通过还原金属卤化物生产金属组合物的方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术描述了通过气态金属卤化物与还原剂反应生产固态金属组合物的方法和装置。所述方法通常包括将气态金属卤化物与还原剂反应，有效形成非固态反应产物，金属卤化物具有式ＭＸ↓［ｉ］，其中Ｍ是选自元素周期表的过渡金属、铝、硅、硼及其组合的金属，Ｘ是卤原子，ｉ大于０，所述还原剂是选自氢气、释放氢气的化合物及其组合的气态还原剂；和使反应产物固体化，从而形成含有Ｍ而基本不含卤化物的金属组合物。在另一方面，提供了一种生产固态金属组合物的方法，其中通过与气态还原剂反应使金属低价卤化物还原形成非固态反应产物；然后使其固体化形成含有所述金属而基本不含卤化物、氧、氮和碳的金属组合物。还提供了一种生产金属固态组合物的装置，它包括具有式ＭＸ↓［ｉ］的金属卤化物来源；还原剂来源，所述还原剂是选自氢气、释放氢气的化合物及其组合的气态还原剂；与金属卤化物和还原剂来源相通的反应器，所述反应器提供让金属卤化物和还原剂之间有效进行气态反应形成非固态反应产物的条件；以及使反应产物固体化形成含有Ｍ而基本不含卤化物的金属组合物的装置。本发明专利技术可用来生产高纯度金属组合物，尤其是钛颗粒及其合金，用于粉末冶金应用。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及通过将气态金属卤化物与还原剂反应生产固态金属组合物的方法和装置。更具体说，本专利技术涉及采用这种方法和装置生产高纯度的金属组合物。本专利技术非常适合生产钛颗粒及其合金，用于粉末冶金应用。
技术介绍
过渡金属如钛在地壳中含量丰富，大量以氧化物(例如金红石-TiO2和钛铁矿-FeTiO3)的形式存在，具有高度有用的性质。具体说，钛是一种适合应用于需要比重低、即使在高温中相对强度和强度重量比高的材料用途的金属。例如，自从1950年代以来，钛金属就被用作结构材料，首先是在太空应用和国防应用中。后来，钛被用于化学应用中形成生物医学假体，并用于休闲和运动装置。此外，钛的耐腐蚀性通常很高，常常形成对氯化物和酸稳定的表面层。但通常认为钛就像其它过渡金属一样难以加工。从钛矿石中提取并还原钛很昂贵，又由于高熔点和氧化特性将其制成有用产品较为困难。此外，组成和/或显微结构得到精确控制的金属粉末一般需要采用粉末冶金技术如热等静压方法。对过渡金属如钛而言，已知的纯化和粉末制备技术相对昂贵，尤其当准备使该金属适合于先进的粉末冶金制造方法时。在1990年代早期以前，有两种商业性多步骤钛提取方法Kroll和Hunter方法。近年来，一般通过用熔融镁或钠金属在间隙式钢制蒸馏罐中还原四氯化钛来生产钛金属。当TiCl4(“钛氯(tickle)”)与镁或钠金属还原剂混合时，发生高放热反应，从而生产出粗中间体钛“海绵”。该海绵一般含有钛金属以及紧密混合的污染物和副产物，如氯化镁或氯化钠、低价氯化钛和还原剂中原先存在的杂质。然后精炼该海绵钛产生钛锭，用于制造用途。海绵精炼一般也要用昂贵的方法如采用真空电弧技术。曾经提出了许多钛生产方法，表1中列出了一些示例性方法。但这些方法通常都具有不同缺点。例如，需要化学还原钛化合物的生产方法一般包括形成含有高浓度杂质的中间化合物。纯化、分离、氧化以及与中间化合物相伴的其它问题可能带来技术和经济上的挑战。具体说，化学还原卤化钛形成的中间产物往往含有大量卤化物污染物。也可能形成杂质如氧化物、碳，以及某些情况下的氮化物。此外，等离子体热还原氯化钛法要利用加热到极端高温，因此非常耗能。由于昂贵，所有这些方法也不好。电化学方法也具有技术和经济上的缺点。虽然可将金属Ti沉积到电极上，一般必须用熔融盐体系进行这种沉积。这些电化学方法一般伴有高能耗成本，以及将沉积有金属Ti的电极取出并剥离的劳动力成本。这些成本代表了将电解Ti加工技术商业化的主要经济障碍。而且，熔融盐方法一般需要高电流密度，才能使工业产量高。然而高电流密度会促使树枝状晶体生长。结果是在这种熔融盐方法中必须解决技术问题如电力短缺、从熔融物分离和产物致密化等。在基于对TiO2进行电化学脱氧的正在开发的方法中，例如，采用一般含有CaCl2的熔融氯化物电解质来生产细Ti粉末，该钛粉混有剩余的钙盐物质。如果然后洗涤该粉末，就会形成明显量的表面氧化钛，后来必须去除。由于大部分现代钛粉的用途需要低于约300 ppm的氧含量，而除氧至此低含量困难而昂贵，所以进一步清除和纯化步骤的需要又导致费用明显增加。表1 *其中X是卤素如F、Cl、Br或I；e-表示电化学还原；i、j代表数值不同的下标。类似地，基于用碱金属或碱土金属如液态钠还原四氯化钛的方法，例如，根据Armstrong等在美国专利号6,409,797中的方法，也导致产生混有副产物如NaCl和过量反应物的细钛粉末。