多級(jí)深度還原法直接制備鈦粉
發(fā)布時(shí)間：2022-01-20 00:54
針對(duì)傳統(tǒng)鈣、鎂等金屬熱還原TiO2制備金屬鈦粉過程存在的效率低、脫氧不徹底的技術(shù)瓶頸,基于TiO2分步還原的熱力學(xué)平衡特點(diǎn),結(jié)合鎂鈣電負(fù)性差異,提出了多級(jí)深度還原法直接制備鈦單質(zhì)的工藝:即TiO2先鎂熱自蔓延一次還原得到一次還原產(chǎn)物,然后將一次還原產(chǎn)物進(jìn)行鈣熱深度還原制備還原鈦粉。采用對(duì)比研究法,考察了TiO2鎂熱還原和鈣熱還原的熱力學(xué)及動(dòng)力學(xué)差異;考察了鎂熱一次還原過程中TiO2機(jī)制與還原程度,以及一次還原產(chǎn)物不同深度還原模式下脫氧機(jī)制。結(jié)果表明:一次還原產(chǎn)物先酸浸預(yù)除雜,然后進(jìn)行鈣熱深度還原更利于徹底脫氧,最終制備出氧含量?jī)H為0.21%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）,純度>99.0%可以商用的鈦粉。
【文章來源】：稀有金屬材料與工程. 2020,49(03)北大核心EISCICSCD
【文章頁(yè)數(shù)】：4 頁(yè)
【部分圖文】：
Mg/Ca-TiO2體系熱力學(xué)圖
圖1 Mg/Ca-TiO2體系熱力學(xué)圖在Mg-TiO2體系中，按TiO2+2Mg=Ti+2MgO計(jì)算反應(yīng)的絕熱溫度為Tad=2065.92 K；根據(jù)文獻(xiàn)[16]的報(bào)道為2068 K。因此，Mg-TiO2體系的自蔓延反應(yīng)均可發(fā)生[17,18]。
根據(jù)圖3中反應(yīng)物相分析可知，Ti O2原料與鎂粉混合引發(fā)自蔓延反應(yīng)后得到的產(chǎn)物為Ti2O及Ti O0.716等低價(jià)鈦氧化物相。這與圖1中計(jì)算的Ti O2脫氧的限制性環(huán)節(jié)為Ti O→Ti的過程的結(jié)果相一致。經(jīng)稀鹽酸多次浸出后，產(chǎn)物中仍有0.6%的Mg存在，此時(shí)鎂以Mg Ti O3等復(fù)合氧化物雜質(zhì)的形式存在，其與鹽酸反應(yīng)活性差，難以通過鹽酸浸出去除，同時(shí)由于含量低在XRD衍射峰中沒有發(fā)現(xiàn)MgTiO3相。而自蔓延產(chǎn)物加鈣進(jìn)行深度還原，產(chǎn)物中只有Ti的衍射峰，其產(chǎn)物氧含量為0.21%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)，說明Ca可以有效脫除低價(jià)鈦氧化物中的氧，得到低氧還原鈦粉，同時(shí)產(chǎn)物中Mg含量（0.064%）也大幅度降低，說明MgTiO3也得到了充分的反應(yīng)，這與圖1、圖2的熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果相一致。說明通過選擇性調(diào)節(jié)體系化學(xué)勢(shì)，充分利用不同活潑金屬氧化物的化學(xué)能，可以利用Ti O2為原料直接制備低氧鈦粉。根據(jù)圖4中各產(chǎn)物的微觀形貌可知，原料TiO2是直徑200～300 nm圓形小顆粒。Mg-TiO2體系自蔓延的浸出相貌為塊狀顆粒形成的骨架（圖4b），產(chǎn)物為低價(jià)鈦氧化物（圖4d中A、B的EDS成分分析見表1）。骨架中有大量規(guī)則的多邊形和圓形孔洞這是MgO副產(chǎn)物在低價(jià)鈦氧化物顆粒間生成并通過浸出去除留下的[19,20]。單個(gè)低價(jià)鈦氧化物尺寸在200～400 nm，這與原料TiO2的大小相對(duì)應(yīng)。根據(jù)圖4e、4f的EDS分析可知，C、D為氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0%～0.34%的Ti(表1)。深度還原產(chǎn)物為卵圓狀顆粒及其燒結(jié)體組成的骨架顆粒，可以看出鈦粉產(chǎn)物相比較自蔓延產(chǎn)物微觀形貌的孔隙率下降，同時(shí)顆粒更粗大，說明深度還原過程中發(fā)生一定燒結(jié)。
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]真空鈣熱還原二氧化鈦制備鈦粉的研究[J]. 賈金剛,徐寶強(qiáng),徐敏,楊斌,熊恒. 鋼鐵釩鈦. 2013(02)
[2]鈣熱還原二氧化鈦的鈦粉制備及其中間產(chǎn)物CaTiO3的成因[J]. 萬(wàn)賀利,徐寶強(qiáng),戴永年,楊斌,劉大春. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào). 2012(07)
