本實(shí)用新型屬于鈦合金制造技術(shù)領(lǐng)域，具體來(lái)說(shuō)涉及一種用于鋁粉還原四氯化鈦連續(xù)制取三氯化鈦的反應(yīng)器。

背景技術(shù)：

隨著粉末冶金技術(shù)的發(fā)展，特別是3D打印技術(shù)的迅速進(jìn)展，由鈦合金粉（特別是低鋁鈦合金粉，即鋁含量在10%以下的鈦合金）制造部件迅猛發(fā)展。因此，鈦合粉（特別是低鋁鈦合金粉）需求量越來(lái)越大，從而推動(dòng)了鈦合金粉制造技術(shù)的研究，其中鋁還原四氯化鈦（含適量四氯化釩）制取低鋁鈦合金粉是其中研究的一種新方法。

鋁還原四氯化鈦（含適量四氯化釩）制取低鋁鈦合金粉的研究中，一般是采用兩步法，即第一步由鋁粉還原四氯化鈦（含適量四氯化釩）制取三氯化鈦，第二步再由鋁粉還原三氯化鈦制取低鋁鈦合金粉。其中，第一步中所采用的鋁粉還原四氯化鈦制取三氯化鈦本身是三氯化鈦制取中常用的一種方法，并且在四氯化鈦提純等其它領(lǐng)域中也有所涉及，但是應(yīng)用于鈦合金制造中少有報(bào)導(dǎo)。而且現(xiàn)有采用的鋁粉還原四氯化鈦制取三氯化鈦的方法中還存在下列缺點(diǎn)：（1）所研究的方法一般采用罐式反應(yīng)器一鍋式反應(yīng)，間歇操作，效率低；（2）反應(yīng)產(chǎn)物從反應(yīng)器中不易排出且難排盡，這就不利于第二步反應(yīng)；（3）在反應(yīng)過(guò)程中大量四氯化鈦揮發(fā)逸出造成四氯化鈦轉(zhuǎn)化不完全，這會(huì)影響鋁粉加入量不準(zhǔn)，造成鈦合金粉中鋁含量偏差大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有工藝中存在的上述缺點(diǎn)和問(wèn)題，本實(shí)用新型提供了一種利用鋁粉還原四氯化鈦連續(xù)制取三氯化鈦的工藝流程，從而提高了生產(chǎn)的效能。另一方面，本實(shí)用新型的方法還使反應(yīng)進(jìn)行得更完全，從而實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)物成分的精確控制，使制取的三氯化鈦產(chǎn)品更適合用于制造合金成分更準(zhǔn)確的鈦鋁合金。

具體來(lái)說(shuō)本實(shí)用新型涉及一種鋁粉還原四氯化鈦連續(xù)制取三氯化鈦的方法，包括如下步驟：在室溫下按適當(dāng)比例將固態(tài)反應(yīng)物與液態(tài)反應(yīng)物分別混合加入反應(yīng)器，即在惰性氛圍下將適當(dāng)量的固態(tài)物料活性鋁粉（固體）與催化劑AlCl₃粉（固體）加入固態(tài)儲(chǔ)罐充分混合，而液態(tài)物料包括TiCl₄（液體）及VCl₄也加入液態(tài)儲(chǔ)罐充分均勻混合，將上述混合反應(yīng)物加入管式反應(yīng)器使鋁粉與TiCl₄在適當(dāng)溫度下反應(yīng)連續(xù)生成固體TiCl₃，生成的反應(yīng)混合物（包括反應(yīng)生成的固體TiCl₃、過(guò)剩鋁粉和催化劑AlCl₃粉）連續(xù)從反應(yīng)器排出至儲(chǔ)罐儲(chǔ)存待用于鋁還原制取低鋁鈦合金粉。本實(shí)用新型的方法具有四氯化鈦反應(yīng)完全、產(chǎn)品易從反應(yīng)器排出的優(yōu)點(diǎn)，是一種連續(xù)化制取三氯化鈦的高效方法。