一般地，这些方法需要额外手段和方法步骤，例如，真空蒸馏和漂白的复杂系统，用以提供洁净的钛。也公开过利用流化床反应器的方法，其中用气态金属如Mg还原TiCl4。在Okudaira等的美国专利号4,877,445中，例如，用镁或钠蒸气作为还原剂还原蒸气形式的四氯化钛产生钛颗粒。然而，Okudaira等的方法需要注入还原剂蒸气并在高温中连续操作，以将例如MgCl2回复成可凝聚的蒸气。钛产物中至少也会出现一些蒸气还原剂中的杂质如Mg。此外，采用镁导致钛生产成本类似Kroll方法。当形成锭后，许多技术可用来生产几何结构复杂的部件。例如，可将锭熔化、浇入模具，冷却，然后从模具中取出。由于模具的成本较高，这种铸造方法通常不适合小量生产。此外，通过铸造工艺有时难以控制部件的显微结构。或者，可用切削加工技术选择性去除锭的一部分，以生产所需形状的部件。当然，锭的此去除部分就成为废料。虽然粉末冶金技术已经高度发展，可以快速形成复杂形状，但现在钛金属粉末相当昂贵。除了锭生产的成本外，粉末引起随后从精制锭生产均匀粉末的合金化步骤和雾化步骤伴随的成本增加。因此，本领域需要用于降低生产高纯度金属组合物，尤其是过渡金属如钛及其合金所需成本的方法。此外，需要通过提供替代的经济上有吸引力的方法用于直接形成高纯、干燥和洁净的金属颗粒，包括从金属卤化物直接生产金属合金来克服生产金属组合物已知方法(涉及生产卤化物污染的中间产物)伴随的问题。更具体说，非常需要提供直接生产钛和钛合金的方法，其中不需要用随后的加工步骤进一步洁净和纯化这种金属，通过采用廉价、丰富和洁净的还原剂大大降低成本。
技术实现思路
本专利技术的总目的是克服现有技术的上述缺点，提供通过还原一种或多种金属卤化物生产基本不含卤化物的固态金属组合物的改进的方法和装置。本专利技术的其它目的、优点和新特征将在下面的说明书中部分地描述，本领域技术人员在阅读了以下描述部分后可明显看出，或可在实施本专利技术期间通过常规实验能够了解。在一个实施方式中，提供了一种生产固态金属组合物的方法，该方法包括将气态金属卤化物与还原剂反应。该金属卤化物具有式MXi，M是金属，包括元素周期表的过渡金属、铝或硼，X是卤原子，i大于0。该还原剂一般但不必为气态，可包括，例如氢气、释放氢气的化合物及其组合。也可采用还原剂的组合，或金属M的组合。结果是，形成非固态反应产物，然后使其固体化形成含有M的金属组合物。反应产物优选基本不含卤化物。在另一实施方式中，由该方法形成的金属组合物基本不含卤化物、氧、氮和碳，它含有M和还原元素，并基本无卤化物、氧、氮和碳。在另一实施方式中，提供了生产固态金属组合物的方法，该方法包括使金属低价卤化物与气态还原剂发生反应，还原形成非固态反应产物；使该反应产物固体化，从而形成含有该金属而基本不含卤化物、氧、氮和碳的金属组合物。在另一实施方式中，使低价氯化钛如TiCl3还原形成非固态反应产物，然后使其固体化形成含Ti而基本不含卤化物、氧和碳的金属组合物。形成的金属组合物可以是Ti合金，或者主要由纯Ti组成，这取决于所用的还原剂和反应条件。合适的还原剂包括例如H2、释放氢气的化合物及其组合。在又一实施方式中，将卤化钛与H2反应，有效形成非固态反应产物。使反应产物固体化，形成含Ti而基本不含卤化物、氧、氮和碳的金属组合物。同时，该金属组合物主要由钛或钛合金组成。还提供了生产金属固态组合物的装置。该装置包括金属卤化物的来源和还原剂的来源，如上所述。用与金属卤化物和还原剂来源相连通的反应器提供在金属卤化物和还原剂之间有效进行气相反应形成非固态反应产物的条件。还包括使反应产物固体化形成金属组合物的装置。例如，该反应器可包括与金属卤化物来源流体相通的第一反应区，和在第一反应区下游的第二反应本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种生产固态金属组合物的方法，所述方法包括：（ａ）将气态金属卤化物与还原剂反应，有效形成非固态反应产物，其中金属卤化物具有式ＭＸ↓［ｉ］，Ｍ是选自元素周期表中的过渡金属、铝、硅、硼及其组合的金属，Ｘ是 卤素，ｉ大于０，和所述还原剂是气态还原剂，选自氢气、释放氢气的化合物及其组合；和（ｂ）使反应产物固体化，从而形成含有Ｍ而基本不含卤化物的金属组合物。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：A圣胡尔霍，E梯也尔，KH劳，DL希尔登布兰德，GN克里希南，E阿尔瓦雷兹，
申请(专利权)人：思研SRI国际顾问与咨询公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]