中文摘要：

随着航天航空和汽车工业的快速发展，钛粉的市场需求日益旺盛。本项目利用活泼金属钙、镁在密闭体系中挥发形成金属蒸气，还原TiO2固体颗粒制备金属钛粉。拟重点研究密闭体系中活泼金属气化过程及还原TiO2的相间平衡问题；还原反应过程宏观、微观动力学及机理；金属蒸气与TiO2气固界面分子扩散、对流传质过程以及各因素对钛粉性能的影响规律。建立活泼金属蒸气还原TiO2的Ca-Ti-O、Mg-Ti-O平衡图；密闭体系下，金属蒸气还原TiO2的宏观动力学模型；气固界面综合传质模型；获得钙、镁金属蒸气还原TiO2过程中多种因素的影响规律及优化技术参数。解决在密闭体系中Ca(Mg)-Ti-N、Ca(Mg)-Ti-O的多相平衡问题；揭示钙、镁金属蒸气还原TiO2脱氧过程机理以及金属蒸气与TiO2固体颗粒之间界面传质、还原反应过程控制规律。为丰富固体氧化物金属热还原过程控制理论提供参考。

结论摘要：

金属钛性能优异，是支撑人类社会发展的关键基础材料。钛粉通过粉末冶金手段可以生产传统工艺无法生产的钛材料，具有产品偏析少、材料的利用率高、成本低等的优点。而目前钛粉生产技术流程长、环境压力大。项目以金属蒸气还原二氧化钛制备金属钛粉过程的基本规律为对象，重点研究了Ca-N2-O2-TiO2多相体系的热力学平衡；考察了钙蒸气还原二氧化钛过程中还原温度、保温时间以及添加剂CaCl2等对还原过程的影响规律；探究了钙蒸气还原过程中CaCl2、CaTiO3的行为规律；分析了钙蒸气还原TiO2的过程路径和机理；研究了钙蒸气还原二氧化钛制备金属钛的表观动力学；并计算模拟了钙蒸气还原二氧化钛过程中Ca、Ti、Cl、O元素间的微观相互作用。研究结果显示（1）提出的钙蒸气还原二氧化钛制备金属钛粉的简化过程可行，在密闭体系下能够制备出O含量1000ppm，N含量170ppm、Cl含量87ppm，颗粒尺寸小于<25μm的钛粉。（2）CaCl2？nH2O的脱水、水解在钙蒸气还原二氧化钛过程中促使TiO2料层产生孔洞、增大气固反应界面，使TiO2转变为CaTiO3，破坏TiO2的晶格。（3）CaTiO3是钙蒸气还原二氧化钛过程的必然中间产物，对于钙蒸气还原TiO2过程，CaTiO3的生成有助于降低反应的热力学条件，CaTiO3与钛的低价氧化物相比，更易被钙蒸气还原为金属钛。（4）TiO2-Ca体系中引入Cl能削弱Ti-O键，与Ti趋向于形成Ti-Cl键，从而有利于Ca充分还原TiO2得到单质钛。（5）钙蒸气还原二氧化钛制备金属钛的反应途径为1）当TiO2中无CaCl2存在时，TiO2被Ca蒸气还原发生逐级脱氧，生成一系列的低氧化钛，直至TixO(x≥1)而后继续被还原为Ti；同时，此过程中副产物CaO会与TiO2作用，形成CaTiO3，生成的CaTiO3被Ca蒸气还原为单质Ti。2）当TiO2中存在CaCl2时，部分TiO2在未被还原时，形成CaTiO3，而后被Ca蒸气还原为单质Ti；3）微观相互作用表明，Cl引入与Ti趋向于形成Ti-Cl键，而后Ca还原Ti-Cl化合物得到单质钛。（6）钙蒸气还原二氧化钛过程，无CaCl2存在时为扩散和化学反应混合控制；CaCl2和TiO2质量比为1:2时为化学反应控制，使表观活化能由82.20～95.05kJ/mol下降为47.4~59kJ/mol。