專利名稱：一種非接觸式金屬元素碳熱熔融還原方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于冶金材料領(lǐng)域，特別適用于純凈金屬的熔融還原。
前人利用氧離子傳導(dǎo)固體電解質(zhì)和混合導(dǎo)體，作為還原劑(脫氧劑、給出電子端)和被還原物(被脫氧物、得到電子端)的“隔離層”，避免了被還原產(chǎn)物受還原劑“污染”的問題，能夠進行深度脫氧或還原出高純金屬，特別是采用固體電解質(zhì)自身“電子短路”脫氧，電流密度提高了幾十倍，應(yīng)用潛力很大。但是，采用還原劑是二次資源，用電時同樣是二次資源，存在一次資源再加工過程，造成資金、勞動力的重復(fù)投入、資源的浪費，還加劇了大氣的污染；同時還存在固體電解質(zhì)或混合導(dǎo)體受熔渣侵蝕的問題。
一種非接觸式金屬元素碳熱熔融還原方法，包含氧離子傳導(dǎo)固體電解質(zhì)2、金屬-C熔體3、含被還原物的熔渣5、被還原物6、電極7，其特征在于本方法用煤炭做還原劑1，熔渣與固體電解質(zhì)間設(shè)置金屬保護隔離層4，兩電極7之間通過電化學(xué)控制儀8連接。
原理如

圖1所示，它以氧離子傳導(dǎo)固體電解質(zhì)、金屬-C熔體、含被還原物的熔渣和電化學(xué)控制儀，組成濃差電池，還原劑與含被還原物熔渣分居固體電解質(zhì)兩側(cè)，靠兩側(cè)的氧勢差進行電化學(xué)還原，其中熔渣與固體電解質(zhì)間設(shè)置金屬“保護隔離層”。金屬-C熔體可以由煤和金屬產(chǎn)生，可提供較低的氧分壓和較高活性的溶解碳；熔渣是含被還原物渣系，被還原物MO在渣內(nèi)解離成M2+和O2-；固體電解質(zhì)，既起著隔離還原劑與被還原產(chǎn)物的作用，同時能保證氧離子(O2-)傳輸，靠外電路電子傳導(dǎo)消除電場對氧離子傳導(dǎo)的抑制作用；外電路連接電化學(xué)控制儀，起調(diào)節(jié)和監(jiān)測作用；另外，“保護隔離層”，解決了固體電解質(zhì)和電極受熔渣浸蝕問題。
金屬-C熔體3中金屬為Fe，Co，Ni等能溶解碳的金屬液，氧離子傳導(dǎo)固體電解質(zhì)2以ZrO2基二元系中摻雜氧化物主要有以CaO、MgO為代表的堿土金屬氧化物和以Y2O3、Sc2O3為代表的稀土金屬氧化物，另外還有ZrO2-Y2O3系中添加Yb2O3、Sc2O3等低價金屬氧化物，ZrO2-Y2O3系中添加Al2O3、Bi2O3等，或混合摻雜。
金屬保護隔離層4為Ag，Cu，F(xiàn)e，Sn等金屬，具體視被還原產(chǎn)物而定，如還原鐵氧化物時，希望還原成純鐵可用金屬鐵，希望形成Cu-Fe合金可用金屬銅等。
還原金屬氧化物如鉍氧化物、銻氧化物、鉛氧化物、錫氧化物、銅氧化物、鎳氧化物、鈷氧化物、鐵氧化物或錳氧化物獲得純金屬，金屬保護隔離層4相應(yīng)分別為金屬鉍、銻、鉛、錫、銅、鎳、鈷、鐵或錳。
還原非鐵氧化物如硅氧化物、鎳氧化物、錳氧化物、鉻氧化物、鈦氧化物、鉬氧化物或鎢氧化物獲得鐵合金，金屬保護隔離層4為金屬鐵或相應(yīng)的鐵合金。
還原銅氧化物、錫氧化物或銻氧化物獲得鐵合金，金屬保護隔離層4分別為金屬銅、錫、銻或相應(yīng)的鐵合金。
還原鎂氧化物或鈣氧化物獲得鎂蒸汽或鈣蒸汽，金屬保護隔離層4為金屬鐵。
電極陽極用石墨電極，陰極用Mo-ZrO2、Co-ZrO2、Ni-ZrO2、Ru-ZrO2、W-ZrO2，以及W-CeO2-ZrO2，W-Y2O3-ZrO2，W-La2O3-ZrO2等金屬陶瓷，具體因溫度和保護隔離層4而定，如Mo-ZrO2陶瓷可用于鐵液“保護隔離層”，Co-ZrO2、Ni-ZrO2陶瓷用于銅液“保護隔離層”，而Ru-ZrO2陶瓷可用于更高溫度的金屬熔體保護隔離層。
電化學(xué)控制儀8電壓調(diào)節(jié)范圍，0-1.2V。
