專利名稱：一種連續(xù)熔鹽電解制備金屬鈦的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種連續(xù)電解鈦的方法，特別涉及一種連續(xù)熔鹽電解制備金屬鈦的方法。
背景技術(shù)：
鈦及鈦合金具有比重輕、比強(qiáng)度高、高溫下抗蠕變性能好、耐腐蝕等優(yōu)良性能，在航空航天、冶金、汽車等行業(yè)廣泛用做結(jié)構(gòu)材料，同時(shí)還可以作為功能材料如儲氫材料、形狀記憶合金材料等。目前海綿鈦的生產(chǎn)工藝為Kroll法，也稱為鎂熱還原法，該方法是先由含鈦的礦物制取四氯化鈦，再用鎂還原四氯化鈦從而制得海綿鈦，最后經(jīng)過真空自耗電電弧熔煉制成致密鈦錠，然后經(jīng)過軋制、車削等機(jī)械手段制成最終產(chǎn)品?，F(xiàn)行鎂還原法雖然是比較成熟的工業(yè)生產(chǎn)方法，但是由于生產(chǎn)過程存在工藝流程長、工序多、能耗高、不能連續(xù)生產(chǎn)等問題，并且所用的金屬還原劑鎂也是由電解得到，因此生產(chǎn)成本高，環(huán)境污染嚴(yán)重，限制了鈦的應(yīng)用。為了降低鈦的生產(chǎn)成本，世界各國的研究人員積極尋求新的低成本鈦冶金工藝，其中最具代表性的是劍橋大學(xué)Fray教授等提出了一種以二氧化鈦為原料在熔融氯化鈣中陰極脫氧生產(chǎn)海綿鈦的新工藝，該方法的成本比Kroll法低，因此氧化物電解直接生產(chǎn)金屬鈦成為鈦冶煉的研究熱點(diǎn)，但該工藝本身存在固有的缺點(diǎn)，就是二氧化鈦?zhàn)麝帢O又脫氧，氧從陰極板擴(kuò)散到陽極速度慢，電流效率低。本發(fā)明人的申請?zhí)枮镃N2008101186163的在先申請?zhí)峁┝艘环N高溫熔鹽電解二氧化鈦制備金屬鈦的方法，該方法在造粒時(shí)添加水和粘結(jié)劑，存在干燥的時(shí)間較長，能耗很高，并且粘結(jié)劑的使用使得在溫度高時(shí)破壞爐內(nèi)氣氛，增加雜質(zhì)含量等問題。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，申請人在對其進(jìn)一步深入研究的基礎(chǔ)上，提出了一種通過高溫熔鹽電解二氧化鈦連續(xù)制備 金屬鈦的方法，該方法可以克服上述問題，從而解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的工藝流程長、工序多、能 耗高、不能連續(xù)生產(chǎn)、雜質(zhì)多等一系列問題。本發(fā)明的技術(shù)方案是提供了一種連續(xù)熔鹽電解制備金屬鈦的方法，所述方法采用如下步驟實(shí)施第一步、將二氧化鈦直接用造粒機(jī)進(jìn)行造粒，制得粒度為2_8mm的顆粒，將粒度為2-8mm的顆粒在溫度150_300°C下干燥處理20_30min后制得二氧化鈦球團(tuán)；第二步、將制備好的二氧化鈦球團(tuán)加入到熔池中，將電解質(zhì)加入熔池中，所述電解質(zhì)是氟化鈣或者是氟化鈣與氟化鋰的混合熔鹽，該混合熔鹽中氟化鋰的重量百分比含量為5-20% ;電解質(zhì)加入量為熔池容量的2/3，鈦高溫電解爐抽真空度至IX KT1-SX 10_3Pa，向鈦高溫電解爐中充入氬氣，保持電解壓力為IO-1OOPa ；第三步、電解時(shí)，電解電源的正極與電解池陽極連接，電解電源的負(fù)極與熔池相連，陽極電極采用石墨材料加工；在電源輸出電流l_30kA，電解溫度1800-1900°C條件下進(jìn)行電解，電解50-900min后，開始進(jìn)入出料工序；
