[发明专利]一种钛循环熔盐电解制取金属钛的方法

说明书

技术领域

本发明属于有色金属冶金技术领域，特别涉及一种熔盐电解制取金属钛的方法。

背景技术

钛(Ti)是一种性能非常优越的金属，具有比重轻、比强度高、耐腐蚀性能好等一系列的优点。钛合金还具有耐高低温性能好、无磁性、形状记忆特性、吸氢特性、超导特性和低阻尼特性等许多优异的性能，因而是很好的结构材料和功能材料。由于钛的诸多优点，所以人们称之为“太空金属”、“海洋金属”、“21世纪的金属”等。因此，在现代社会中，金属钛及其合金在国防、化工、冶金、医疗、工农业生产等各种行业，特别是在高新技术领域得到越来越广泛的应用。

然而，钛的提取非常困难。目前，世界上生产海绵钛主要采用Kroll工艺，通过该方法生产得到的海绵钛一般用真空自耗电弧熔炼法提纯。具体地讲，采用Kroll法生产海绵钛的过程如下：首先，将二氧化钛(TiO₂)通过加碳(C)氯化来制取四氯化钛(TiCl₄)，见下面的反应式①；然后，用金属镁热还原四氯化钛获得海绵钛，见下面的反应式②；最后，将获得的海绵钛进行真空蒸馏得到商品海绵钛。

TiO₂+2Cl₂+2C→TiCl₄+2CO               ①

2Mg+TiCl₄→2MgCl₂+Ti                 ②

然而，在Kroll法生产海绵钛的过程中，金属镁是通过电解氯化镁来获取的，而电解所得的氯气(Cl₂)又用于氯化钛的制取，所以整个生产过程包括二氧化钛的氯化、镁热还原、真空蒸馏和氯化镁的电解四个主要部分。该方法的优点是产能大，可以生产出优质的海绵钛，易于实现商业化，所以到目前为止似乎还找不出其他的工艺来替代。但是，该方法也具有流程长、工序多、能耗高、过程难以实现连续化等造成海绵钛生产成本过高的缺点。并且，通过Kroll法生产的海绵钛的价格远高于钢铁的价格，单位重量价格也是金属铝的3倍以上。更重要的是，目前Kroll工艺已相当成熟，能够改进的空间已经不大。

针对这一情况，大家都在试图找到一种低成本生产金属钛的方法。目前，较有代表性的方法有OS法、FFC工艺、QIT工艺、USTB法、PRP法、TiCl₄电解、Hunter法、Armstrong钠还原法、SOM技术、真空法制钛等，但由于每种方法都有不同的缺点，所以到目前为止都还没有实现工业化。

由于在Kroll法中TiCl₄是作为原料使用，因此人们都不约而同地想到直接电解TiCl₄得到金属钛的方法，这样一来就可以避免Kroll法工艺中还原蒸馏的弊病。但是，据研究，钛氯化物中最普通的TiCl₄在熔盐电解的温度下有非常高的蒸汽压，在熔体中的溶解度很小(<1％)，因此以它作为直接电解原料是不可行的。

对钛的氯化物电解研究得最多是以TiCl₃为原料的电解法。最早发表这方面研究结果的是澳大利亚的Cordner和Warner，他们用溶解有TiCl₃的LiCl-KCl混合熔盐在550℃的温度下电解，得到了纯度为99％的钛结晶。然而，这一方法因为存在以下两方面的问题而难以实现工业化：一是没有一种实用的TiCl₃制备方法；另一个问题是没有向电解槽中供入TiCl₃的适当方法。另外，由于TiCl₃易吸收空气中的水分而分解，容易造成产品的污染。

此外，也有人发表过，通过电解TiCl₂来制备金属钛的研究结果，但是仍然由于没有一种实用的TiCl₂制备方法以及TiCl₂不易加入电解槽和贮存困难的问题而无法实现工业化。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中制取金属钛的方法流程长、能耗高或者无法实现工业化的缺点。因此，本发明提供了一种工艺简单、能耗低并且能够实现工业化的制取金属钛的方法。

本发明提供了一种钛循环熔盐电解制取金属钛的方法，该方法包括以下两个过程：A.在氯化物熔盐中用金属钛将四氯化钛还原为三氯化钛和二氯化钛中的至少一种；B.在所述氯化物熔盐中将生成的三氯化钛和二氯化钛中的至少一种电解为钛。