本實(shí)用新型所采用的具體技術(shù)方案如下：

一種用于鋁粉還原四氯化鈦制取三氯化鈦的反應(yīng)器，所述反應(yīng)器可以用于連續(xù)制取三氯化鈦的方法，即連續(xù)向一個(gè)反應(yīng)器供應(yīng)鋁粉三氯化鋁混合物和含釩四氯化鈦混合物，兩者在反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)，生成的產(chǎn)物從反應(yīng)器內(nèi)排出至反應(yīng)產(chǎn)物儲(chǔ)罐。所述反應(yīng)器為管式反應(yīng)器，所述管式反應(yīng)器具有封閉的管體，管體的前端連接反應(yīng)物儲(chǔ)罐，尾端連接反應(yīng)產(chǎn)物儲(chǔ)罐，反應(yīng)物儲(chǔ)罐內(nèi)的物料經(jīng)過(guò)控制連續(xù)供應(yīng)到管體內(nèi)，反應(yīng)產(chǎn)物儲(chǔ)罐連續(xù)接收自管體送來(lái)的物料，管體自前端向尾端分為加熱段、反應(yīng)段及冷卻段，管體內(nèi)設(shè)置推送螺旋，推送螺旋由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)以推動(dòng)管體內(nèi)的物料由前端向尾端移動(dòng)依次經(jīng)過(guò)加熱段、反應(yīng)段及冷卻段，最后進(jìn)入反應(yīng)產(chǎn)物儲(chǔ)罐，其中在加熱段設(shè)置有加熱裝置對(duì)管體內(nèi)的物料進(jìn)行加熱，反應(yīng)段設(shè)置有冷卻裝置以使管體內(nèi)的物料保持在一定溫度范圍，其中在加熱段出口處物料的溫度保持在第一溫度范圍，在反應(yīng)段管體內(nèi)物料的溫度保持在第二溫度范圍。優(yōu)選地，第一溫度范圍為130℃～136℃的范圍，而第二溫度范圍為130℃～150℃的范圍。

優(yōu)選地，反應(yīng)物儲(chǔ)罐分為第一反應(yīng)物儲(chǔ)罐和第二反應(yīng)物儲(chǔ)罐，其中第一反應(yīng)物儲(chǔ)罐內(nèi)容納固態(tài)反應(yīng)物鋁粉和三氯化鋁混合物，第二反應(yīng)物儲(chǔ)罐容納液態(tài)反應(yīng)物含釩四氯化鈦混合物。更優(yōu)選，第一反應(yīng)物儲(chǔ)罐出口設(shè)置于加熱段前方，而第二反應(yīng)物儲(chǔ)罐出口設(shè)置于加熱段后方。進(jìn)一步，所述第二反應(yīng)物儲(chǔ)罐出口設(shè)置于加熱段與反應(yīng)段之間或者設(shè)置在反應(yīng)段上。

優(yōu)選地，所述管體為反應(yīng)段管徑大于加熱段管徑的變徑設(shè)計(jì)。更優(yōu)選，加熱段與反應(yīng)段的管徑比為1：2-5。最優(yōu)選，加熱段與反應(yīng)段的管徑比為1：2-3。

在一個(gè)實(shí)施方案中，管體的前端設(shè)置有惰性氣體入口以連接惰性氣體供應(yīng)裝置。

在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，保持反應(yīng)產(chǎn)物儲(chǔ)罐的壓力高于管體。

本實(shí)用新型優(yōu)點(diǎn)：

本實(shí)用新型可使鋁粉還原四氯化鈦制取三氯化鈦的反應(yīng)進(jìn)行得更完全，制取產(chǎn)品更適合用于制造合金成分更準(zhǔn)確的鈦鋁合金，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)該工藝過(guò)程的連續(xù)化，是一種工藝操作簡(jiǎn)便、回收率高、三廢少的高效方法。

附圖說(shuō)明

圖1是本實(shí)用新型方法中所采用的管式反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖。

在圖中：1、管體；2、加熱段；3、反應(yīng)段；4、冷卻段；5、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；6、推送螺旋；7、加熱裝置；8、冷卻裝置；9、第一反應(yīng)物儲(chǔ)罐；10、第二反應(yīng)物儲(chǔ)罐；11、反應(yīng)產(chǎn)物收集罐；12、氬氣入口；13、氬氣出口。