第四步、出料時(shí)加熱導(dǎo)流管，使其出口處的溫度達(dá)到1800-1900°C，打開球閥，使鈦液通過導(dǎo)流管流入到冷卻室的接收坩堝中，出料完畢后，關(guān)閉球閥；產(chǎn)品在冷卻室冷卻后， 打開冷卻室的門取出鈦錠。
本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明通過高溫下以石墨電極為陽極，以二氧化鈦原料為陰極，在氟化鈣或者是氟化鈣與氟化鋰的混合熔鹽中進(jìn)行電解，二氧化鈦被電解還原為液態(tài)的鈦，由于密度的差異，鈦沉到最底層，當(dāng)累積的鈦達(dá)到一定的量后，從高溫爐底部出料。 由于高溫下氧陰離子擴(kuò)散速度快，從而加速了脫氧速度，因而該方法電流效率高，電耗低， 同時(shí)由于產(chǎn)品金屬鈦為液體，可使二氧化鈦電解實(shí)現(xiàn)連續(xù)化，因此能夠大幅度降低鈦的生產(chǎn)成本，與傳統(tǒng)工藝比較可節(jié)能50%，電流效率提高到90%以上。


以下將結(jié)合附圖1和2對本發(fā)明所述的鈦高溫電解爐進(jìn)行詳細(xì)說明，其中
圖1是本發(fā)明所述的用于高溫熔鹽電解二氧化鈦連續(xù)制備金屬鈦的高溫電解爐的不意圖2是本發(fā)明所述的用于高溫熔鹽電解二氧化鈦連續(xù)制備金屬鈦的高溫電解爐系統(tǒng)的不意圖。
其中1-熔池、2-發(fā)熱元件、3-隔熱屏、4-保溫棉、5-帶有水冷套的爐殼、6_帶有水冷套的爐蓋、7-耐火磚、8-加料管、9-電極、10-導(dǎo)流管、11-加熱元件、12-出料裝置隔熱屏、13-出料裝置耐火磚、14-出料室外殼、15-閥座、16-球體、17-閥桿、18-出料坩堝、 19-冷卻室、20-整流器、21-變壓器、22-加料器、23-電極卡頭、24-電極夾持臂、25-電解室、26-出料室、27-立柱導(dǎo)軌、28-尾氣處理裝置。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明涉及的鈦高溫電解爐系統(tǒng)主要包括高溫電解爐、整流器20、變壓器21、導(dǎo)電橫臂、加料器22、尾氣處理裝置28。
在該發(fā)明中，電解室25主要包括熔池1、發(fā)熱元件2、隔熱屏3、保溫棉4、帶有水冷套的爐殼5和帶有水冷套的爐蓋6，其中電解室25為長方體，長3m，寬1. 5m,高2m。電解室25底部鋪設(shè)耐火磚7。熔池I為長方形，位于電解室25的中心，由石墨材料制成，用做高溫熔鹽電解用的電解池，在電解的過程中兼做熔鹽電解用的陰極。在距離熔池I外側(cè)面 5 10cm的四周安裝有發(fā)熱元件2，發(fā)熱元件2與熔池I的側(cè)壁是平行的，發(fā)熱元件2由石墨材料制成。為提高爐內(nèi)溫度場的均勻性，爐膛分為四區(qū)控溫，每區(qū)構(gòu)成獨(dú)立閉環(huán)回路，進(jìn)行溫度控制。