本發(fā)明與傳統(tǒng)的接觸式還原相比，它以固體電解質(zhì)作為還原劑和被還原物的“隔離層”，避免了被還原物產(chǎn)物受還原劑“污染”問題，可以縮短冶金流程；與傳統(tǒng)的電解法還原相比，使用煤為主要還原劑和發(fā)熱劑，克服了熱電轉(zhuǎn)換效率低所帶來的能耗大、環(huán)境污染等問題；與現(xiàn)有采用固體電解質(zhì)或混合導(dǎo)體為“隔離層”的方法相比，可以使用一次資源—煤作為還原劑，便于應(yīng)用，而且活性大、氧分壓穩(wěn)定；固體電解質(zhì)與含被還原物熔渣間引進“保護隔離層”，解決了固體電解質(zhì)和電極受熔渣浸蝕問題。另外，固體電解質(zhì)容器構(gòu)成CO發(fā)生器，外面容器上面是渣、下面是金屬，能連續(xù)裝料和排料，為連續(xù)操作、提高產(chǎn)量，提供了可能性。
圖2是在外加電壓等于零條件下應(yīng)用還原劑與被還原物非接觸式碳熱熔融還原方法實施實例，其中I為非碳飽和Fe-C熔體下的還原結(jié)果，II為碳飽和熔體下的還原結(jié)果，圖3碳飽和Fe-C熔體下含鐵熔渣的還原率。
氧離子傳導(dǎo)固體電解質(zhì)是ZrO2基二元系中摻雜了MgO。金屬保護隔離層為金屬銅，還原產(chǎn)物為Cu-Fe合金。電極陽極用石墨電極，陰極用Mo-ZrO2。電化學(xué)控制儀電壓調(diào)節(jié)范圍，0-1.2V。
權(quán)利要求
1.一種非接觸式金屬元素碳熱熔融還原方法，包含氧離子傳導(dǎo)固體電解質(zhì)(2)、金屬-C熔體(3)、含被還原物的熔渣(5)、被還原物(6)、電極(7)，其特征在于本方法用煤炭做還原劑(1)，熔渣與固體電解質(zhì)間設(shè)置金屬保護隔離層(4)，兩電極(7)之間通過電化學(xué)控制儀(8)連接。
2.如權(quán)利要求1所述的金屬元素碳熱熔融還原方法，其特征在于還原金屬氧化物如鉍氧化物、銻氧化物、鉛氧化物、錫氧化物、銅氧化物、鎳氧化物、鈷氧化物、鐵氧化物或錳氧化物獲得純金屬，金屬保護隔離層(4)相應(yīng)分別為金屬鉍、銻、鉛、錫、銅、鎳、鈷、鐵或錳。
3.如權(quán)利要求1所述的金屬元素碳熱熔融還原方法，其特征在于還原非鐵氧化物如硅氧化物、鎳氧化物、錳氧化物、鉻氧化物、鈦氧化物、鉬氧化物或鎢氧化物獲得鐵合金，金屬保護隔離層(4)為金屬鐵或相應(yīng)的鐵合金。
4.如權(quán)利要求1所述的金屬元素碳熱熔融還原方法，其特征在于還原銅氧化物、錫氧化物或銻氧化物獲得鐵合金，金屬保護隔離層(4)分別為金屬銅、錫、銻或相應(yīng)的鐵合金。
5.如權(quán)利要求1所述的金屬元素碳熱熔融還原方法，其特征在于還原鎂氧化物或鈣氧化物獲得鎂蒸汽或鈣蒸汽，金屬保護隔離層(4)為金屬鐵。
全文摘要
屬于冶金材料領(lǐng)域，特別適用于純凈金屬的熔融還原。發(fā)明包含氧離子傳導(dǎo)固體電解質(zhì)2、金屬－C熔體3、含被還原物的熔渣5、被還原物6、電極7，特征在于本方法用煤碳做還原劑1，熔渣與固體電解質(zhì)間設(shè)置金屬保護隔離層4，兩電極7之間通過電化學(xué)控制儀8連接。與傳統(tǒng)的接觸式還原比，避免了被還原物產(chǎn)物受還原劑“污染”問題，可縮短冶金流程；與傳統(tǒng)的電解法還原比，克服了熱電轉(zhuǎn)換效率低所帶來的能耗大、環(huán)境污染等問題；與現(xiàn)有采用固體電解質(zhì)或混合導(dǎo)體為“隔離層”的方法比，用煤作為還原劑，便于應(yīng)用，且活性大、氧分壓穩(wěn)定；固體電解質(zhì)與含被還原物熔渣間引進“保護隔離層”，解決了固體電解質(zhì)和電極受熔渣浸蝕問題。
文檔編號C22B5/00GK1442497SQ03121189
公開日2003年9月17日 申請日期2003年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月27日
發(fā)明者郭興敏, 高運明, 周國治 申請人:北京科技大學(xué)