多段式氢化脱氢炉及低氧含量钛粉的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于钛粉的氢化脱氢工艺生产领域，涉及多段式氢化脱氢炉及低氧含量钛粉的制备方法。
【背景技术】
[0002]钛粉的制备方法主要有氢化脱氢法、等离子旋转电极法、气体雾化法等，其中氢化脱氢法具有对原料的要求较低、生产成本低并且易于实现规模化生产等特点，已成为国内外生产钛粉的主要方法。氢化脱氢法以海绵钛为原料生产钛粉，主要包括进料-抽真空-升温活化-吸氢-降温-转运-磨削-二次转运-抽真空-脱氢等工艺环节。现有技术中，与氢化脱氢法配合使用的氢化脱氢炉包括加热炉、以及位于加热炉中用于放置海绵钛或氢化钛的反应器，所述反应器是一段式的反应器，为两端封闭的筒体，筒体一端的端部设有物料进出口，物料进出口处设有密封盖，在靠近密封盖的筒体上设有用于连接氢源的氢源接口和真空栗的抽真空接口，使用时，将氢源和真空栗与反应器连通，除密封盖、氢源接口和抽真空接口之外，反应器的其他部分均位于加热炉的炉膛中。
[0003]氢化脱氢法的工艺较为冗长，各个环节都可能向中间产物或终产品中引入不需要的氧杂质，其中，在对原料海绵钛进行活化操作时，将全部的原料海绵钛装入氢化脱氢炉的反应器中并置于加热炉的炉膛中，在氢气氛围下加热至400?500°C并在该温度保温活化
0.5?2h。由于氧在海绵钛中的固溶扩散速度和海绵钛的氧化会随着温度的升高而急剧增加，现有方法将全部的海绵钛在400?500°C的高温条下进行长时间活化，不可避免地会造成氢源和气路中的氧杂质在海绵钛中大量富集，加重海绵钛被氧杂质污染的程度，导致最终得到的产品钛粉的氧含量过高。加之原料海绵钛本身受氧污染、海绵钛高温氢化时的氧污染、磨削过程受氧污染等原因，现有氢化脱氢法制备的钛粉的氧含量通常高于0.3wt%。
[0004]由于钛粉是粉末冶金烧结制备钛合金的重要原料，而钛合金的力学性能随着氧含量的增加而显著下降，且粉末冶金烧结制品的氧含量普遍高于原始粉末基体，因而以现有氢化脱氢法生产的钛粉为原料烧结制得的产品存在着力学性能较差的问题，这严重限制了氢化脱氢法生产的钛粉在粉末成型领域的应用。因此，若能基于低成本的氢化脱氢工艺开发出低氧含量钛粉的制备方法及配套的氢化脱氢炉，对拓展氢化脱氢钛粉在粉末成型领域的应用将产生重要的意义。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种多段式氢化脱氢炉及低氧含量钛粉的制备方法，以降低氢化脱氢工艺制备的钛粉的氧含量，提高氢化脱氢工艺制备的钛粉的品质。
[0006]本发明提供的多段式氢化脱氢炉，包括卧式放置的加热炉和反应器，储气罐、冷却装置和移动式支架，
[0007]所述反应器为两端封闭的筒体，由加热部段、中间部段和冷却部段依次衔接而成，加热部段的长度L1:中间部段的长度L2:冷却部段的长度L3 = (l?2):(4?4.5):(4?4.5)，冷却部段的端部设有物料进出口，物料进出口处设有密封盖，所述密封盖或筒体上设有气体进出口，所述筒体上还设有吊钩;所述冷却装置上设有第一热电偶，所述加热炉上设有第二热电偶，所述储气罐上设有压力表、配置了第一阀门的反应器接头、配置了第二阀门的抽真空接头、配置了第三阀门的氢源接头；
[0008]反应器安装在移动式支架上，反应器的加热部段位于加热炉的炉膛中，冷却装置安装在反应器的冷却部段，储气罐的反应器接头通过管件与反应器的气体进出口连通。
[0009]上述多段式氢化脱氢炉中，所述冷却装置为水冷装置或者风冷装置;所述水冷装置为水冷套，套装在反应器的冷却部段;所述风冷装置由风机和散热片组成，散热片套装在反应器的冷却部段。
[0010]本发明提供的低氧含量钛粉的制备方法，该方法使用上述多段式氢化脱氢炉，并配备了真空栗和储有高纯氢气的储罐，将真空栗和储有高纯氢气的储罐通过管件分别与多段式氢化脱氢炉的储气罐的抽真空接头和氢源接头连通，步骤如下:
[0011]①装料、抽真空除杂
[0012]将海绵钛分别置于反应器的加热部段和冷却部段中，冷却部段与加热部段中的海绵钛的质量比为(3?5):1，关闭密封盖和第一阀门至第三阀门，然后启动真空栗并打开第一阀门和第二阀门，抽真空使反应器和储气罐中的压强保持在100?500Pa，将加热炉的炉膛温度升至400?450°C并保持该温度，同时开启冷却装置使反应器冷却部段的温度保持在室温，当加热炉炉膛的温度在400?450°C保持10?15min后，关闭第一阀门和第二阀门以及真空栗；