具體實(shí)施方式

本實(shí)用新型的一個(gè)目的是實(shí)現(xiàn)鋁粉還原四氯化鈦制取三氯化鈦的工藝過(guò)程的連續(xù)化；本實(shí)用新型的另一個(gè)目的是使該還原反應(yīng)進(jìn)行得更完全，以使制取的三氯化鈦產(chǎn)品更適合用于制造合金成分更準(zhǔn)確的鈦鋁合金；本實(shí)用新型的再一個(gè)目的是克服原有工藝存在的缺點(diǎn)和問(wèn)題。

因此本實(shí)用新型提供了一種鋁粉還原四氯化鈦連續(xù)制取三氯化鈦方法，包括如下步驟：按適當(dāng)比例將固態(tài)物料活性鋁粉（固體）及催化劑AlCl₃粉（固體）與液態(tài)物料TiCl₄（液體）及VCl₄分別在室溫下混合均勻，將上述混合反應(yīng)物加入管式反應(yīng)器使鋁粉與TiCl₄在適當(dāng)溫度下反應(yīng)連續(xù)生成固體TiCl₃，生成的反應(yīng)混合物（包括反應(yīng)生成的固體TiCl₃、過(guò)剩鋁粉和催化劑AlCl₃粉）連續(xù)從反應(yīng)器排出至儲(chǔ)罐儲(chǔ)存待用于鋁還原制取Ti-Al合金粉。

本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于：（1）上述反應(yīng)混合物在反應(yīng)器內(nèi)連續(xù)移動(dòng)過(guò)程中逐步升溫達(dá)到反應(yīng)溫度（＞130℃）使之進(jìn)行反應(yīng)生成固體TiCl₃；（2）能使TiCl₄完全反應(yīng)變成TiCl₃，即反應(yīng)器內(nèi)溫度達(dá)到＞TiCl₄沸點(diǎn)136℃時(shí)，TiCl₄氣體不會(huì)揮發(fā)出反應(yīng)器外。

本實(shí)用新型采用一個(gè)可使反應(yīng)物能連續(xù)向前移動(dòng)的反應(yīng)器，在這個(gè)反應(yīng)器中完成鋁粉還原四氯化鈦連續(xù)制取三氯化鈦的反應(yīng)過(guò)程。

反應(yīng)器是一個(gè)管式反應(yīng)器，管體1內(nèi)安裝推送螺旋6，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)5驅(qū)動(dòng)推送螺旋推動(dòng)物料沿管徑方向向前移動(dòng)。將反應(yīng)器管體1從始端至末端依次分為加熱段2、反應(yīng)段3和冷卻段4，在加熱段的管外壁安裝加熱裝置7，在反應(yīng)段和冷卻段的管壁外分別安裝相應(yīng)的冷卻裝置8。加熱段將物料由室溫逐步升溫至反應(yīng)溫度；反應(yīng)段是使反應(yīng)物進(jìn)行反應(yīng)直至反應(yīng)完成，因該反應(yīng)是放熱反應(yīng)，通過(guò)冷卻裝置控制反應(yīng)溫度在要求范圍內(nèi)；冷卻段是將反應(yīng)產(chǎn)物冷卻至室溫。

按鋁粉還原四氯化鈦制取三氯化鈦的反應(yīng)式（3TiCl₄＋4Al＝3Ti＋4AlCl₃）計(jì)算出反應(yīng)物（鋁粉和四氯化鈦）的數(shù)量，以及所需催化劑（三氯化鋁）的數(shù)量，其中鋁粉量包括還原四氯化鈦經(jīng)三氯化鈦直至金屬鈦所需的鋁粉量和要制取鈦合金要求的鋁量的總和。