為了進(jìn)一步地減少爐壁的散熱損失和蓄熱損失，提高爐子的熱效率，在發(fā)熱元件 2的四周平行設(shè)置石墨隔熱屏3，隔熱屏3圍繞加熱元件2形成長方形，其主要作用是隔熱、 保溫及減少熱損失。在隔熱屏3的外層和帶有水冷套的爐殼5之間填充保溫棉4，以減少熱量的損失。帶有水冷套的爐殼5為長方形，由具有良好焊接性能的軋制鋼板加工而成，為防止加熱不均勻弓I起變形和保護(hù)密封圈，在爐殼的四周焊接有水冷套。帶有水冷套的爐蓋6 與電解室25的帶有水冷套的爐殼5通過法蘭連接，中間有高溫密封圈，可以保證電解室25 的密封。為了防止熱輻射造成爐蓋過熱和變形，以及保護(hù)密封元件，在爐蓋的上表面焊接有冷卻水套。電解室25帶有水冷套的爐蓋6有均勻分布的一個(gè)或多個(gè)電極口，電`極9采用一根或多根石墨電極，電極直徑為10(T700mm，電極9從爐蓋頂部上方插入爐中，工作時(shí)電極可分別獨(dú)立調(diào)整。為保證爐內(nèi)氣氛和絕緣，電極9與帶有水冷套的爐蓋6之間有密封和絕緣裝置。為了保證電解的連續(xù)進(jìn)行，在電解室25帶有水冷套的爐蓋6上均勻分布一個(gè)或多個(gè)加料管8，加料管8帶有密封裝置，具有防止散熱、防止漏氣的功能。在電解室25帶有水冷套的爐蓋6上設(shè)置液體鈦出料裝置，通過氣動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)液體鈦出料裝置的開啟和關(guān)閉。電解室25的下方是出料室26，使液體鈦從電解室25的熔池I流入到冷卻室19中進(jìn)行冷卻。出料室26主要由導(dǎo)流管10、加熱元件11、出料裝置隔熱屏12、出料裝置耐火磚13和出料室外殼14組成。導(dǎo)流管10由石墨材料制成，與熔池I底部的閥座15相連，一直深入到冷卻室19中。為了防止在出料過程中液鈦溫度降低凝固，保證導(dǎo)流管10的溫度在鈦的熔點(diǎn)以上，使鈦在液體狀態(tài)下出料，在導(dǎo)流管10的四周設(shè)有加熱元件11，用于加熱導(dǎo)流管10，加熱元件11由石墨材料制成。為了減少熱輻射，在加熱元件11四周設(shè)置:T5層同心的圓筒形出料裝置隔熱屏12，出料裝置隔熱屏12由石墨材料制成。在出料裝置隔熱屏12外設(shè)置出料裝置耐火磚13。外圍有不銹鋼外殼14。電解室25和出料室26通過法蘭相連，出料室26和冷卻室19通過法蘭相連。冷卻室19位于出料室26的下方，采用普通碳鋼制做而成，冷卻室19整體密閉，出料坩堝18位于冷卻室19內(nèi)。高溫爐整體密封，帶有真空泵預(yù)抽裝置，升溫前將爐內(nèi)空氣排出，然后充入氬氣，在氬氣保護(hù)氣氛下進(jìn)行電解。整流器20是為二氧化鈦電解提供電解所需的電源，整流器20是將交流電變?yōu)橹绷麟?，通過變壓，輸出電壓為0-10V，輸出電流為0-30kA。整流器20的正極與電極9相連，整流器20的負(fù)極與高溫電解爐的 陰極相連。變壓器21為磁性變壓器，調(diào)壓范圍為10V-110V，其主要作用是提供高溫電解爐加熱用的電源，變壓器21的引出端與高溫電解爐的水冷銅電極相連，通過調(diào)整電壓從而控制高溫電解爐的溫度。導(dǎo)電橫臂的作用是把持石墨電極，帶動(dòng)電極升降。導(dǎo)電橫臂主要由電極卡頭23、電極夾持臂24、立柱導(dǎo)軌27、鋼平臺組成。