CN101914788A

CN101914788A - 一种制备金属钛的方法

Info

Publication number: CN101914788A
Application number: CN 201010236421
Authority: CN
Inventors: 穆宏波; 穆天柱; 弓丽霞; 邓斌
Original assignee: Pangang Group Steel Vanadium and Titanium Co Ltd; Pangang Group Panzhihua Iron and Steel Research Institute Co Ltd; Pangang Group Co Ltd
Current assignee: Pangang Group Steel Vanadium and Titanium Co Ltd; Pangang Group Panzhihua Iron and Steel Research Institute Co Ltd; Pangang Group Co Ltd
Priority date: 2010-07-26
Filing date: 2010-07-26
Publication date: 2010-12-15
Anticipated expiration: 2030-07-26
Also published as: CN101914788B

Abstract

本发明提供一种制备金属钛的方法，所述方法包括以下步骤：在用钛精矿熔炼钛渣时直接配入过量的含碳还原剂生成碳化钛或者在直接配入过量的含碳还原剂的同时通入氮气使钛渣在熔炼的过程中生成氮化钛或碳氮化钛；在含有钛的低价氯化物的熔盐中以生成的碳化钛、氮化钛或碳氮化钛作为可溶阳极，以金属材料作为阴极，进行熔盐电解，以获得金属钛粉。此外，可以将在电解后期得到的产物进一步电解精炼，从而获得高纯钛。该方法具有工艺简单、原料成本低、能耗低，固定资产投资少等一系列优点，并且所制备出的金属钛纯度高，而且进一步电解阳极剩余的残阳极钛粉可以用于生产钛铁。

Description

一种制备金属钛的方法

技术领域

本发明涉及冶金领域，特别是涉及一种直接利用钛精矿生产金属钛的方法。

背景技术

钛是一种新型结构材料，具有诸如密度小、比强度高和耐蚀性好等优点。在结构金属中，金属钛在地壳的储量位居第四，仅次于铁、铝和镁，但在目前世界金属产量中，钛产量相比而言却非常少，主要原因在于目前从矿石提取钛的成本偏高，限制了钛在各行业的应用。由于钛金属的提炼成本太高，故只在一些非常重要的领域使用，如航空航天、电子工业、精密仪器制造等方面。随着各种新的提炼方法的出现，钛金属已被视为一种极有使用前景的金属。

工业上实现制备海绵钛的方法有用镁还原TiCl₄的克劳尔(Kroll)法和用钠还原TiCl₄的亨特(Hunter)法，而随着1993年最后一家采用亨特法的英国迪赛德公司关闭后，目前世界上工业化生产海绵钛的方法只剩下Kroll法一种方法了。Kroll法存在工序复杂、生产周期长、能耗大、劳动强度大、不能实现连续化等一系列缺点等，因此有必要开发新的制钛工艺。

曾经研究过的制备金属钛的方法有很多种，比较有代表性的有英国剑桥大学提出的FFC法、日本京都大学提出的OS法、日本的Okabe等提出的PRP工艺、氟钛酸盐还原等。这些方法普遍存在电流效率低，生产成本高等缺点，所以，都没有实现工业化。

中国发明专利，公开号CN 1712571A，公开了一种用二氧化钛做主要原料的制钛方法，该方法首先用碳或碳化钛还原二氧化钛制备一种导电性固溶体TiC·TiO，然后用该固溶体做可溶阳极，进行熔盐电解，最后在阴极上可获得金属钛。该方法具有工艺简单、电解过程连续进行等优点，但是原料是直接使用纯度较高的二氧化钛，因此原料成本较高。

美国专利，公开号US 7410562B2，公开了一种用TiO₂-C复合阳极制备金属钛的方法，该方法是一个热和电化学过程相结合的方法，其要点是用碳和钛的氧化物首先进行热处理，形成TiC_xO_y复合阳极，然后以该TiC_xO_y复合阳极做为可溶阳极进行熔盐电解，在阴极得到金属钛。该方法和上述中国发明专利具有相似的优缺点。

