[发明专利]一种制备金属钛的方法

说明书

技术领域

本发明涉及冶金领域，特别是涉及一种直接利用钛精矿生产金属钛的方法。

背景技术

钛是一种新型结构材料，具有诸如密度小、比强度高和耐蚀性好等优点。在结构金属中，金属钛在地壳的储量位居第四，仅次于铁、铝和镁，但在目前世界金属产量中，钛产量相比而言却非常少，主要原因在于目前从矿石提取钛的成本偏高，限制了钛在各行业的应用。由于钛金属的提炼成本太高，故只在一些非常重要的领域使用，如航空航天、电子工业、精密仪器制造等方面。随着各种新的提炼方法的出现，钛金属已被视为一种极有使用前景的金属。

工业上实现制备海绵钛的方法有用镁还原TiCl₄的克劳尔(Kroll)法和用钠还原TiCl₄的亨特(Hunter)法，而随着1993年最后一家采用亨特法的英国迪赛德公司关闭后，目前世界上工业化生产海绵钛的方法只剩下Kroll法一种方法了。Kroll法存在工序复杂、生产周期长、能耗大、劳动强度大、不能实现连续化等一系列缺点等，因此有必要开发新的制钛工艺。

曾经研究过的制备金属钛的方法有很多种，比较有代表性的有英国剑桥大学提出的FFC法、日本京都大学提出的OS法、日本的Okabe等提出的PRP工艺、氟钛酸盐还原等。这些方法普遍存在电流效率低，生产成本高等缺点，所以，都没有实现工业化。

中国发明专利，公开号CN 1712571A，公开了一种用二氧化钛做主要原料的制钛方法，该方法首先用碳或碳化钛还原二氧化钛制备一种导电性固溶体TiC·TiO，然后用该固溶体做可溶阳极，进行熔盐电解，最后在阴极上可获得金属钛。该方法具有工艺简单、电解过程连续进行等优点，但是原料是直接使用纯度较高的二氧化钛，因此原料成本较高。

美国专利，公开号US 7410562B2，公开了一种用TiO₂-C复合阳极制备金属钛的方法，该方法是一个热和电化学过程相结合的方法，其要点是用碳和钛的氧化物首先进行热处理，形成TiC_xO_y复合阳极，然后以该TiC_xO_y复合阳极做为可溶阳极进行熔盐电解，在阴极得到金属钛。该方法和上述中国发明专利具有相似的优缺点。

加拿大Quebec发明专利，公开号为US 20040194574 A1，公开了一种高温熔盐电解法连续制造金属钛或钛合金锭的方法。在电解槽中注入像熔融钛渣之类的含钛的混合氧化物熔液，形成熔池作为阴极材料，在该熔液上方是熔熔盐电解质或离子导体固体电解质；在电解槽上安装碳阳极或惰性稳定阳极或气体扩散电极；在惰性气氛下进行电解。在电解过程中，阴极中的氧化钛被还原形成钛或钛合金液滴，下沉至电解槽底部形成液态钛或钛合金熔池，在惰性气体保护下，可连续虹吸出或排出铸成金属钛或钛合金锭。该方法原料价格便宜，最终产品钛锭或钛合金锭，省去了海绵钛的破碎、铸造等工序。但是该方法温度太高(电解温度大于1700℃)，在该条件下熔池中的液体对电解槽腐蚀相当严重，而且还要考虑电解槽耐高温耐腐蚀的性能，对设备要求比较高。

发明内容

本发明的目的是针对上述方法的不足而提供一种制备金属钛的方法，所述方法包括以下步骤：在用钛精矿熔炼钛渣时直接配入过量的含碳还原剂生成碳化钛或者在直接配入过量的含碳还原剂的同时通入氮气使钛渣在熔炼的过程中生成氮化钛或碳氮化钛；在含有钛的低价氯化物的熔盐中以生成的碳化钛、氮化钛或碳氮化钛作为可溶阳极，以金属材料作为阴极，进行熔盐电解，以获得金属钛粉。此外，可以对在电解中后期得到的钛金属含量小于95％的产物进行电解精炼，以获得高纯钛。

根据本发明的实施例，钛精矿中TiO₂的含量大于40％。另外，配碳量为理论上将TiO₂还原为碳化钛或氮化碳或碳氮化钛的碳和将杂质还原的碳的总和的1到1.5倍。

此外，所述金属材料为碳钢、钼、镍或钛；所述熔盐为由LiF、NaF、KF、MgF₂、CaF₂、LiCl、NaCl、KCl、MgCl₂或CaCl₂中的至少两种盐和TiCl₂或TiCl₃盐中的至少一种盐组成。