[发明专利]一种二氧化钛直接制备金属钛的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种二氧化钛直接制备金属钛的方法，属于有色金属冶金技术领域。

背景技术

钛具有比强度大、密度小、耐高温、抗腐蚀、无磁等优异的性能而广泛应用于航天、石油、能源、交通、化工、生物医学等领域，而且其应用领域正在不断的扩展。

目前钛的生产方法主要有两种：镁热还原法(Kroll法)和钠热还原法(Hunter法)。因为Hunter法比Kroll法生产成本高，所以钛生产普遍使用的是Kroll法。Kroll法是以镁还原—真空蒸馏法为代表的海绵钛生产工艺。它将钛矿富集—氯化—精制制取TiCl4，接着在氩气或氦气气氛中用镁将TiCl4还原为海绵钛，然后进行真空蒸馏分离除去镁和MgCl2，最后经过产品处理得到成品海绵钛。此工艺流程中有两个重要的循环，即镁循环和氯循环，而镁的外循环和氯循环是通过高温融盐电解氯化镁得到的。因此该工艺流程长，操作复杂，生产成本高，环境污染严重。经过几十年的发展，Kroll法也进行了一系列的改进，但多年来的研究工作证明，一些局部的技术改良无法改变高成本这一现状。因此，有必要研究流程短、成本低及对环境友好的制备方法，使金属钛能在更多的领域得到应用。为寻求新的低成本的钛制备工艺，国内外均做了大量的研究工作。研究的新工艺有熔盐电解法（FFC法）。该方法首先将TiO2烧制成阴极，然后采用CaCl2高温熔盐体系作为电解质，在800～1000℃下直接将其电解还原为金属钛。由于该法直接从TiO2电解得到金属钛，极大地简化了工艺流程及设备，因此能明显降低能耗和生产成本（据估计，该法的生产成本仅为Kroll法的三分之一）。但是，该方法到目前为止只是在实验室获得成功，要实现大规模生产，首先要解决TiO2阴极制备及导电性不好的问题，其次要实现电解槽的密闭和气氛保护，然后还必须克服电解过程中钛离子价态变化对电流效率的影响。而要同时解决以上问题，在实践中还有很大的难度。而且熔盐电解要在800℃的温度下进行，需要消耗一定的能量并腐蚀设备。因此，迫切需要发展一种工艺简单、节能、低成本的钛制备新技术，而离子液体的出现无疑为此提供了新的可能。

离子液体是室温离子液体的简称，是一种由阴、阳离子组成，在室温或室温附近呈液态的有机盐。它具有电化学窗口宽、导电性好、液态范围宽、无蒸汽压、稳定性好等优异性能，是一种绿色溶剂。在电沉积方面，离子液体融合了高温熔盐和水溶液的优点：具有较宽的电化学窗口和良好的导电性，在室温下即可得到在高温熔盐中才能电沉积出的金属和合金，但没有高温熔盐那样的强腐蚀性；同时在离子液体中还可电沉积得到大多数能在水溶液中得到的金属，且无副反应，因而得到的金属质量更好，电流效率更高，特别是对铝、钛、硅和锗等很难在水溶液中电沉积得到的金属及其合金更是如此。离子液体的上述特性及其良好的电导率使之成为电沉积研究的崭新液体，在电沉积金属方面得到越来越多的应用。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题及不足，本发明提供一种二氧化钛直接制备金属钛的方法。与现有的金属钛制备方法相比，本发明缩短了工艺流程、极大地降低了能耗，实现清洁生产，本发明通过以下技术方案实现。

一种二氧化钛直接制备金属钛的方法，其具体步骤如下：

（1）制备预还原二氧化钛电极：首先将二氧化钛粉、碳粉和PVA按照质量百分比100：（12～16）：（1～2）混合均匀并压制成块状混合物，然后在还原气氛中将块状混合物在温度为1200～1300℃的条件下煅烧1～4h得到预还原二氧化钛电极；或首先将二氧化钛粉、水和碳粉按照质量百分比100：（6～10）：（12～16）混合均匀并压制成直径为1～10mm的球团状混合物，然后在还原气氛中将球团状混合物在温度为1200～1300℃的条件下煅烧1～2h得到预还原二氧化钛球团，最后将球团装入钛篮内即得到预还原二氧化钛电极；

（2）制备金属钛：以步骤（1）得到的预还原二氧化钛电极为阴极，石墨或其它惰性材料为阳极，在电解液为离子液体、电解电压为2.8～3.2V、电解温度为25～120℃的条件下进行电解还原12～48h，然后取出阴极，冲洗和干燥即得到阴极产物金属钛。

所述钛篮的网孔目数为100～200目。