加拿大Quebec发明专利，公开号为US 20040194574 A1，公开了一种高温熔盐电解法连续制造金属钛或钛合金锭的方法。在电解槽中注入像熔融钛渣之类的含钛的混合氧化物熔液，形成熔池作为阴极材料，在该熔液上方是熔熔盐电解质或离子导体固体电解质；在电解槽上安装碳阳极或惰性稳定阳极或气体扩散电极；在惰性气氛下进行电解。在电解过程中，阴极中的氧化钛被还原形成钛或钛合金液滴，下沉至电解槽底部形成液态钛或钛合金熔池，在惰性气体保护下，可连续虹吸出或排出铸成金属钛或钛合金锭。该方法原料价格便宜，最终产品钛锭或钛合金锭，省去了海绵钛的破碎、铸造等工序。但是该方法温度太高(电解温度大于1700℃)，在该条件下熔池中的液体对电解槽腐蚀相当严重，而且还要考虑电解槽耐高温耐腐蚀的性能，对设备要求比较高。

发明内容

本发明的目的是针对上述方法的不足而提供一种制备金属钛的方法，所述方法包括以下步骤：在用钛精矿熔炼钛渣时直接配入过量的含碳还原剂生成碳化钛或者在直接配入过量的含碳还原剂的同时通入氮气使钛渣在熔炼的过程中生成氮化钛或碳氮化钛；在含有钛的低价氯化物的熔盐中以生成的碳化钛、氮化钛或碳氮化钛作为可溶阳极，以金属材料作为阴极，进行熔盐电解，以获得金属钛粉。此外，可以对在电解中后期得到的钛金属含量小于95％的产物进行电解精炼，以获得高纯钛。

根据本发明的实施例，钛精矿中TiO₂的含量大于40％。另外，配碳量为理论上将TiO₂还原为碳化钛或氮化碳或碳氮化钛的碳和将杂质还原的碳的总和的1到1.5倍。

此外，所述金属材料为碳钢、钼、镍或钛；所述熔盐为由LiF、NaF、KF、MgF₂、CaF₂、LiCl、NaCl、KCl、MgCl₂或CaCl₂中的至少两种盐和TiCl₂或TiCl₃盐中的至少一种盐组成。

具体地说，所述熔盐为KCl-NaCl-TiCl₂熔盐、MgCl₂-NaF-TiCl₃熔盐、LiCl-KCl-NaCl-TiCl₂-TiCl₃熔盐或KCl-NaCl-TiCl₂-TiCl₃熔盐。

此外，电解环境为1个大气压的惰性气氛，电解温度为比熔盐的熔化温度高50℃～100℃，并控制阳极电流密度在0.05A·cm^-2-0.5A·cm^-2之间，阴极电流密度在0.1A·cm^-2-2A·cm^-2之间。

具体实施方式

下面参照实施例对本发明做进一步详细描述，但本发明不限于以下实施例的描述。

本发明的制备金属钛的方法可以包括以下步骤：

(a)在用钛精矿熔炼钛渣时直接配入过量的含碳还原剂生成碳化钛或者在直接配入过量的含碳还原剂的同时通入氮气使钛渣在熔炼的过程中生成氮化钛或碳氮化钛；

(b)在含有钛的低价氯化物的熔盐中以生成的碳化钛、氮化钛或碳氮化钛作为可溶阳极，以金属材料作为阴极，进行熔盐电解，以获得金属钛粉。

在步骤(a)中，配碳量为理论上将TiO₂还原为碳化钛或氮化碳或碳氮化钛的碳和将杂质还原的碳的总和的1到1.5倍。

在步骤(b)中，将所制备的碳化钛或氮化钛或碳氮化钛与金属导电棒连接以作为阳极，用碳钢棒或钼棒或钛棒作阴极，在熔盐电解质中实施电解，电解环境为1个大气压的惰性气氛，电解温度为500℃～760℃，以确保熔盐在电解过程中具有良好的流动性，并控制阳极电流密度在0.05A·cm^-2-0.5A·cm^-2之间，阴极电流密度在0.1A·cm^-2-2A·cm^-2之间。

在步骤(b)中，可以对在电解中后期得到的钛金属含量小于95％的产物进行电解精炼，以获得高纯钛。

下面是本发明的示例性实施例。

实施例1

称量300克TiO₂含量为40％的钛精矿，其它成分为：40.98％FeO，5.42％Fe₂O₃，5.99％MgO，2.67％CaO，2.56％SiO₂，1.33％Al₂O₃，1.05％MnO。按照如下化学反应计量比称量固定碳含量为94.56％的含碳还原剂82.65克：

