[发明专利]一种金属钛的提取方法

说明书

技术领域

一种熔盐电解生产钛的方法，涉及一种熔盐电解冶金生产金属的方法，特别是熔盐电解提取钛的方法。

背景技术

钛是难熔金属中的轻金属，钛合金的强度可以与高强度钢相媲美，同时具有很好的耐热和耐低温性能以及很好的耐腐蚀能力。钛的这些优点，使其广泛应用于航天、石油、能源、交通、化工、生物医学等领域，并且其应用领域正在不断的扩展。有些专家甚至预测，钛将成为继铁、铝之后的“第三金属”，21世纪将是“钛的世纪”。但是钛的价格过于昂贵，主要是由于钛的提取过程过于复杂。目前在工业生产中广泛应用的方法只有l937年卢森堡科学家Kroll.W.A.用镁还原TiCl₄成功地制取了海绵钛的Kroll法，虽然经过几十年的发展，Kroll法有了一定的改进，但还是由于其工艺流程冗长，各操作过程很难实现连续化作业，而且能耗过高，使得钛的成本居高不下，所以努力寻求一种连续化、低成本的钛的生产方法成为国内外冶金专家共同关注的焦点。

目前基于钛的冶炼新方法繁多，大体可以归纳为TiO₂直接电解法、TiO₂钙热还原法、TiO₂铝热还原法、TiO₂溴还原法、TiCl₄电解法、TiCl₄镁还原法、TiCl₄钠还原法、TiCl₄氢还原法等等。其中各种方法又可以细分为多种方法。比如TiO₂直接电解法根据还原机理、前驱物来源又可以分为FFC剑桥工艺（熔融CaCl₂中电化学还原TiO₂烧结体）、Ti渣的电化学还原、熔融盐中溶解TiO₂的电化学还原、TiO₂的碳还原等等。以上方法各有优缺点，其中FFC剑桥工艺是目前钛提取工艺中最引人注目的方法。该工艺具体过程是：将二氧化钛粉末压制成型后，制成复合阴极，石墨做阳极，熔融氯化钙作为电解质，在电解温度800~1000℃，电压3.0~3.2V下电解，阴极电解出的阳离子迁移到阳极放电，阴极直接还原为金属钛。该方法可以大幅度降低金属钛及其合金的生产成本，是一种过程简单、成本较低、环境友好的全新材料生产方法。据公开文献报道，该方法可以在3.0~3.2V的电解电压下，将TiO₂较快地还原为金属钛，但需要较长电解时间以降低金属钛中的固溶氧含量。由于熔盐的本征电子导电等因素的影响，长时间电解决定了目前大多数实验室在研究FFC方法过程中得到的低电流效率（2000ppm氧含量 vs. 15%电流效率）。

发明内容

本发明的目的是针对上述已有技术存在的不足，提供一种能有效提升电解过程电流效率、降低能耗的熔盐电解提取钛方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：将压制成型的TiO₂试片与金属集流体复合作为阴极，以石墨作为阳极，在氩气气氛中，在熔融的碱金属氯化物中，电解温度400~700℃，电解电压为2.0~3.2V，阴极还原为Li_xTiO₂，其中x≤1；将取出的阴极置入熔融CaCl₂电解质中继续作为阴极，以石墨作为阳极，在氩气气氛中，电解温度850~900℃，电解电压3.0~3.2V，电解结束后，阴极为金属钛。

其中，TiO₂试片为市售TiO₂粉末压制成型，压力为2~10MPa，烧结温度为300~900℃，烧结时间1~4小时。

上述金属集流体为丝状、网状或片状的钛、不锈钢、钼、钨或镍。

上述碱金属卤化物为LiCl、LiCl与NaCl或KCl中的一种或两种的混合物。

本发明采用两步电化学还原法还原TiO₂制备金属钛，即先将TiO₂在碱金属氯化物熔盐中电还原为低价的钛化合物，然后再将低价钛化合物在含氯化钙的熔盐中电解制备金属钛。其中，由于第一步还原过程电流效率可以达到90%(钛价态由+4还原为+4-x（x≤1）价)，故而显著提高提取钛的电解电流效率，降低生产能耗。实验表明，与一步电解还原法得到相同氧含量钛相比，采用本发明的方法，电解效率最高可以提升22%，能耗最多下降20%。

附图说明

图1是实施例1钛的X衍射图谱。

图2是实施例1钛的扫描电镜照片。

具体实施方法