[发明专利]一种含钛废渣直接制备钛及钛合金的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种含钛废渣直接制备钛及钛合金的方法，属于电化学冶金技术领域。

技术背景

从钛铁矿到四氯化钛的生产过程中，要产生大量的废渣。包括电炉烟尘、钛铁渣、过细高钛渣、氯化炉渣、收尘残渣等。据统计，每生产1吨四氯化钛要产生200千克左右的废渣，其中烟尘34千克，钛铁渣18千克，过细高钛渣46千克，炉渣40千克，收尘渣60千克。我国钛行业每年产生的各种废渣有数千吨，这些废渣如不进行回收利用，将给环保带来很大的难题和资源的严重浪费。如何处理这些废渣，以实现回收利用，降低生产成本，减轻对环境的污染，是一个非常值得探索的课题。

目前，一些生产规模较小的厂家对烟尘、钛铁渣、过细高钛渣都直接作废弃处理，氯化渣经石灰水冲洗水解其中氯化物后，残渣直接排放，规模较大的厂家对氯化炉渣的处理主要是通过摇床水洗选出其中的二氧化钛(人造金红石)，再将金红石配人氯化炉料中生产粗四氯化钛，这种方法劳动强度大，炉渣中的碳粒得不到利用，仍有大量洗后的废渣排放，且获得的人造金红石活性低，对氯化生产炉况的稳定也不利。国内外已有文献报道过对这些废渣的回收与利用方案，但仅限于对氯化及精制生产中产生的泥浆返回氯化炉进行回收处理，而对电炉烟尘、钛铁渣、过细高钛渣、氯化炉渣、收尘残渣等废渣的处理则基于工艺本身不够成熟，或是受产品用途的限制，以及经济上的可行性等原因，都有其局限性。

若直接将废渣返回钛渣电炉熔炼处理进行回收，由于废渣的活性较差、粘度较大，废渣的加入会降低熔炼炉内的透气性，造成炉内反应不良，使得熔炼时间延长，能耗升高，因此，废渣返回电炉熔炼的比例受到限制，回收率低。

对废渣中有价物质进行回收，提高金属的利用率，为实现钛工业的无废渣排放生产提供可能性，具有较好的经济和社会效益。

发明内容

本发明的目的是提供一种含钛废渣直接制备钛及钛合金的方法及其装置，以回收处理四氯化钛生产过程中大量产生的含钛废渣。

本发明一种含钛废渣直接制备钛及钛合金的方法，其特征在于具有以下的工艺过程及步骤：

a、将含钛废渣在高能球磨机中球磨2～3小时，以液体石蜡为粘结剂，利用粉末压样机在3～6MPa下于模具内压制成型，室温下自然干燥后，在1000～1100℃下氧化性气氛中烧结2小时，制得电解阴极；阳极为透氧膜管内碳粉饱和的液态铜或铜合金，透氧膜管为8％摩尔氧化钇掺杂的氧化锆管，以氯化钙作为熔盐电解质，电解槽中阴极与阳极垂直排列。

b、将电解槽置于加热炉中进行加热升温，当炉膛温度升至电解温度1000～1100℃时，将上述的电解阴极插入电解槽坩埚内的熔盐中进行电解，电解电压为3.0～3.5V，电解时间为2～6小时；电解获得的阴极产物即为金属钛及钛合金。

一种含钛废渣直接制备钛及钛合金的方法中所用的专用装置，该装置为一电解槽，它包括有坩埚、透氧膜管、碳粉饱和的铜液或铜合金、电极引线、刚玉片、熔盐电解质、废渣阴极。其特征在于：置于加热炉内的电解槽坩埚中盛有熔盐电解质，在坩埚内两侧设置有垂直平行布置的阴极和阳极；废渣阴极和透氧膜管都浸入熔盐电解质中；阴极和阳极各自通过电极引线与直流电源的正、负极相连接，并在两极间施加恒电压进行电解；在废渣阴极的引线伸出坩埚顶盖处设置有刚玉片，以起到绝缘作用。

所述的透氧膜管为8％摩尔氧化钇掺杂的氧化锆管；所述的熔盐电解质为氯化钙；所述的电解槽坩埚为石墨坩埚或刚玉坩埚。

本发明方法所述的原理如下所述：将含钛废渣作为电解阴极，在电场作用下，废渣中的氧发生氧离子化，生成的氧离子通过熔盐迁移至熔盐/透氧膜界面，再经过透氧膜迁移至透氧膜/铜液界面进行放电，铜液中的溶解氧与碳粉发生反应生成一氧化碳(二氧化碳)。随着阴极中的不断被电离而去除，最终留下的为钛或钛合金。具体电极反应为：

阴极反应：MeO_x+2xe＝Me+xO^2-

透氧膜/铜液界面：O^2-＝[O]_Cu+2e

阳极反应：C+[O]_Cu＝CO(g)

总反应：MeO_x+xC＝Me+xCO(g)

本发明的特点如下：

(1)利用透氧膜将阳极与熔盐隔离开，可避免副反应的发生；两极间可施加较高电压，可增大阴极的还原速度，且熔盐不会被电解。

(2)自制的透氧膜管经高温烧结后完全瓷化，稳定性好。

(3)本发明工艺简单、电解速度快、电流效率高。