FeO+C＝Fe+CO

Fe₂O₃+3C＝2Fe+3CO

TiO₂+3C＝TiC+2CO

将其混合均匀，置于石墨坩埚中，放入真空反应炉中进行热还原，在1500℃的温度下热还原5h，将下层的铁块和上层的渣相物分离，将上层渣相物送样分析，经过X射线衍射的物相分析表明还原产物的主要物相是TiC，用该还原产物作为阳极，以碳钢棒作阴极，在4kg KCl-NaCl-TiCl₂熔盐(熔盐的熔化温度为约650℃～660℃)中实施电解，电解温度控制在710℃，电解环境为1个大气压的惰性气氛，并控制阳极电流密度在0.05A·cm^-2-0.5A·cm^-2之间，阴极电流密度在0.1A·cm^-2-2A·cm^-2之间，电流大小控制在15A，电解6小时。电解结束后，将电解初期和电解中后期得到的产物分别洗涤、过滤，在真空烘箱中烘干，送样分析，电解初期产品成分如下：Ti：99.43％，Fe：0.23％；电解中后期产品成分如下：Ti：89.21％，Fe：7.38％。将中后期的产品进行二次电解精炼，最终得到的产品结果如下：Ti：99.63％，C：0.05％，O：0.21％，Fe：0.05％，Si：0.02％，Mn：0.01％，Cl：0.03％。

实施例2

称量300克TiO₂含量为60.33％的钛精矿，其它成分为：25.87％FeO，5.41％Fe₂O₃，1.67％MgO，2.55％CaO，0.87％SiO₂，1.36％Al₂O₃，1.94％MnO。按照如下化学反应计量比称量固定碳含量为94.56％的含碳还原剂147.4克：

FeO+C＝Fe+CO

Fe₂O₃+3C＝2Fe+3CO

TiO₂+3C＝TiC+2CO

将其混合均匀，置于石墨坩埚中，放入真空反应炉中进行反应，在1600℃的温度下热还原7h，将铁块和渣相物分析，送样分析渣相物，经过X射线衍射的物相分析表明还原产物的主要物相是TiC，用该还原产物作为阳极，以钼棒作阴极，在5kgMgCl₂-NaCl-TiCl₃熔盐(熔盐的熔化温度为约485℃)中实施电解，电解温度控制在550℃，电解环境为1个大气压的惰性气氛，并控制阳极电流密度在0.05A·cm^-2-0.5A·cm^-2之间，阴极电流密度在0.1A·cm^-2-2A·cm^-2之间，电流大小控制在18A，电解5小时。电解结束后，将电解初期和电解中后期得到的产物分别洗涤、过滤，在真空烘箱中烘干，送样分析，电解初期产品成分如下：Ti：99.51％，Fe：0.13％；电解中后期产品成分如下：Ti：94.13％，Fe：4.07％。将中后期的产品，进行二次电解精炼，最终得到的产品结果如下：Ti：99.84％，C：0.03％，O：0.07％，Fe：0.01％，Si：0.02％，Mn：0.01％，Mg：0.02％。

实施例3

称量300克TiO₂含量为56％的钛精矿，其它成分为：27.69％FeO，4.85％Fe₂O₃，2.73％MgO，4.65％CaO，0.93％SiO₂，1.26％Al₂O₃，1.89％MnO。按照如下化学反应计量比称量固定碳含量为94.56％的含碳还原剂71.40克：

