本實用新型屬于鈦合金制造技術(shù)領(lǐng)域，具體來說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）需求量越來越大，從而推動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，但是應用于鈦合金制造中少有報導。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：（1）所研究的方法一般采用罐式反應器一鍋式反應，間歇操作，效率低；（2）反應產(chǎn)物從反應器中不易排出且難排盡，這就不利于第二步反應；（3）在反應過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，這會影響鋁粉加入量不準，造成鈦合金粉中鋁含量偏差大。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有工藝中存在的上述缺點和問題，本實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，本實用新型的方法還使反應進行得更完全，從而實現(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確的鈦鋁合金。

具體來說本實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：在室溫下按適當比例將固態(tài)反應物與液態(tài)反應物分別混合加入反應器，即在惰性氛圍下將適當量的固態(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)儲罐充分均勻混合，將上述混合反應物加入管式反應器使鋁粉與TiCl₄在適當溫度下反應連續(xù)生成固體TiCl₃，生成的反應混合物（包括反應生成的固體TiCl₃、過剩鋁粉和催化劑AlCl₃粉）連續(xù)從反應器排出至儲罐儲存待用于鋁還原制取低鋁鈦合金粉。本實用新型的方法具有四氯化鈦反應完全、產(chǎn)品易從反應器排出的優(yōu)點，是一種連續(xù)化制取三氯化鈦的高效方法。

本實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器，所述反應器可以用于連續(xù)制取三氯化鈦的方法，即連續(xù)向一個反應器供應鋁粉三氯化鋁混合物和含釩四氯化鈦混合物，兩者在反應器內(nèi)反應，生成的產(chǎn)物從反應器內(nèi)排出至反應產(chǎn)物儲罐。所述反應器為管式反應器，所述管式反應器具有封閉的管體，管體的前端連接反應物儲罐，尾端連接反應產(chǎn)物儲罐，反應物儲罐內(nèi)的物料經(jīng)過控制連續(xù)供應到管體內(nèi)，反應產(chǎn)物儲罐連續(xù)接收自管體送來的物料，管體自前端向尾端分為加熱段、反應段及冷卻段，管體內(nèi)設(shè)置推送螺旋，推送螺旋由驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動以推動管體內(nèi)的物料由前端向尾端移動依次經(jīng)過加熱段、反應段及冷卻段，最后進入反應產(chǎn)物儲罐，其中在加熱段設(shè)置有加熱裝置對管體內(nèi)的物料進行加熱，反應段設(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，反應物儲罐分為第一反應物儲罐和第二反應物儲罐，其中第一反應物儲罐內(nèi)容納固態(tài)反應物鋁粉和三氯化鋁混合物，第二反應物儲罐容納液態(tài)反應物含釩四氯化鈦混合物。更優(yōu)選，第一反應物儲罐出口設(shè)置于加熱段前方，而第二反應物儲罐出口設(shè)置于加熱段后方。進一步，所述第二反應物儲罐出口設(shè)置于加熱段與反應段之間或者設(shè)置在反應段上。

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

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

在另一個優(yōu)選實施方案中，保持反應產(chǎn)物儲罐的壓力高于管體。

本實用新型優(yōu)點：

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

附圖說明

圖1是本實用新型方法中所采用的管式反應器的結(jié)構(gòu)示意圖。

在圖中：1、管體；2、加熱段；3、反應段；4、冷卻段；5、驅(qū)動機構(gòu)；6、推送螺旋；7、加熱裝置；8、冷卻裝置；9、第一反應物儲罐；10、第二反應物儲罐；11、反應產(chǎn)物收集罐；12、氬氣入口；13、氬氣出口。

具體實施方式

本實用新型的一個目的是實現(xiàn)鋁粉還原四氯化鈦制取三氯化鈦的工藝過程的連續(xù)化；本實用新型的另一個目的是使該還原反應進行得更完全，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確的鈦鋁合金；本實用新型的再一個目的是克服原有工藝存在的缺點和問題。

因此本實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，將上述混合反應物加入管式反應器使鋁粉與TiCl₄在適當溫度下反應連續(xù)生成固體TiCl₃，生成的反應混合物（包括反應生成的固體TiCl₃、過剩鋁粉和催化劑AlCl₃粉）連續(xù)從反應器排出至儲罐儲存待用于鋁還原制取Ti-Al合金粉。

本實用新型的優(yōu)點在于：（1）上述反應混合物在反應器內(nèi)連續(xù)移動過程中逐步升溫達到反應溫度（＞130℃）使之進行反應生成固體TiCl₃；（2）能使TiCl₄完全反應變成TiCl₃，即反應器內(nèi)溫度達到＞TiCl₄沸點136℃時，TiCl₄氣體不會揮發(fā)出反應器外。

