专利名称：使用电感应能的ivb族金属生产方法
技术领域：
本发明涉及IVB族金属如钛的生产方法，其中， 一项或多
项生产步骤使用了感应搅拌、加热或熔化能。
背景技术：
IVB族材料包括钛、锆和铪。制造纯的IVB族金属如金属钛 的方法包括Kmll法，这一方法由还原阶段、纯化阶段和均匀粒化阶段 构成。还原阶段中，将液态四氯化钛加到还原容器内的熔融镁中，四氯 化钛被还原成多孔的钛海绵，同时得到氯化镁副产物。该反应在惰性气 氛中发生。液态四氯化钛物料由钛矿石经碳化/氯化反应而得。将容器 内的氯化镁回收，剩下含未反应的镁和残余氯化镁等杂质的钛海绵。通 过Kroll法批量生产的不纯的钛海绵的产率较低。例如，整个还原过程 可能需要几天的时间才能得到几吨不纯的钛海绵。而且得到不纯的钛海 绵之后，必须在纯化阶段将杂质去除。该阶段，通常在还原容器内或者 将钛海绵从还原容器中刮出来后将钛海绵加热，使残余的镁和氯化镁蒸 发。最后，通常通过粉碎和搅拌得到Kroll法的终产品，即含有大小均 匀的钛海绵颗粒的中间形态的金属钛。这种钛海绵被用作物料，熔融成 钛锭，通常采用电弧或电子束熔融法熔炼而成。再将钛锭加工成钛管和 钛板等终产品。本发明的一个目的是增加将物料还原成海绵形态的IVB族 材料的产率，例如该物料是四氯化钛，该海绵形态的IVB族材料是钛 海绵。
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本发明的另一个目的是将生产纯的IVB族金属的还原阶段、 纯化阶段和熔融阶段整合到一个生产容器内。
发明内容
本发明的一个方面涉及在还原剂中还原IVB族金属物料， 同时通过电感应方式搅动还原剂，从而生产IVB族金属中间形态的装 置和方法。可以将得到的中间形态感应加热，除去该IVB族金属中间 形态中的一种或多种杂质。IVB族金属可以是钛、所用物料和还原剂分 别是四氯化钛和镁。本发明的另一个方面涉及生产IVB族金属的装置和方法。 将IVB族金属物料加到还原剂中，该还原剂装在外面缠绕一个或多个 感应线圈的电感应冷坩埚内。在物料被还原成IVB族金属中间形态的 过程中，往一个或多个感应线圈施加搅拌交流电；还原过程中，可能产 生一种或多种副产物。在还原成IVB族金属中间形态后，视情况可将 冷坩埚内剩余的IVB族金属中间形态进行电感应加热以去除其中的杂 质，得到纯的IVB族金属中间形态。将冷坩埚内的杂质清除出去，然 后可视情况通过电感应将纯的IVB族金属中间形态熔融，并从冷坩埚 中取出。还有一种方法是，可让熔融后的纯的IVB族金属中间形态在 冷坩埚内凝固，形成固体锭，然后从冷坩埚中取出。所述IVB族金属 可以是钛、所用物料和还原剂分别是四氯化钛和镁。下面在说明书和所附权利要求中对本发明的上述及其他方 面作进一步说明。
为阐述本发明之便，用附图表示了本发明的优选形式，但应 该理解，本发明不应限于图中所示的精确布局和手段。图1所示为本发明加工IVB族金属的一个实施例。
图2是本发明加工钛的一个实施例。
