[发明专利]一种电解-钛碳硫阳极-制备金属钛的方法

说明书

本发明提出一种钛/碳/硫可溶性阳极电解制备金属钛的方法，涉及有色金属冶金矿物处理及熔盐电化学提取钛冶金技术领域。该方法以含钛矿原料、碳(C)和硫(S)为原料经烧结等技术，成功制备出导电性良好的钛碳硫阳极材料。采用该钛碳硫阳极在熔盐电解质体系中成功制备金属钛。采用本发明所述以钛碳硫可溶性阳极，在熔盐电解过程中将在阴极沉积金属钛，阳极产生CS₂气体，且该气体有效的应用于矿石的处理制备硫化钛原料，是一种工艺简单、能耗低、连续化生产且实现能源资源的高效循环利用。

技术领域

本发明属于有色金属提取技术领域，特别涉及含钛矿的二硫化钛处理、钛碳硫可溶性阳极的制备和高纯钛金属的熔盐提取方法。采用该钛碳硫阳极电解在阴极上直接沉积得到金属钛，阳极产生的CS₂气体实现能源材料循环高效利用。且整个电解过程中不产生阳极泥从而可实现连续化电解，将大幅降低钛的金属提取成本和含钛矿石的高效资源化利用。

背景技术

金属钛因其优异的物理化学性能，而被广泛应用于航空、航天、石油、化工、汽车、医疗器械、民用建筑等领域，而被俗有“未来金属”、“战略金属”等美誉。

到如今，金属钛工业化生产工艺主要以Kroll法为主，即金属镁还原四氯化钛法。其核心工艺是先将金属镁放入到反应器中，并加热到800～900℃，然后以一定的速度加入TiCl₄与熔融的金属Mg进行反应而制备Ti，其纯度约为99.7％。但是其冶金生产过程复杂、能耗大、成本高，并且需要高纯四氯化钛。从而造成金属钛的生产价格昂贵，大大限制了金属钛在民用市场的广泛应用。

为了寻找一种能够有效代替Kroll法的工艺，广大科研工作对TiO₂在熔体中的性能进行相关研究。2000年英国剑桥大学D.F.Fray教授课题组提出以压制烧结后的TiO₂为阴极，石墨棒为阳极，在CaCl₂电解质中进行电脱氧工艺,该工艺被称为FFC剑桥法(WO09963638)。目前，该工艺尚未工业化应用生产，主要是由于以下因素的影响：(1)电流效率较低；(2)阴极脱氧过程较为复杂；(3)TiO₂的纯度需要较高。相比于FFC工艺，2002年日本京都大学的Okabe和Ono研究组在氯化钙熔盐中，将TiO₂用电解得到的活性Ca还原TiO₂为钛金属。该工艺是通过阴极电解分解出的金属钙进一步还原TiO₂而得到。目前该工艺也没有工业化应用，其主要原因是存在电流效率低、产品含氧量较高以及对二氧化钛原料的要求较高等问题。该两项工艺都是针对电解槽体系中的阴极进行研究。

麻省理工学院的Sadoway教授课题在1700℃下电解含TiO₂氧化物的溶体，成功得到了液态金属钛。虽然该工艺简单，可连续生产，同时在阳极得到O₂；但是该工艺的电解温度巨高，对使用的坩埚和阳极材料需要极大的挑战，造成高昂的生产成本。并且阴极得到的钛在熔盐渣的底部，造成较高的氧含量，难于氧化物渣进行分离。因此，目前仍然无法工业化生产电解金属钛。

对于可溶性阳极的研究大约从上个世纪50年代开始，但都是针对碳化钛系列阳极进行。约1950年，E.Wainer教授以TiC和TiO为原料混合后，在2100℃下采用电弧炉熔炼形成TiC-TiO固溶体，并以该材料为阳极在氯化物溶体中进行电解，研究发现在阳极区域有CO气体生成，并且熔盐中没有阳极泥的产生，经长时间电解后，在阴极电极上沉积有金属钛。

日本学者Y.Hashimoto在TiO₂和C过量的混合物中，采用电弧熔炼制备氧掺杂碳化钛，并以其为阳极在熔盐中长时间电解，在阴极制备出了金属钛。但是其阳极制备过程中仍然依赖于高温(1700℃)的还原条件下，并且如果C含量过高，长时间电解将会造成阴阳极间的短路以及阳极泥的产生。