本實用新型采用一個可使反應物能連續(xù)向前移動的反應器，在這個反應器中完成鋁粉還原四氯化鈦連續(xù)制取三氯化鈦的反應過程。

反應器是一個管式反應器，管體1內(nèi)安裝推送螺旋6，驅(qū)動機構(gòu)5驅(qū)動推送螺旋推動物料沿管徑方向向前移動。將反應器管體1從始端至末端依次分為加熱段2、反應段3和冷卻段4，在加熱段的管外壁安裝加熱裝置7，在反應段和冷卻段的管壁外分別安裝相應的冷卻裝置8。加熱段將物料由室溫逐步升溫至反應溫度；反應段是使反應物進行反應直至反應完成，因該反應是放熱反應，通過冷卻裝置控制反應溫度在要求范圍內(nèi)；冷卻段是將反應產(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式（3TiCl₄＋4Al＝3Ti＋4AlCl₃）計算出反應物（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物制備儲罐，其中反應物儲罐分為兩部分，一部分為容納鋁粉和催化劑AlCl₃粉的第一反應物儲罐9，一部分為容納含釩TiCl₄的第二反應物儲罐10。啟動罐內(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)的固液混合料通過下料閥由加料器按一定流速連續(xù)加入到反應器管的始端，加入的物料經(jīng)由單螺旋裝置在管內(nèi)移動，依次由始端經(jīng)過加熱段、反應段、冷卻段直至管末端排出至反應產(chǎn)物（包括反應生成的固體TiCl₃、過剩鋁粉和AlCl₃粉催化劑）儲罐，待用于鋁還原制取低鋁鈦合金粉。對于兩個反應物儲罐，第一反應物儲罐9需要安裝在加熱裝置之前，以便于相應反應物被逐漸加熱到反應溫度。而容納含釩TiCl₄液體的第二反應物儲罐10則優(yōu)選安裝在加熱裝置之后，以避免加熱過程中的不可控反應。

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

本實用新型的管式反應器的一個重要特征在于，反應器采取的是變徑設(shè)計，即本實用新型采用的是“變徑螺旋推送管”，其中在第一反應物儲罐出口至加熱段結(jié)束的管徑比反應段的管徑小。變徑設(shè)計的原因在于，在制取本實用新型所需要的產(chǎn)物時，所用到的液態(tài)反應物的重量是固態(tài)反應物重量的約四倍。而固態(tài)與液體反應物混合并反應的過程中，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（在隨后的冷卻過程中會冷凝）。因此變徑設(shè)計能夠很好的解決體積擴大，反應物氣化，以及散熱問題。根據(jù)反應物混合前后及反應時總體混合物的體積變化，加熱段與反應段的管徑比優(yōu)選為1：2-5，更優(yōu)選1：2-3。在一個實際應用實施例中，管徑從加熱段的100毫米躍遷變成反應段的200-300毫米。

通過控制三氯化物產(chǎn)物儲罐的壓力高于反應物制備儲罐的壓力，使進入反應器管內(nèi)的混合料中的TiCl₄不會逸出反應器外，全部被反應生成TiCl₃。這是因為在加熱和反應過程中因溫度高而揮發(fā)的TiCl₄氣體只能向著反應器管的始端方向移動，當它移動至靠近管內(nèi)始端的冷物料相遇時又冷凝下來而不會逸出反應器管外。

按反應計算的原料比例，將純TiCl₄液體、活性鋁粉和粉狀無水AlCl₃分別加入第一反應物儲罐9和第二反應物儲罐10中，開啟攪拌裝置在惰性氣體環(huán)境下將上述反應物料充分混合均勻。反應物儲罐中的混合料通過下料閥進入螺旋加料器，由螺旋加料器將混合料加入單螺旋反應器管1的始端內(nèi)。該反應器內(nèi)安裝有單螺旋機構(gòu)，開啟驅(qū)動機構(gòu)5，電機經(jīng)減速器使反應管1內(nèi)的螺旋6按適當速度旋轉(zhuǎn)，經(jīng)螺旋葉片帶動加入的混合料由反應器管的始端向末端方向移動。優(yōu)選地，在反應管的始端還設(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裝置，例如氬氣罐，保持管內(nèi)的惰性氣體氛圍，并且促進物料由始端向尾端的移動。應了解，雖然惰性氣體以氬氣示例，但是應該知道的是，本文中所述的惰性氣體僅僅是意謂在本實用新型所涉及的反應中呈現(xiàn)惰性的氣體，而不應狹義地理解為化學上的氦、氖等氣體，例如氮氣氛圍也可以適用于本實用新型。加熱段和反應段的管徑不同，因此相應的管體內(nèi)螺旋的直徑也發(fā)生相應變化。在混合料移動過程中，依次經(jīng)過反應器管的預熱段2將其加熱至反應溫度（130℃～136℃），然后混合料進入反應器管的反應段3在反應溫度（130℃～150℃）下進行反應生成TiCl₃，反應完成后的反應產(chǎn)物混合料（包括反應生成的TiCl₃、剩余的過量鋁粉及原加入的催化劑AlCl₃）進入反應器管的冷卻段4冷卻，冷卻后的反應產(chǎn)物混合料由反應器末端排出至三氯化鈦儲罐11中。

本實用新型的一個特點是控制儲罐11的壓力高于管體1的壓力，混合反應料中的TiCl₄在預熱段或反應段揮發(fā)的氣體只能向著反應器管的始端方向移動，即它只能向低溫段方向移動，它在移動中遇到冷料必然冷凝下來而不會逸出反應器中外，這就避免了TiCl₄在反應過程中因為溫度高揮發(fā)而逸出反應器外，因而可使加入反應器的全部TiCl₄都轉(zhuǎn)化為TiCl₃。

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

應了解，雖然上述的具體實施例中，采用的管式反應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器或類似的其他反應器也不應排除在外，具體的保護范圍應以權(quán)利要求書為準。

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