FeO+C＝Fe+CO

Fe₂O₃+3C＝2Fe+3CO

2TiO₂+4C+N₂＝2TiN+4CO

将其混合均匀，置于石墨坩埚中，放入高温反应炉中并通入氮气流，在1650℃的温度下反应5h，将渣相和铁块分离，经过X射线衍射的物相分析表明渣相的主要物相是TiN，用该还原产物作为阳极，以钛棒作阴极，在5kgLiCl-KCl-NaCl-TiCl₂-TiCl₃熔盐(熔盐的熔化温度为约360℃)中实施电解，电解温度控制在500℃，电解环境为1个大气压的惰性气氛，并控制阳极电流密度在0.05A·cm^-2-0.5A·cm^-2之间，阴极电流密度在0.1A·cm^-2-2A·cm^-2之间，电流大小控制在16A，电解6小时。电解结束后，将电解初期和电解中后期得到的产物分别洗涤、过滤，在真空烘箱中烘干，送样分析，电解初期产品成分如下：Ti：99.47％，Fe：0.15％；电解中后期产品成分如下：Ti：92.13％，N：1.16％，Fe：3.07％，O：0.55％。将中后期的产品进行二次电解精炼，最终得到的产品结果如下：Ti：99.68％，C：0.01％，O：0.19％，Fe：0.02％，Si：0.03％，Mn：0.02％，N：0.05％。

实施例4

称量300克TiO₂含量为40％的钛精矿，其它成分为：40.98％FeO，5.42％Fe₂O₃，5.99％MgO，2.67％CaO，2.56％SiO₂，1.33％Al₂O₃，1.05％MnO。按照如下化学反应计量比称量固定碳含量为94.56％的含碳还原剂63.61克：

FeO+C＝Fe+CO

Fe₂O₃+3C＝2Fe+3CO

2TiO₂+4C+N₂＝2TiN+4CO

将其混合均匀，置于石墨坩埚中，放入高温反应炉中并通入氮气流，在1700℃的温度下反应5h，将渣相和铁块分离，经过X射线衍射的物相分析表明渣相的主要物相是TiN，用该还原产物作为阳极，以钛棒作阴极，在4kgKCl-NaCl-TiCl₂熔盐(熔盐的熔化温度为约650℃～660℃)中实施电解，电解温度控制在710℃，电解环境为1个大气压的惰性气氛，并控制阳极电流密度在0.05A·cm^-2-0.5A·cm^-2之间，阴极电流密度在0.1A·cm^-2-2A·cm^-2之间，电流大小控制在15A，电解6小时。电解结束后，将电解初期和电解中后期得到的产物分别洗涤、过滤，在真空烘箱中烘干，送样分析，电解初期产品成分如下：Ti：99.31％，Fe：0.25％；电解中后期产品成分如下：Ti：91.25％，N：1.20％，Fe：4.07％，O：0.64％。将中后期的产品进行二次电解精炼，最终得到的产品结果如下：Ti：99.68％，C：0.01％，O：0.21％，Fe：0.01％，Si：0.01％，Mn：0.03％，N：0.03％。

实施例5

称量300克TiO₂含量为60.33％的钛精矿，其它成分为：25.87％FeO，5.41％Fe₂O₃，1.67％MgO，2.55％CaO，0.87％SiO₂，l.36％Al₂O₃，1.94％MnO。按照如下化学反应计量比称量固定碳含量为99.5％的含碳还原剂71.30克：

FeO+C＝Fe+CO

Fe₂O₃+3C＝2Fe+3CO

2TiO₂+4C+N₂＝2TiN+4CO

将其混合均匀，置于石墨坩埚中，放入高温反应炉中并通入氮气流，在1750℃的温度下反应5h，将渣相和铁块分离，经过X射线衍射的物相分析表明渣相的主要物相是TiN，用该还原产物作为阳极，以钛棒作阴极，在5kgMgCl₂-NaCl-TiCl₃熔盐(熔盐的熔化温度为约485℃)中实施电解，电解温度控制在550℃，电解环境为1个大气压的惰性气氛，并控制阳极电流密度在0.05A·cm^-2-0.5A·cm^-2之间，阴极电流密度在0.1A·cm^-2-2A·cm^-2之间，电流大小控制在18A，电解5小时。电解结束后，将电解初期和电解中后期得到的产物分别洗涤、过滤，在真空烘箱中烘干，送样分析，电解初期产品成分如下：Ti：99.62％，Fe：0.19％；电解中后期产品成分如下：Ti：93.80％，N：0.89％，Fe：3.14％，O：0.66％。将中后期的产品进行二次电解精炼，最终得到的产品结果如下：Ti：99.72％，C：0.01％，O：0.13％，Fe：0.01％，Si：0.01％，Mn：0.03％，N：0.03％。