具体实施例方式在本发明的一个实施例中，使用一可密闭的反应容器，将 IVB族金属物料还原成IVB族金属中间形态。该容器至少部分由侧壁构 成，该侧壁由铜或不锈钢合金等材料制成，这类材料能允许外部磁场进 入该容器，这样该磁场就能与容器内反应浴液中的电感应组分耦联。将 该容器侧壁外部的至少一部分缠绕一个或多个感应线圈，再通过一个或 多个合适的交流电源向该线圈施加电流，就可以产生上述外部磁场。将 还原剂和IVB族金属物料一同引入容器，在惰性气氛中形成反应浴液。 在容器内IVB族金属中间形态形成的还原过程中，往缠绕在容器外的 一个或多个感应线圈中施加搅拌交流电以感应搅拌该浴液。还原过程中 容器内可能产生一种或多种副产物。可以从容器中取出IVB族金属中 间形态，或者可选地，在将容器中的一种或多种副产物去除后，往缠绕 在容器外部的一个或多个感应线圈施加合适的加热交流电，将该IVB 族金属中间形态感应加热到足以释放出其中的一种或多种副产物的温 度，例如使杂质蒸发，剩下纯的该IVB族金属中间形态，然后可以从 容器中取出供进一歩加工用。当该IVB族金属是钛时，本发明上述说明中提到的物料主 要是四氯化钛，还原剂是熔融的镁。感应搅拌容器中的熔融镁的同时， 往容器内用与Kroll法中还原阶段一样的方法(Kroll法中没有感应搅拌 的步骤)加入四氯化钛。还可以将容器内的熔融镁感应加热，或者可以 将容器内的固体镁感应加热。四氯化钛被还原成钛的中间形态，即钛海 绵，同时主要生成副产物氯化镁，可以将容器中的该副产物回收。感应 搅拌反应浴液，使钛海绵的重量增加，至少一部分原因是由于用此法所 得钛海绵比还原阶段不用感应搅拌方法所得钛海绵更均匀，更密集。本发明的另一实施例中，所述加工容器包括电感应冷埘埚 炉，如本文所述，该坩埚炉的操作做了改进。通常的冷坩埚感应炉包括带孔的炉壁和底座，它们形成用于电感应加热金属并使其熔化的容器。 该容器外部缠了一个或多个感应线圈，这样当交流电流过线圈时便产生 了磁场。磁场与容器内的金属耦联，将该金属感应加热并电磁搅拌。控 制磁场的参数可以有选择地得到加热和搅拌效果。所述坩埚的分块式炉 壁，某些设计结构中还包括底座，在冷却液流过这些炉壁块和底座(如 果底座需要冷却的话)后被冷却。在作为烙炉的操作过程中，靠近分块
式炉壁和底座处熔融金属冷冻后形成"渣壳"(skull)，将坩埚内熔融金 属与炉壁和底座分隔开。 一般的冷坩埚感应炉参见美国专利4,058,668。 本发明的方法可以在任何合适的冷坩埚感应炉内实施。参见图1，在本发明的一实施例中，将IVB族金属物料12 逐渐加到装在电感应冷坩埚炉卯内的还原剂14中。在坩埚内IVB族 金属中间形态16形成同时产生一种或多种副产物18的还原过程中，往 缠绕在冷坩埚外部的一个或多个感应线圈施加搅拌交流电，将物料12 和还原剂14形成的反应浴感应搅拌。优选地，但不限于，搅拌电流的 频率为l-100kHz。所施加的感应搅拌功率通常是低功率，这样IVB族 金属中间形态不会被熔化。感应搅拌模式取决于具体的应用实例。例如，在还原过程中， 可以直到开始往冷坩埚内加入还原剂之后再开始搅拌，或者可以以任何 频率间歇地搅拌。 一个或多个感应线圈的排布也会影响该搅拌程序。例 如，搅拌样式可以是(1)坩埚中央内部区域的流体向上运动和环绕坩 埚内壁的流体向下运动，或者(2)坩埚中央内部区域的流体向下运动 和环绕坩埚内壁的流体向上运动。可以将冷坩埚内的副产物18抽出，往缠绕在冷埘埚外部的 一个或多个感应线圈施加加热电流，将得到的中间形态16感应加热。 施加的感应加热功率通常是足以使中间形态16中的一种或多种杂质20 蒸发或以其他方法释放出来但不会使该中间形态16熔化的大小。从冷 坩埚中除去一种或多种杂质20后，纯的IVB族金属中间形态22被留 在坩埚内。
往缠绕在冷坩埚外部的一个或多个感应线圈施加熔融电流， 能将纯的IVB族金属中间形态22感应熔化。这一步骤中，冷坩埚充当
