[发明专利]一种利用碳质添加剂改善TiO2阴极脱氧过程的方法

说明书

技术领域

本发明涉及采用碳质添加剂改善TiO₂熔盐阴极脱氧速率领域，尤其是一种利用碳质添加剂改善TiO₂阴极脱氧过程的方法。

背景技术

金属钛因其一系列优异的性能和丰富的资源储量而受到世界各国的普遍重视。 现有的钛金属冶炼工艺Kroll法其成本高、流程长、工序多、还原效率低、间歇式操作等因素的迭加导致金属钛的生产成本很高，严重限制了钛在各行业的应用，使其在许多领域中尚未大面积使用。随着钛金属应用范围的不断拓宽，开发研究低成本的新型连续化工艺成为现代冶金工业的一个研究热点。 

经过近半个世纪的研究，世界各国冶金学者提出数十种钛冶炼工艺，其中2000年英国剑桥大学的Fray等人发表在《Nature》杂志上的一篇名为“在熔融氯化钙中直接电解还原二氧化钛得到金属钛”的文章引起了广泛的关注（文献：Chen G Z, Fray D J, Farthing T W. Direct electrochemical reduction of titanium dioxide to titanium in molten calcium chloride. Nature, 2000, 407: 361-364.），该方法随后被命名为FFC-Cambridge工艺。FFC工艺操作十分简单，将TiO₂粉末经注浆或压力成型，烧结后作电解槽的阴极，以石墨为阳极，以熔融CaCl₂为电解质，实验操作温度为800~1000℃，电解电压为2.8～3.2V。  电解一定时间后，阴极由白色的TiO₂被还原为灰色的多孔状海绵钛。

与传统的Kroll工艺相比，TiO₂直接电化学脱氧制取金属钛具有流程短、操作简单、成本低及环境友好等一系列的优点，然而脱氧速度慢和产物氧含量太高成为限制该工艺的两大缺点。具体体现在：一方面，由于TiO₂自身导电性差，使得电解过程中电子的传递受到制约，导致脱氧速度极其慢。此外，获得低氧含量的前提是在相对较高的电解电压以及足够长的电解时间条件下完成的。过高的电解电压及过长的电解时间会引起电流效率的下降。另一方面，FFC工艺由于脱氧不彻底，电解得到的产物多为氧含量较高的钛氧固溶体Ti_[O]，实际应用之前必须经过后续精炼，而在精炼过程中钛氧固溶体中的氧会将钛重新氧化为TiO₂。针对上述缺点，有学者对如何改进氧化物直接电解制取纯金属的过程进行了研究。

东北大学的研究人员在对Nb₂O₅进行电化学脱氧制取金属铌的研究中发现，在Nb₂O₅中加入碳粉(<5 wt%)、CaCO₃和CaO等添加剂后阴极电化学还原过程可以得到显著改进（文献：Xu Q, Deng L Q, Wu Y, et al. A study of cathode improvement for electro-deoxidation of Nb₂O₅ in a eutectic CaCl₂-NaCl melt at 1073K. J. Alloys Compd., 2005, 396(1-2): 288-294.）。以碳粉做添加剂为例，阴极加碳后，在块体进行热处理过程中碳可以充当还原剂，将一部分Nb₂O₅还原为NbO₂，从而在Nb₂O₅晶体中产生Nb’_Nb缺陷和电子补偿缺陷，整个过程使得阴极块体的导电性增加；与此同时，碳在还原Nb₂O₅的时候，自身被氧化为CO/CO₂气体放出，这又增加了块体的孔隙率，使有效电极面积增大。阴极加碳后带来的以上两个变化都会使电解过程速度加快，电流效率增加。