[3]鈣熱還原法制備鈦粉過程的研究[J]. 萬(wàn)賀利,徐寶強(qiáng),戴永年,楊斌,劉大春. 功能材料. 2012(06)
[4]自蔓延冶金法制備TiB2微粉的生長(zhǎng)機(jī)理研究[J]. 張廷安,豆志河. 無機(jī)材料學(xué)報(bào). 2006(03)
[5]自蔓延高溫合成法在陶瓷領(lǐng)域的應(yīng)用[J]. 蔡杰. 世界科學(xué). 1996(07)
本文編號(hào)：3597880
【文章來源】：稀有金屬材料與工程. 2020,49(03)北大核心EISCICSCD
【文章頁(yè)數(shù)】：4 頁(yè)
【部分圖文】：
Mg/Ca-TiO2體系熱力學(xué)圖
圖1 Mg/Ca-TiO2體系熱力學(xué)圖在Mg-TiO2體系中，按TiO2+2Mg=Ti+2MgO計(jì)算反應(yīng)的絕熱溫度為Tad=2065.92 K；根據(jù)文獻(xiàn)[16]的報(bào)道為2068 K。因此，Mg-TiO2體系的自蔓延反應(yīng)均可發(fā)生[17,18]。
根據(jù)圖3中反應(yīng)物相分析可知，Ti O2原料與鎂粉混合引發(fā)自蔓延反應(yīng)后得到的產(chǎn)物為Ti2O及Ti O0.716等低價(jià)鈦氧化物相。這與圖1中計(jì)算的Ti O2脫氧的限制性環(huán)節(jié)為Ti O→Ti的過程的結(jié)果相一致。經(jīng)稀鹽酸多次浸出后，產(chǎn)物中仍有0.6%的Mg存在，此時(shí)鎂以Mg Ti O3等復(fù)合氧化物雜質(zhì)的形式存在，其與鹽酸反應(yīng)活性差，難以通過鹽酸浸出去除，同時(shí)由于含量低在XRD衍射峰中沒有發(fā)現(xiàn)MgTiO3相。而自蔓延產(chǎn)物加鈣進(jìn)行深度還原，產(chǎn)物中只有Ti的衍射峰，其產(chǎn)物氧含量為0.21%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)，說明Ca可以有效脫除低價(jià)鈦氧化物中的氧，得到低氧還原鈦粉，同時(shí)產(chǎn)物中Mg含量（0.064%）也大幅度降低，說明MgTiO3也得到了充分的反應(yīng)，這與圖1、圖2的熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果相一致。說明通過選擇性調(diào)節(jié)體系化學(xué)勢(shì)，充分利用不同活潑金屬氧化物的化學(xué)能，可以利用Ti O2為原料直接制備低氧鈦粉。根據(jù)圖4中各產(chǎn)物的微觀形貌可知，原料TiO2是直徑200～300 nm圓形小顆粒。Mg-TiO2體系自蔓延的浸出相貌為塊狀顆粒形成的骨架（圖4b），產(chǎn)物為低價(jià)鈦氧化物（圖4d中A、B的EDS成分分析見表1）。骨架中有大量規(guī)則的多邊形和圓形孔洞這是MgO副產(chǎn)物在低價(jià)鈦氧化物顆粒間生成并通過浸出去除留下的[19,20]。單個(gè)低價(jià)鈦氧化物尺寸在200～400 nm，這與原料TiO2的大小相對(duì)應(yīng)。根據(jù)圖4e、4f的EDS分析可知，C、D為氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0%～0.34%的Ti(表1)。深度還原產(chǎn)物為卵圓狀顆粒及其燒結(jié)體組成的骨架顆粒，可以看出鈦粉產(chǎn)物相比較自蔓延產(chǎn)物微觀形貌的孔隙率下降，同時(shí)顆粒更粗大，說明深度還原過程中發(fā)生一定燒結(jié)。
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]真空鈣熱還原二氧化鈦制備鈦粉的研究[J]. 賈金剛,徐寶強(qiáng),徐敏,楊斌,熊恒. 鋼鐵釩鈦. 2013(02)
[2]鈣熱還原二氧化鈦的鈦粉制備及其中間產(chǎn)物CaTiO3的成因[J]. 萬(wàn)賀利,徐寶強(qiáng),戴永年,楊斌,劉大春. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào). 2012(07)
[3]鈣熱還原法制備鈦粉過程的研究[J]. 萬(wàn)賀利,徐寶強(qiáng),戴永年,楊斌,劉大春. 功能材料. 2012(06)
[4]自蔓延冶金法制備TiB2微粉的生長(zhǎng)機(jī)理研究[J]. 張廷安,豆志河. 無機(jī)材料學(xué)報(bào). 2006(03)
[5]自蔓延高溫合成法在陶瓷領(lǐng)域的應(yīng)用[J]. 蔡杰. 世界科學(xué). 1996(07)
本文編號(hào)：3597880
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