按上述計(jì)算的TiCl₄（液體）、鋁粉（固體）和催化劑AlCl₃粉（固體）量按比例依次加入反應(yīng)物制備儲(chǔ)罐，其中反應(yīng)物儲(chǔ)罐分為兩部分，一部分為容納鋁粉和催化劑AlCl₃粉的第一反應(yīng)物儲(chǔ)罐9，一部分為容納含釩TiCl₄的第二反應(yīng)物儲(chǔ)罐10。啟動(dòng)罐內(nèi)的攪拌裝置將上述三種物料攪拌成均勻的固液混合物料。然后，將罐內(nèi)的固液混合料通過(guò)下料閥由加料器按一定流速連續(xù)加入到反應(yīng)器管的始端，加入的物料經(jīng)由單螺旋裝置在管內(nèi)移動(dòng)，依次由始端經(jīng)過(guò)加熱段、反應(yīng)段、冷卻段直至管末端排出至反應(yīng)產(chǎn)物（包括反應(yīng)生成的固體TiCl₃、過(guò)剩鋁粉和AlCl₃粉催化劑）儲(chǔ)罐，待用于鋁還原制取低鋁鈦合金粉。對(duì)于兩個(gè)反應(yīng)物儲(chǔ)罐，第一反應(yīng)物儲(chǔ)罐9需要安裝在加熱裝置之前，以便于相應(yīng)反應(yīng)物被逐漸加熱到反應(yīng)溫度。而容納含釩TiCl₄液體的第二反應(yīng)物儲(chǔ)罐10則優(yōu)選安裝在加熱裝置之后，以避免加熱過(guò)程中的不可控反應(yīng)。

上述固液混合物料在反應(yīng)器管內(nèi)的加熱段逐步被加熱至反應(yīng)溫度（130℃～136℃），然后進(jìn)入管內(nèi)反應(yīng)段進(jìn)行反應(yīng)直至混合物中的TiCl₄全部轉(zhuǎn)為TiCl₃，最后反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)入冷卻段直至出料。物料在反應(yīng)段的溫度控制在（130℃～150℃）。

本實(shí)用新型的管式反應(yīng)器的一個(gè)重要特征在于，反應(yīng)器采取的是變徑設(shè)計(jì)，即本實(shí)用新型采用的是“變徑螺旋推送管”，其中在第一反應(yīng)物儲(chǔ)罐出口至加熱段結(jié)束的管徑比反應(yīng)段的管徑小。變徑設(shè)計(jì)的原因在于，在制取本實(shí)用新型所需要的產(chǎn)物時(shí)，所用到的液態(tài)反應(yīng)物的重量是固態(tài)反應(yīng)物重量的約四倍。而固態(tài)與液體反應(yīng)物混合并反應(yīng)的過(guò)程中，總體積增加約3倍，并伴隨著產(chǎn)生大量熱量，造成部分TiCl₄變成蒸氣（在隨后的冷卻過(guò)程中會(huì)冷凝）。因此變徑設(shè)計(jì)能夠很好的解決體積擴(kuò)大，反應(yīng)物氣化，以及散熱問(wèn)題。根據(jù)反應(yīng)物混合前后及反應(yīng)時(shí)總體混合物的體積變化，加熱段與反應(yīng)段的管徑比優(yōu)選為1：2-5，更優(yōu)選1：2-3。在一個(gè)實(shí)際應(yīng)用實(shí)施例中，管徑從加熱段的100毫米躍遷變成反應(yīng)段的200-300毫米。

通過(guò)控制三氯化物產(chǎn)物儲(chǔ)罐的壓力高于反應(yīng)物制備儲(chǔ)罐的壓力，使進(jìn)入反應(yīng)器管內(nèi)的混合料中的TiCl₄不會(huì)逸出反應(yīng)器外，全部被反應(yīng)生成TiCl₃。這是因?yàn)樵诩訜岷头磻?yīng)過(guò)程中因溫度高而揮發(fā)的TiCl₄氣體只能向著反應(yīng)器管的始端方向移動(dòng)，當(dāng)它移動(dòng)至靠近管內(nèi)始端的冷物料相遇時(shí)又冷凝下來(lái)而不會(huì)逸出反應(yīng)器管外。

