[发明专利]一种双电解槽熔盐电解制备纯钛的装置及其工艺

说明书

技术领域

本发明属于熔盐电解法生产纯钛技术领域，特别涉及双电解槽熔盐电解制备纯钛的装置及其工艺。采用该方法可以将TiO₂氯化、钙热还原制备TiCl_x (x=2, 3)及电解还原TiCl_x制备Ti三个部分于同一流程完成，避免了现行技术的间歇式操作，可实现连续电解，降低能耗。

背景技术

钛是一种物理、化学性能非常优异的金属，其密度比钢小43%，比强度高、熔点高、耐高温腐蚀且无毒害。目前，钛已经成为优异的轻型结构材料、新型功能材料和重要的生物医用材料。钛已经被广泛的应用于航空航天、军工及化工、船舶、汽车、体育器材、医疗器械、建筑等民用领域。其已经被誉为“太空金属”、“海洋金属”、“未来金属”等。然而，金属钛高昂的价格大大了限制了钛的利用，尽管钛在地壳中的储量丰富 (0.44%, 在所有金属元素中排列第8，仅次于镁的2.0%)，但是由于钛的提取非常困难，使得其价格居高不下。

目前金属钛的主流生产工艺为Kroll法，生产得到的海绵钛可用电子束熔炼提纯。Kroll法生产金属钛过程首先是将二氧化钛通过加碳氯化制取四氯化钛 (TiCl₄)，然后用金属镁通过热还原获得海绵钛，而金属镁则是通过电解氯化镁来获取，电解所得的氯气又用于氯化钛的制取，所以整个生产过程包括氯化镁电解、氧化钛氯化、以及镁热还原三个主要部分，步骤繁琐、能源消耗大，而且核心的镁热还原步骤是间歇式操作，生产效益非常低，由于这些原因造成了金属钛的价格昂贵，以此方法生产的海绵钛的价格约为5.6～10.0 US$/kg，其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。

为了降低海绵钛的价格，在过去的近70年中，世界各国的冶金学家们多方位寻求新的低成本纯钛冶炼工艺，其中包括化学热还原，电解等方法。

钛电解方法主要包括TiCl₄电解和钛氧化物电解（文献：M. V. Ginatta. Process for the electrolytic production of metals [P]. US6074545, 2000；M. V. Ginatta, G. Orsello, R. Berruti. Method and cell for the electrolytic production of a polyvalent metal [P]. US5015342,1991；倪福生, 陆庆桃，陈世官. LiCl-NaCl-KCl体系中钛与低价氯化物之间的平衡. 稀有金属，111(1984)：23-28；杜继红, 祁和述. Ti(Ⅳ)在氯化物熔体中的电化学还原. 稀有金属材料与工程, 27 (1998): 165-168。）。

由于TiCl₄是共价键分子，在熔盐中的溶解度较低，并且在熔盐电解的温度下具有非常高的蒸汽压，因此直接电解TiCl₄难以满足工业化生产的需要。