[发明专利]一种熔盐电解法制备钛的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种钛的制备技术，特别是一种熔盐电解法制备钛的方法。

背景技术

工业生产上主要采用镁热还原法（Kroll法）制备金属钛，该工艺是间歇性生产，设备复杂、工艺流程繁琐、生产周期长，在生产过程中必须进行装料、高温加热以及卸料等操作，工艺复杂、成本高、能耗大、污染环境，从而造成了钛及其合金的价格较高，限制了其应用。

鉴于镁热还原法的上述缺陷，众多研究学者一直在寻找更好的生产海绵钛的途径，并进行了大量的开拓性研究，只有从根本上开发新的低成本、连续化和环境友好的生产工艺才能解决钛生产成本及环境污染的问题。

熔盐中直接电解TiO₂制备Ti的工艺（FFC法）被认为是当今制Ti方法中最具有潜力的研究之一。与目前工业上应用的Kroll法制备海绵钛相比，FFC法的优势较为明显。熔盐电解法（FFC法）的技术革新点在于初始材料不是四氯化钛，而是随处可得的廉价二氧化钛，整个工艺过程中不存在液态金属，工艺流程短、设备投资少、反应温度低、能耗小，是一种制备Ti和其它高熔点金属及其合金的新方法，也是较具发展前景的绿色新工艺。该方法在900℃左右实施，不包括钛的熔融工序，电解槽仅以3V左右的电压运行，使用FFC法生产的海绵钛纯度高、质量稳定，也很容易制造钛的半成品。此外，熔盐电解法制备海绵钛的生产成本与镁热还原法相比显著降低，可降到与不锈钢相比的水平，使更简单、更廉价的钛生产技术成为可能性。但FFC法用于工业化生产还有许多技术问题需要解决，一些基础性的研究问题需要突破。相应的改进研究措施也进行了很多，但距离产业化生产仍有较大距离。

国内外专利文献上虽有关于TiO₂电极改性的报道，如添加CaCO₃、CaO或其它物质，改进的电极能提高电解中的电流效率，但制备室温弱导电的TiO₂电极、并在较小的设备中电解较大重量的电极，目前尚未见到相关报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种熔盐电解法制备金属钛的方法，制备室温弱导电的TiO₂电极、并在较小的设备中电解较大重量的电极，提高电解的效率。

为了实现解决上述技术问题的目的，本发明采用了如下技术方案：

本发明的一种熔盐电解法制备金属钛的方法，将平均粒度为2mm以下、纯度大于98%的TiO₂粉末中，加入重量为TiO₂粉体10—20%的碳粉或碳粉混合氢化钛粉制得混合粉体，再加入重量为混合粉体6—12%的聚乙烯醇（PVA）溶液或蒸馏水作粘合剂并搅拌均匀后，在3—15MPa压力下模压成型后制得电极；制得的电极在室温下自然干燥或者在150℃以下干燥至水分不高于3%，在真空气氛炉中以1000—1400℃的温度烧结2—8h，制得具有室温弱导电性的TiO₂电极；以高纯高密度石墨为阳极，烧结的TiO₂电极材料为阴极，在氩气气氛电解炉内以CaCl₂为熔盐进行电解，电解温度800—1100℃，电解电压2.8—3.2V；电解前首先抽真空至优于10Pa，然后充入氩气；电解结束后，将固体电解产物提出熔盐，冷却至室温，实验全过程中氩气保护；对电解产物进行水洗—超声波辅助酸洗—水洗—烘干处理，所制得的产物为金属钛。

烧结时真空气氛炉内可以使用氩气或氩气和氢气的混合气体进行保护。

本发明的一种熔盐电解法制备金属钛的方法，制备混合粉体过程中，碳粉和氢化钛粉的混合质量比例为100：（0-100）。

本发明的TiO₂电极可以使用薄板状或圆柱形，电极是边长50—150mm、高度为3—10mm的薄板状样品，单重60±10g；也可以采用直径不小于60mm、高度为3—10mm的圆柱形电极，单重30±5g。

本发明的一种熔盐电解法制备金属钛的方法，所述的聚乙烯醇溶液浓度为2-20%。

在本发明中，使用分析纯的锐钛矿型TiO₂粉末、分析纯的聚乙烯醇、分析纯的氢化钛、化学纯的碳粉和纯净的蒸馏水，使用前将聚乙烯醇溶解于蒸馏水制成浓度2-20%的溶液。在1000—1400℃烧结后，TiO₂电极的孔隙率为30—55%，TiO₂的晶型结构由锐钛矿型转变为金红石型。