按反應(yīng)計(jì)算的原料比例，將純TiCl₄液體、活性鋁粉和粉狀無(wú)水AlCl₃分別加入第一反應(yīng)物儲(chǔ)罐9和第二反應(yīng)物儲(chǔ)罐10中，開啟攪拌裝置在惰性氣體環(huán)境下將上述反應(yīng)物料充分混合均勻。反應(yīng)物儲(chǔ)罐中的混合料通過(guò)下料閥進(jìn)入螺旋加料器，由螺旋加料器將混合料加入單螺旋反應(yīng)器管1的始端內(nèi)。該反應(yīng)器內(nèi)安裝有單螺旋機(jī)構(gòu)，開啟驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)5，電機(jī)經(jīng)減速器使反應(yīng)管1內(nèi)的螺旋6按適當(dāng)速度旋轉(zhuǎn)，經(jīng)螺旋葉片帶動(dòng)加入的混合料由反應(yīng)器管的始端向末端方向移動(dòng)。優(yōu)選地，在反應(yīng)管的始端還設(shè)置有惰性氣體入口12，尾端設(shè)置有惰性氣體出口13，入口12連接惰性氣體加壓供應(yīng)裝置，例如氬氣罐，保持管內(nèi)的惰性氣體氛圍，并且促進(jìn)物料由始端向尾端的移動(dòng)。應(yīng)了解，雖然惰性氣體以氬氣示例，但是應(yīng)該知道的是，本文中所述的惰性氣體僅僅是意謂在本實(shí)用新型所涉及的反應(yīng)中呈現(xiàn)惰性的氣體，而不應(yīng)狹義地理解為化學(xué)上的氦、氖等氣體，例如氮?dú)夥諊部梢赃m用于本實(shí)用新型。加熱段和反應(yīng)段的管徑不同，因此相應(yīng)的管體內(nèi)螺旋的直徑也發(fā)生相應(yīng)變化。在混合料移動(dòng)過(guò)程中，依次經(jīng)過(guò)反應(yīng)器管的預(yù)熱段2將其加熱至反應(yīng)溫度（130℃～136℃），然后混合料進(jìn)入反應(yīng)器管的反應(yīng)段3在反應(yīng)溫度（130℃～150℃）下進(jìn)行反應(yīng)生成TiCl₃，反應(yīng)完成后的反應(yīng)產(chǎn)物混合料（包括反應(yīng)生成的TiCl₃、剩余的過(guò)量鋁粉及原加入的催化劑AlCl₃）進(jìn)入反應(yīng)器管的冷卻段4冷卻，冷卻后的反應(yīng)產(chǎn)物混合料由反應(yīng)器末端排出至三氯化鈦儲(chǔ)罐11中。

本實(shí)用新型的一個(gè)特點(diǎn)是控制儲(chǔ)罐11的壓力高于管體1的壓力，混合反應(yīng)料中的TiCl₄在預(yù)熱段或反應(yīng)段揮發(fā)的氣體只能向著反應(yīng)器管的始端方向移動(dòng)，即它只能向低溫段方向移動(dòng)，它在移動(dòng)中遇到冷料必然冷凝下來(lái)而不會(huì)逸出反應(yīng)器中外，這就避免了TiCl₄在反應(yīng)過(guò)程中因?yàn)闇囟雀邠]發(fā)而逸出反應(yīng)器外，因而可使加入反應(yīng)器的全部TiCl₄都轉(zhuǎn)化為TiCl₃。

與現(xiàn)有的技術(shù)比較，本實(shí)用新型可使鋁粉還原四氯化鈦制取三氯化鈦的反應(yīng)進(jìn)行得更完全，制取產(chǎn)品更適合用于制造合金成分更準(zhǔn)確的鈦鋁合金，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)該工藝過(guò)程的連續(xù)化，是一種工藝操作簡(jiǎn)便、回收率高、三廢少的高效方法。

應(yīng)了解，雖然上述的具體實(shí)施例中，采用的管式反應(yīng)器以單螺旋作為了示例，但是采用雙螺旋的管式雙螺旋反應(yīng)器或類似的其他反應(yīng)器也不應(yīng)排除在外，具體的保護(hù)范圍應(yīng)以權(quán)利要求書為準(zhǔn)。

上面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型的實(shí)施方式作了詳細(xì)的說(shuō)明，但是本實(shí)用新型不限于上述實(shí)施方式，在所屬技術(shù)領(lǐng)域普通技術(shù)人員所具備的知識(shí)范圍內(nèi)，還可以在不脫離本實(shí)用新型宗旨的前提下做出各種變化。