冷坩埚熔炉用，在该熔炉和坩埚内的IVB族金属熔融态24之间形成渣 壳。从冷坩埚中以适当的方式将IVB族金属熔融态24取出，例如从冷 坩埚中倒出，从冷坩埚底部排出，或者从冷坩埚中压填到一容器内。另 一种可供选择的方法是，可将坩埚内的IVB族金属熔融态24转变成IVB 族金属固化态26，然后作为固体锭从冷坩埚中取出。参照图2，对于上述冷坩埚加工方法，当要生产的IVB族金 属是钛时，所用物料是四氯化钛(TiCU) 32，在惰性气氛(如氩气)下， 将它逐渐加到冷坩埚内的还原剂镁(Mg) 34中。该冷坩埚本身可以是 密闭的，或者可以将其置于可密闭的容器内。在坩埚内钛中间形态即钛 海绵36形成同时产生氯化镁(MgCl2)副产物38的还原过程中，往缠 绕在冷坩埚外部的一个或多个感应线圈施加搅拌交流电，将四氯化钛和 镁形成的反应浴感应搅拌。可以用任何合适的方法将氯化镁从冷柑埚中 取出。例如，可以将用合适材料如陶瓷制成的排放管埋在液体反应浴中， 将还原过程的收获物氯化镁从冷坩埚中排放出。必要的话，还可以通过 电感方式将冷坩埚内的镁加热。该过程中产生的任何热量可由流过冷坩 埚分块式壁的流体介质带走。如上所述，特定的感应搅拌模式，包括搅 拌进行的时间段或多个时间段，将取决于特定的应用实例。在冷坩埚90中得到所需重量的钛海绵36后，可通过抽真空 方式将冷坩埚中的气体抽出。往一个或多个感应线圈中施加加热交流 电，可将钛海绵和杂质40 (主要是未反应的镁和残余的氯化镁)感应 加热。冷坩埚内的温度升高到足以使残余的镁和氯化镁蒸发，但不会使 钛海绵熔化。将施加于缠绕在坩埚外部的一个或多个感应线圈的功率增 加到合适的蒸发感应加热功率水平，可以进行加热，可以将冷坩埚中的 蒸发杂质回收，将纯的钛海绵42留在坩埚内。将施加的感应功率增加到合适的熔融感应功率水平，会使柑 埚内的钛海绵熔化。这一阶段，冷坩埚感应熔炉发挥传统的真空冷坩埚熔炉的作用，渣壳在坩埚的炉壁和底座之间形成，熔融钛含在渣壳内。 将熔融钛感应搅拌，促使可能残留在该熔融体中的任何其他杂质释放出 来。或者，在这一阶段，可以加入钛物料，例如前面冷坩埚熔融过程中 产生的固态渣壳钛，或合金供料进行熔化。通过熔化和搅拌阶段加以纯化和均质化后，可用任何合适的 方法将熔融钛44从冷坩埚90中取出。例如，可以从坩埚中将熔融钛倒 出，或者用底部排放管从坩埚中排出，或者往一容器内加压反重力填充， 例如，将一填充管的开口端埋在熔融钛内，给熔融钛表面施加一正压， 使熔融钛通过填充管排出并进入与该填充管相对端相连的容器内。另一
可供选择的方法是，可以让熔融钛在坩埚内转变成固体钛46，然后以
固体锭的形式从坩埚中回收。在本发明可选用的实施例中，可以在加入IVB族金属物料 和还原剂之前，将优选但不限于用加工出的IVB族金属制成的衬里插
入冷坩埚中。该衬里可用任何不会明显与本发明所述方法所用任何材料 发生反应的材料制成。可以将该衬里裁成适合衬在坩埚内壁和底座上的 形状。当使用衬里时，施加搅拌交流电和加热交流电的频率范围应在施 加搅拌或加热交流电的时间段内不会将该衬里熔化。衬里的构造，例如 厚度，应能允许搅拌和加热交流电通过该衬里但不会在衬里中产生显著