電極夾持臂24與電極卡頭23相連，電極卡頭23夾持有石墨電極9，通過卡頭把石墨電極固定住，立柱內(nèi)裝有升降油缸，通過升降油缸的作用，控制導(dǎo)電橫臂的上下運(yùn)動(dòng)，從而使電極可以根據(jù)電極的消耗情況進(jìn)行調(diào)節(jié)。油缸的運(yùn)動(dòng)是通過液壓站來控制。隨著電解的進(jìn)行，原料在不斷地消耗，為保證電解的連續(xù)進(jìn)行以及電解工藝的穩(wěn)定性，在電解過程中需要不斷補(bǔ)充原料二氧化鈦。二氧化鈦是通過加料器22加入，加料器22包括箱體，漏料斗，金屬軟管和漏料鋼管，漏料斗的一端為矩形開口，通過法蘭板與箱體的下端開口固定連通，另一端為圓形開口，該圓形開口與金屬軟管的一端固定連通，該金屬軟管的另一端與漏料鋼管的一端連接。由于鈦高溫電解爐采用了全封閉設(shè)計(jì)，尾氣從出氣口排放，而該尾氣主要包含氟化氫氣體和少量的固體氟化鈣粉塵或者是氟化鈣與氟化鋰的混合粉塵。氟化氫氣體對人體有傷害，并且氟化鈣粉塵也會(huì)污染環(huán)境。本發(fā)明還包括為鈦高溫電解爐提供的一套尾氣處理裝置28，該吸收系統(tǒng)操作簡單，利于環(huán)保，對尾氣中的氟化氫具有很好的吸收效果。電解過程
將二氧化鈦直接用造粒機(jī)進(jìn)行造粒，制得粒度為2-8mm的顆粒，將粒度為2_8mm的顆粒在溫度150-300°C下干燥處理20-30min后制得二氧化鈦球團(tuán)。本發(fā)明在此步驟進(jìn)行造粒時(shí)不添加水和粘結(jié)劑，顆粒的粒度范圍也改變了，干燥時(shí)間縮短，這樣在造粒時(shí)不添加 7K，減少了干燥的時(shí)間，降低了能耗。如果在造粒時(shí)添加粘結(jié)劑，在原料加入到電解爐中進(jìn)行電解時(shí)，由于溫度高，粘結(jié)劑會(huì)揮發(fā)，會(huì)破壞爐內(nèi)氣氛，增加產(chǎn)品雜質(zhì)含量。此外使用粘結(jié)劑也會(huì)增加成本。因此，本發(fā)明在此工藝過程中也不添加水和粘結(jié)劑，另外，將原料粒度控制在2-8mm,該粒度范圍能夠使原料加料順利。干燥處理時(shí)間縮短為20_30min,主要是造粒時(shí)不加入水因此顆粒的含水量低，因此干燥處理的時(shí)間也相應(yīng)縮短，降低了能耗。將制備好的二氧化鈦球團(tuán)加入到熔池I中，將電解質(zhì)加入熔池I中，所述電解質(zhì)是氟化鈣或者是氟化鈣與氟化鋰的混合熔鹽，該混合熔鹽中氟化鋰的重量百分比含量為5 20%。電解質(zhì)加入量為熔池I容量的2/3。鈦高溫電解爐抽真空度至IX 10_^5X 10_3Pa，向鈦高溫電解爐中充入氬氣，保持電解壓力為l(Tl00Pa，本發(fā)明在電解時(shí)，電解電源的正極與電解池陽極連接， 電解電源的負(fù)極與熔池I相連。陽極電極采用石墨材料加工。在電源輸出電流l 30kA，電解溫度180(Tl90(TC條件下進(jìn)行電解，電解5(T900min后，開始進(jìn)入出料工序。本發(fā)明的電解過程與現(xiàn)有技術(shù)相比省略了在第一電解溫度出鐵的過程，這是因?yàn)槭褂玫脑蠟槎趸?，其中含有的雜質(zhì)鐵的量很少，因此可以省略，產(chǎn)品中含有的雜質(zhì)可以利用雙出料口的設(shè)計(jì)排出，避免污染產(chǎn)品。
