10-6),可以分别蒸馏得到纯净的氯化镁、金属镁以及海绵钛。所得氯化镁经过电解可以得到金属镁和氯气,氯气可用于制备四氯化钛,金属镁可与蒸馏得到的金属镁一起返回至金属镁加热罐,重复利用。所得金属钛为海绵钛,含量≥99%,布氏硬度<200。

发明人发现,根据本实用新型所述的海绵钛的制备系统,采用流态化的反应方式,将原料四氯化钛和金属镁均以蒸汽的形式进入反应室中,在反应室中以“气-气”或“气-液滴”的方式接触后进行反应,有效提高了反应效率,分散了反应中心,避免了反应剧烈放热造成局部高温,引起烧结生成钛坨、降低海绵钛的品质等问题;并且本实用新型通过采用高温旋风分离器分离-下降管回炉再次反应的方法,有效提高了原料的反应程度,提高了海绵钛的收率;同时,本实用新型所采用的蓄热式燃烧系统能够取代现有电炉来进行真空镁热法制备金属钛,降低反应过程所消耗的能耗,进而降低真空碳热还原制备金属铝的成本,为工业化的可能性更进一步;此外,本实用新型采用蓄热式燃烧方式,通过辐射管加热反应室,隔绝烟气,有效保证反应室内为惰性气氛;同时,可通过调节各个辐射管的加热温度,灵活控制各反应区的温度,保证反应区温度在最有利于反应发生的温度区域内。

在本实用新型中,除非另有明确的规定和限定,术语“相连”、“连接”等术语应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或成一体;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型的描述中,需要理解的是,术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本实用新型和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、 或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外,在不相互矛盾的情况下,本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例,可以理解的是,上述实施例是示例性的,不能理解为对本实用新型的限制,本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型,同时,对于本领域的一般技术人员,依据本申请的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。

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