的涡流。IVB族金属中间形态在坩埚内的熔融步骤中，衬里与IVB族金 属中间形态一同被熔化。虽然在本发明上述实施例的不同步骤中都提到搅拌、加热和 熔融感应交流电，但是在这些步骤的一个或多个步骤中使用的感应交流 电还可以将本发明其它实施例中的搅拌、加热和熔融三项功能中的至少 两项组合在一起。本文中给出的本发明上述实施例仅仅是为了阐释之用，而绝 不能解释为对本发明的限制。虽然参照各种实施例对本发明进行了说 明，将是本文所用词句都只是说明和阐述性词句，而不是限制性词句。 虽然本文参照具体方法、材料和实施例对本发明进行了描述，但是本发
12明并非局限于本文公开的具体细节，相反，本发明延及所附权利要求的 范围内的所有功能等同的结构、方法和用途。所属领域的技术人员从本 说明书的教导中受益后，可以对本发明作出大量的改动，而且可以作出 改变但不会脱离本发明的范围。
权利要求
1.一种形成IVB族金属中间态海绵的方法，其包括以下步骤在外面缠绕了一个或多个感应线圈的反应容器内提供一惰性气氛；将还原剂置于所述反应容器内；将IVB族金属物料加到所述还原剂中；往所述一个或多个感应线圈中的至少一个线圈施加搅拌交流电以使所述还原剂和物料在所述反应容器内产生环流；以及所述IVB族金属物料被还原成所述IVB族金属的中间形态，同时产生一种或多种副产物。
2. 根据权利要求1所述的方法，其进一步包括以下步骤 从所述反应容器中取出所述一种或多种副产物， 去除所述反应容器中的惰性气氛，以及往所述一个或多个感应线圈中的至少一个线圈施加加热交流电以 去除所述IVB族金属中间形态中的一种或多种杂质。
3. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述IVB族金属物料是四 氯化钛，所述还原剂是镁，所述中间形态是钛海绵。
4. 一种形成IVB族金属的方法，其包括以下步骤 将还原剂置于外面缠绕了一个或多个感应线圈的电感应冷坩埚内； 将IVB族金属物料加到所述还原剂中；往所述一个或多个感应线圈中的至少一个线圈施加搅拌交流电以使所述还原剂和物料在所述电感应冷坩埚内产生环流；以及所述IVB族金属物料被还原成所述IVB族金属中间形态，同时产 生一种或多种副产物。
5. 根据权利要求4所述的方法，其进一步包括以下步骤 从所述电感应冷坩埚中取出所述一种或多种副产物，往所述一个或多个感应线圈中的至少一个线圈施加加热交流电以 感应加热所述IVB族金属中间形态，使该中间形态中的一种或多种杂质释放出来，从而生产出纯的IVB族金属中间形态。
6. 根据权利要求5所述的方法，其进一步包括以下步骤从所述电感应冷坩埚中去除所述一种或多种杂质，和 往所述一个或多个感应线圈中的至少一个线圈施加熔融交流电以感应熔化所述纯的IVB族金属中间形态，使该中间形态中的一种或多 种杂质释放出来，从而生产出熔融IVB族金属。
7. 根据权利要求6所述的方法，其进一步包括以下步骤在将还原剂置于所述电感应冷柑埚内和将所述IVB族金属物料加 到所述还原剂中的步骤之前，将衬里插到所述电感应冷坩埚内。
8. 根据权利要求6所述的方法，其进一步包括将所述熔融IVB族 金属从所述电感应冷坩埚内取出的步骤。
9. 根据权利要求8所述的方法，其中，将所述熔融IVB族金属取 出的步骤包括将所述冷坩埚倾斜，然后将所述熔融IVB族金属从该电 感应冷坩埚中倒出。
10. 根据权利要求8所述的方法，其中，将所述熔融IVB族金属 取出的步骤包括将所述熔融IVB族金属从所述电感应冷坩埚底部排放 出来。
11. 根据权利要求8所述的方法，其中，将所述熔融IVB族金属 取出的步骤包括向所述电感应冷坩埚内的熔融IVB族金属加压，依靠 反重力将该熔融IVB族金属压到一容器内。
