[01239867]一种镁热还原TiO2制备金属钛粉的方法

①课题来源与背景 钛是一种高熔点稀有金属,因其比强度高、高低温性能好、耐蚀性强、生物亲和力好等优点而被广泛应用于航天航空、石油化工、生物医学等领域。钛元素在地壳中含量极为丰富,但实际上钛资源的90%以上都用于生产钛白粉,而金属钛则始终未能得到大规模应用,这主要是由于钛在高温下性质活泼,提炼困难所致,因而钛至今仍被列为稀有金属。 Kroll法是一种镁热还原TiCl4制备金属钛的方法,自其1937年问世以来便成为世界范围内最主要的钛生产方法,但其存在工艺繁琐、能耗大、成本高、环境污染严重等缺陷因而限制了钛的广泛应用。为了开发一种新的能够代替Kroll法的工艺,国内外冶金学者先后提出了FFC法、OS法、EMR法、PRP法、SOM法、USTB法等TiO2直接电解/还原制备金属钛的工艺,但始终都存在着电解效率低、过程不稳定等一些难以克服的技术难题而未能实现工业化。镁热还原TiO2成本相对较低,而且钛和镁不生成中间合金,MgO渣分离简单,因此是一种极具前景的钛生产方法,但最终产品中氧含量较高（2%以上）,因此直接镁热还原也难以得到氧含量合格的产品。 ②技术原理及性能指标 镁热还原TiO2过程剧烈放热引起的温度升高将导致还原过程的热力学条件难以满足,这是TiO2镁热还原法所得产品氧含量高的根本原因,因此,有效抑制反应温度是钛氧化物充分还原的关键。同时,镁热还原金属氧化物为典型的非等温非平衡过程,反应一经引发最快可在数秒内完成,如此短暂的时间必将导致扩散与传质的不彻底,从而使反应难以完全进行,这是TiO2镁热还原法所得产品氧含量高的另一原因。本项目通过在TiO2镁热还原过程中添加稀释剂可以有效抑制反应温度,强化传质过程,从而创造出充分的热力学及动力学条件。具体针对这一过程的热力学展开计算并研究稀释剂对反应温度的影响规律,以明确稀释剂对还原过程的温度抑制效应;探索还原产物成分与结构特征的影响因素及内在机制,建立还原过程的反应模型;研究还原产物的酸洗过程及动力学,得到低氧钛粉。综合上述方面的研究,实现钛氧化物的充分还原,建立镁热还原TiO2制备低氧钛粉的新方法,最终需要达到的性能指标为还原钛粉中氧含量低于0.5%。 ③技术的创造性与先进性 与传统TiO2镁热还原法相比,本项目的创造性与先进性在于添加稀释剂以解决传统方法产品氧含量高的问题,具体表现在：（1）添加稀释剂可以有效抑制反应温度,使反应在非自蔓延的固-固或液-固条件下进行,从而解决传统镁热法中温度过高导致的热力学条件不满足的问题。（2）添加稀释剂后可以实现反应过程的可控进行,低熔点稀释剂的熔化能够强化反应的传质过程,从而有利于解决镁热还原过程非等温非平衡条件下扩散与传质进行不彻底的问题,以此获得充分的动力学条件,进一步促进TiO2的顺利还原。 ④技术的成熟程度,适用范围和安全性 本技术成熟程度较高,经过大量重复实验以及公斤级放大实验,所得的还原钛粉氧含量均控制在0.5%以下。目前已经获授权专利1项,发表SCI论文1篇,下一步将开展半工业化实验。本技术工艺流程简单,设备要求不高,环境友好,所采用的原料为工业级钛白粉,来源易得,因此本技术适用范围广,易于普及。本技术直接以TiO2为原料,避免了Kroll法的氯化过程,对环境无毒害,而且反应过程受熔盐保护,在较低温度和较温和反应条件下进行,因此安全性高。 ⑤应用情况及存在的问题 本技术目前虽已取得了一定的成果,实现了实验室阶段的TiO2充分镁热还原,但尚未进行工业化放大试验。预期在放大生产过程中可能存在还原剂、稀释剂和原料局部接触不充分而导致产品质量不均匀的问题。该问题可以通过在还原过程中进行搅拌器搅拌,回转窑混匀等方式加以解决。