出料時(shí)加熱導(dǎo)流管，使其出口處的溫度達(dá)到180(Tl90(TC。開啟氣動(dòng)裝置，連接桿帶動(dòng)連接法蘭、石墨閥桿和球閥向上運(yùn)動(dòng)，使球閥離開石墨閥座，此時(shí)，液體鈦從石墨閥座的開口處通過導(dǎo)流管流入到冷卻室的接收坩堝中，出料工序完成后，開啟氣動(dòng)裝置，連接桿帶動(dòng)連接法蘭、石墨閥桿和球閥向下運(yùn)動(dòng)，使球閥壓緊在石墨閥座上，此時(shí)液體鈦停止出料，關(guān)閉加熱電源。產(chǎn)品在冷卻室冷卻后·，打開冷卻室的門取出鈦錠。將鈦錠取樣分析測定其純度為99. 9993%。
權(quán)利要求
1.一種連續(xù)熔鹽電解制備金屬鈦的方法，其特征在于第一步、將二氧化鈦直接用造粒機(jī)進(jìn)行造粒，制得粒度為2-8mm的顆粒，將粒度為 2-8mm的顆粒在溫度150_300°C下干燥處理20_30min后制得二氧化鈦球團(tuán)；第二步、將制備好的二氧化鈦球團(tuán)加入到熔池中，將電解質(zhì)加入熔池中，所述電解質(zhì)是氟化鈣或者是氟化鈣與氟化鋰的混合熔鹽，該混合熔鹽中氟化鋰的重量百分比含量為 5-20% ;電解質(zhì)加入量為熔池容量的2/3，鈦高溫電解爐抽真空度至IX KT1-SX 10_3Pa，向鈦高溫電解爐中充入氬氣，保持電解壓力為IO-1OOPa ；第三步、電解時(shí)，電解電源的正極與電解池陽極連接，電解電源的負(fù)極與熔池相連，陽極電極采用石墨材料加工；在電源輸出電流l_30kA，電解溫度1800-1900°C條件下進(jìn)行電解，電解50-900min后，開始進(jìn)入出料工序；第四步、出料時(shí)加熱導(dǎo)流管，使其出口處的溫度達(dá)到1800-19000C，打開球閥，使鈦液通過導(dǎo)流管流入到冷卻室(19)的接收坩堝中，出料完畢后，關(guān)閉球閥；產(chǎn)品在冷卻室(19)冷卻后，打開冷卻室(19)的門取出鈦錠。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種連續(xù)熔鹽電解制備金屬鈦的方法，其特征在于第一步、將二氧化鈦直接用造粒機(jī)進(jìn)行造粒，制得二氧化鈦球團(tuán)；第二步、將制備好的二氧化鈦球團(tuán)加入到熔池中，第三步、電解時(shí)，電解電源的正極與電解池陽極連接，電解電源的負(fù)極與熔池相連，電解后，開始進(jìn)入出料工序；第四步、出料時(shí)加熱導(dǎo)流管，打開球閥，使鈦液通過導(dǎo)流管流入到冷卻室的接收坩堝中，出料完畢后，關(guān)閉球閥；產(chǎn)品在冷卻室冷卻后，打開冷卻室的門取出鈦錠。通過上述方法，可使二氧化鈦電解實(shí)現(xiàn)連續(xù)化，因此能夠大幅度降低鈦的生產(chǎn)成本。
文檔編號C25C3/28GK103060850SQ20131003941
公開日2013年4月24日 申請日期2013年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月31日
發(fā)明者賈文成, 劉美鳳, 沈博, 劉光宏 申請人:寶納資源控股(集團(tuán))有限公司