12. 根据权利要求6所述的方法，其进一步包括在所述电感应冷柑 埚内使所述熔融IVB族金属凝固的步骤。
13. —种形成纯的金属钛的方法，其包括以下步骤在外面缠绕了一个或多个感应线圈的电感应冷坩埚内提供一惰性 气氛-，将镁置于所述电感应冷坩埚内；将四氯化钛加到所述镁中；往所述一个或多个感应线圈中的至少一个线圈施加搅拌交流电以使所述镁和四氯化钛在所述电感应冷坩埚内产生环流；以及所述四氯化钛被还原成钛海绵，同时产生一种或多种包括氯化镁的 副产物。
14. 根据权利要求13所述的方法，其进一步包括以下歩骤从所述电感应冷坩埚中取出所述一种或多种副产物，去除所述电感应冷坩埚中的惰性气氛，以及往所述一个或多个感应线圈中的至少一个线圈施加加热交流电以 使所述钛海绵中的一种或多种杂质释放出来，在所述电感应冷坩埚中形 成纯的钛海绵。
15. 根据权利要求14所述的方法，其进一步包括以下歩骤 从所述电感应冷坩埚中去除所述一种或多种杂质； 将所述电感应冷坩埚抽真空；以及往所述一个或多个感应线圈中的至少一个线圈施加熔融交流电以 感应熔化所述纯的钛海绵。
16. —种形成纯的金属钛的方法，其包括以下歩骤在外面缠绕了一个或多个感应线圈的电感应冷坩埚内提供一惰性气氛；将镁置于所述电感应冷柑埚内；将四氯化钛加到所述镁中；往所述一个或多个感应线圈中的至少一个线圈施加搅拌交流电以 使所述镁和四氯化钛在所述电感应冷坩埚内产生环流；所述四氯化钛被还原成钛海绵，同时产生一种或多种包括氯化镁的副产物；从所述电感应冷坩埚中取出所述一种或多种副产物； 去除所述电感应冷坩埚中的惰性气氛；往所述一个或多个感应线圈中的至少一个线圈施加加热交流电以 使所述钛海绵中的一种或多种杂质释放出来，在所述电感应冷坩埚中形 成纯的钛海绵；从所述电感应冷坩埚中去除所述一种或多种杂质；将所述电感应冷坩埚抽真空；以及往所述一个或多个感应线圈中的至少一个线圈施加熔融交流电以 感应熔化所述纯的钛海绵。
17. —种形成纯的金属钛的方法，其包括以下步骤将导电衬里插到具有一个或多个感应线圈的电感应冷柑埚内；在所述电感应冷坩埚内提供一惰性气氛；将镁置于所述电感应冷坩埚内；将四氯化钛加到所述镁中；往所述一个或多个感应线圈中的至少一个线圈施加搅拌交流电以 使所述镁和四氯化钛在所述电感应冷柑埚内产生环流；所述四氯化钛被还原成钛海绵，同时产生一种或多种包括氯化镁的 副产物；从所述电感应冷坩埚中取出所述一种或多种副产物；去除所述电感应冷坩埚中的惰性气氛；往所述一个或多个感应线圈中的至少一个线圈施加加热交流电以 使所述钛海绵中的一种或多种杂质释放出来，在所述衬里内形成纯的钛海绵；从所述电感应冷坩埚中去除所述一种或多种杂质； 将所述电感应冷坩埚抽真空；以及往所述一个或多个感应线圈中的至少一个线圈施加熔融交流电以 使所述衬里和所述纯的钛海绵感应熔化。
全文摘要
本发明涉及一种装置和方法，其中，将置于反应液浴中的IVB族金属物料还原生成IVB族金属的中间形态，如钛海绵，例如所述物料四氯化钛被熔融镁还原成钛海绵，还原过程中所述反应液浴被感应搅拌。在感应搅拌中发生的还原过程可以在含有或不含衬里的电感应冷坩埚内进行。所述IVB族金属中间形态的后续纯化和熔化过程可以继续在该电感应冷坩埚内进行，这样该冷坩埚可提供纯的IVB族金属。
文档编号C22B5/00GK101589161SQ200780050563
公开日2009年11月25日 申请日期2007年11月5日 优先权日2007年1月31日
发明者奥列格·S·菲什曼 申请人:应达公司