[0013]②活化加热部段的海绵钛
[0014]继续运行加热炉和冷却装置使加热炉炉膛和反应器冷却部段的温度分别保持在400?450°C和室温，打开第三阀门，向储气罐中通氢气至1?2MPa后关闭第三阀门，然后打开第一阀门使储气罐中的氢气进入反应器中，该过程中储气罐中的压强会下降直到达到平衡，待储气罐中的压强在平衡后再次下降时，反应器加热部段中的海绵钛已完成活化，将反应器的加热部段从加热炉中取出并关闭冷却装置；
[0015]③诱导冷却部段的海绵钛活化并进行氢化反应
[0016]将反应器立式放置使加热部段向下，使反应器冷却部段中的海绵钛落入加热部段与已活化的海绵钛接触，然后将反应器卧式放置并将反应器的加热部段放入加热炉中，继续运行加热炉使加热炉的炉膛温度保持在400?450°C，关闭第一阀门，然后打开第三阀门，向储气罐中通氢气至1?2MPa后关闭第三阀门并打开第一阀门，步骤②中已活化的海绵钛进行氢化反应并释放出热量，释放出的热量诱导从冷却部段落入加热部段的海绵钛活化并进行氢化反应，待储气罐上的压力表的示数不变后关闭第一阀门；重复前述通入氢气和氢化反应的操作直到海绵钛完成氢化反应，得到氢化钛，然后关闭加热炉和第一阀门，将反应器加热部段的温度降至室温；
[0017]④粉碎和脱氢
[0018]将氢化钛从反应器中取出，粉碎后置于反应器的加热部段中，关闭反应器的密封盖，开启真空栗并打开第一阀门和第二阀门，抽真空使反应器和储气罐中的压强保持在100?500Pa，然后将加热炉的炉膛温度升至600?650°C进行氢化钛的脱氢反应，脱氢反应完成后，关闭加热炉、第一阀门、第二阀门及真空栗，即得氧含量不超过0.1#%的钛粉。
[0019]上述方法中，所述海绵钛为0级海绵钛，即符合GB/T 2524-2010《海绵钛》标准的0级海绵钛。
[0020]上述方法的步骤④中，氢化钛的粉碎程度根据实际应用需求进行确定，通常将氢化钛粉碎至2 50μηι以下。
[0021]上述方法的步骤④中，在脱氢反应完成后，关闭加热炉、第二阀门及真空栗，将反应器加热部段的温度降至室温后取出所得钛粉，在氩气氛围下研磨、筛分，具体的研磨和筛分条件根据实际应用中对钛粉粒度的需求进行确定，通常可根据YS/T 654—2007《钛粉》标准中的粒度要求进行研磨和筛分。
[0022]上述方法中，所述高纯氢气是指纯度等于或高于99.999%的氢气。
[0023]上述方法的步骤③中，海绵钛的氢化反应是否完成的判断方法为:使第二阀门、第三阀门处于关闭状态，第一阀门处于打开状态，待气储气罐上的压力表的示数高压大气压且不再变化时，海绵钛的氢化反应完成。
[0024]上述方法的步骤④中，氢化钛的脱氢反应是否完成的判断方法为:使第二阀门和第三阀门处于关闭状态，第一阀门处于打开状态，待储气罐上的压力表的示数不再变化时，氢化钛的脱氢反应完成。
[0025]本发明所述方法之所以能有效降低钛粉中的氧含量，主要原因是将部分海绵钛的吸氢过程与另一部分海绵钛的活化过程同时进行，利用已活化的海绵钛吸氢放出的热量诱导为未活化的海绵钛快速活化并吸氢，有效降低海绵钛在活化阶段的增氧量，具体如下:该方法采用本发明所述氢化脱氢炉，将原料海绵钛分为两部分，将第一部分置于反应器的加热部段中、第二部分置于反应器的冷却部段中，同时运行加热炉和冷却装置，仅对加热部段中的海绵钛进行活化处理，使冷却部段的温度保持在室温，由于在室温条件下氧在海绵钛中的固溶扩散和海绵钛的氧化都非常慢，因而该操作可避免第二部分海绵钛因长时间加热而被氧杂质污染，当第一部分海绵钛完成活化后，将反应器立式放置使第二部海绵钛落入加热部段中与已活化的海绵钛接触，然后对反应器加热使已活化的海绵钛吸氢，海绵钛吸氢会放出大量的热量，这部分热量能诱导部分未活化的海绵钛快速活化、吸氢并放出热量，放出的热量继续诱导其他未活化的海绵钛快速活化并吸氢，如此逐级诱导能使全部的海绵钛实现快速活化，由于第一部分海绵钛仅占海绵钛总质量的1/6?1/4，即大部分的海绵钛是被诱导快速活化的，因而大大减少了第二部分海绵钛的活化处理时间，有效降低了第二部分海绵钛活化阶段的增氧量，制备得到低氧含量的高品质钛粉。
[0026]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果:
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