[发明专利]氧化物熔融电解-真空精馏连续制备高纯钛的方法和设备

说明书

本发明涉及一种氧化物熔融电解‑真空精馏连续制备高纯钛的方法和设备，属于电化学冶金和真空冶金领域。工艺步骤如下：在电解炉内添加金属或合金阴极与含钛氧化渣电解质，使用惰性电极或石墨做阳极；在高温条件下进行电解，将电解得到的含钛合金送入精馏炉进行精馏，分离钛与金属或合金阴极；使金属或合金阴极通过蒸发回到电解炉中实现循环。整个操作过程通过控制精馏炉与电解炉实现氧化物熔融电解‑真空精馏连续制备高纯钛。本发明符合绿色冶金要求，利用电化学冶金与真空冶金原理，连续化综合回收冶金二次资源，具有能耗低、操作简单、流程短等优点。

技术领域

本发明涉及一种氧化物熔融电解-真空精馏连续制备高纯钛的方法和设备，属于电化学冶金和真空冶金领域。

背景技术

钛因其高的比强度、耐腐蚀性和良好的生物相容性，被认为是未来的金属，广泛应用于航空航天、石化、核电、船舶、潜艇和生物医学等领域。其在地壳中约占0.42％，是铜、镍、铅、锌的总量的16倍。但是含钛矿物大多为复合矿石，难以进行直接冶炼。目前，Kroll法是钛主要工业生产方法，该方法在生产钛的同时，对中间物四氯化钛、镁等具有较高的要求，同时对设备的气密性、精密度要求苛刻，此外Kroll法的间断生产也是其高成本的原因之一。因此，低成本钛制备新技术已成为钛工业发展的瓶颈。熔盐电解是提取金属的有效方法之一，在铝、镁、锂、钕的工业生产中得到了广泛应用。但是在钛熔盐电解工艺发开发过程中，若将二氧化钛或钛氧化物作为阴、阳极，其导电效果较差、电流效率低，且由于沉积在阴极上的钛容易与碳、氧、氮结合，所以产品中的气体元素含量较高。因此，采用氧化物熔融电解法，在熔融氧化物的电解过程中，采用液态金属阴极，可以实现钛向液态金属阴极的扩散，从而避免钛的二次氧化，降低产品的氧含量。所得产品可作为合金使用或经过精馏得到高纯钛。

专利CN109825854A公开了一种熔盐电解-高温蒸馏制备高纯钛金属的装置及方法，所述方法以含钛卤化物为电解质，以液态金属(铅、铋、锡等)为阴极，以海绵钛或可溶含钛物质(钛碳氧固溶体等)为阳极，再将电解后阴极含钛合金进行蒸馏，得到高纯钛。但是该方法电解质来源困难，操作过程为间断操作，蒸馏过程为普通蒸馏，无法一次性得到高纯金属钛，能耗、成本较高。

专利CN109055994A公开了一种含钛高炉渣连续化电解制备高纯钛的方法，采用双电解槽，分别以含钛高炉渣、熔融卤化物、为电解质，以金属液为阴极，以石墨阳极进行电解。但是该方法电解能耗过高，采用两步电解，生产效率低下，且产物需要进一步处理。

因此，需要开发一种氧化物熔融电解-真空精馏连续制备高纯钛的方法和设备，丰富原料来源，缩短工艺流程，降低生产能耗，实现生产过程安全、高效、无污染，降低元素损失。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题及不足，本发明提供一种氧化物熔融电解-真空精馏连续制备高纯钛的方法和设备。相对于传统Kroll生产海绵钛，本方法原料来源广，产品纯度高，生产成本低廉、流程短，可实现高纯钛的连续、绿色、高效化生产。本发明通过以下技术方案实现：

一种氧化物熔融电解-真空精馏连续制备高纯钛的方法和设备，其特征在于：设备包括精馏炉(Ⅰ)与电解炉(Ⅱ)；具体包括蒸发导管(1)，精馏盘(2)，精馏料口(3)，高纯钛收集器(4)，送渣口(5)，阳极(6)，含钛氧化渣电解质(7)，出渣口(8)，液态金属或合金阴极(9)等设备。电解炉底部放置金属和合金作为阴极，在阴极上方通过送渣口添加一定量的含钛氧化渣电解质，当含钛氧化渣中钛离子活度下降时可通过出渣口排出；阳极采用惰性电解或者石墨电极；精馏炉内部有多层塔盘组成，最下方为高纯钛收集器，最上方为蒸发导管，与电解炉相连，通过液封保障精馏炉内真空状态。具体操作步骤如下：

步骤1：开炉时优先在电解炉底部放置金属或合金作为阴极，通过送渣口添加一定量的含钛氧化渣电解质于电解炉内；升温至含钛氧化渣熔点50～200℃以上，进行预熔1～3h，之后下放阳极至电解质中，同时对阳极与阴极进行通电，开始电解；