实施例6

称量300克TiO₂含量为56％的钛精矿，其它成分为：27.69％FeO，4.85％Fe₂O₃，2.73％MgO，4.65％CaO，0.93％SiO₂，1.26％Al₂O₃，1.89％MnO。按照如下化学反应计量比称量固定碳含量为94.56％的含碳还原剂84.73克：

FeO+C＝Fe+CO

Fe₂O₃+3C＝2Fe+3CO

4TiO₂+10C+N₂＝2(TiC·TiN)+8CO

将其混合均匀，置于石墨坩埚中，放入高温反应炉中并通入氮气流，在1520℃的温度下反应6h，将渣相和铁块分离，经过X射线衍射的物相分析表明渣相的主要物相是Ti(N，C)，用该还原产物作为阳极，以钛棒作阴极，在5kgKCl-NaCl-TiCl₂-TiCl₃熔盐(熔盐的熔化温度为约650℃～660℃)中实施电解，电解温度控制在760℃，电解环境为1个大气压的惰性气氛，并控制阳极电流密度在0.05A·cm^-2-0.5A·em^-2之间，阴极电流密度在0.1A·cm^-2-2A·cm^-2之间，电流大小控制在15A，电解6小时。电解结束后，将电解初期和电解中后期得到的产物分别洗涤、过滤，在真空烘箱中烘干，送样分析，电解初期产品成分如下：Ti：99.46％，Fe：0.18％；电解中后期产品成分如下：Ti：91.56％，N：1.03％，Fe：3.07％，C：0.75％，O：2.36％。将中后期的产品进行二次电解精炼，最终得到的产品结果如下：Ti：99.60％，C：0.04％，O：0.23％，Fe：0.05％，Si：0.01％，Mn：0.01％，N：0.06％。

实施例7

称量300克TiO₂含量为60.33％的钛精矿，其它成分为：25.87％FeO，5.41％Fe₂O₃，1.67％MgO，2.55％CaO，0.87％SiO₂，1.36％Al₂O₃，1.94％MnO。按照如下化学反应计量比称量固定碳含量为99.5％的含碳还原剂84.88克：

FeO+C＝Fe+CO

Fe₂O₃+3C＝2Fe+3CO

4TiO₂+10C+N₂＝2(TiC·TiN)+8CO

将其混合均匀，置于石墨坩埚中，放入高温反应炉中并通入氮气流，在1560℃的温度下反应6h，将渣相和铁块分离，经过X射线衍射的物相分析表明渣相的主要物相是Ti(N，C)，用该还原产物作为阳极，以钛棒作阴极，在5kgKCl-NaCl-TiCl₂-TiCl₃熔盐(熔盐的熔化温度为约650℃～660℃)中实施电解，电解温度控制在760℃，电解环境为1个大气压的惰性气氛，并控制阳极电流密度在0.05A·cm^-2-0.5A·cm^-2之间，阴极电流密度在0.1A·cm^-2-2A·cm^-2之间，电流大小控制在15A，电解6小时。电解结束后，将电解初期和电解中后期得到的产物分别洗涤、过滤，在真空烘箱中烘干，送样分析，电解初期产品成分如下：Ti：99.68％，Fe：0.16％；电解中后期产品成分如下：Ti：92.33％，N：0.88％，Fe：2.77％，C：0.75％，O：1.36％。将中后期的产品进行二次电解精炼，最终得到的产品结果如下：Ti：99.72％，C：0.02％，O：0.15％，Fe：0.02％，Si：0.01％，Mn：0.01％，N：0.03％。

实施例8

称量300克TiO₂含量为40％的钛精矿，其它成分为：40.98％FeO，5.42％Fe₂O₃，5.99％MgO，2.67％CaO，2.56％SiO₂，1.33％Al₂O₃，1.05％MnO。按照如下化学反应计量比称量固定碳含量为94.56％的含碳还原剂63.43克：

FeO+C＝Fe+CO

Fe₂O₃+3C＝2Fe+3CO

4TiO₂+10C+N₂＝2(TiC·TiN)+8CO

将其混合均匀，置于石墨坩埚中，放入高温反应炉中并通入氮气流，在1600℃的温度下反应6h，将渣相和铁块分离，经过X射线衍射的物相分析表明渣相的主要物相是Ti(N，C)，用该还原产物作为阳极，以钛棒作阴极，在5kgMgCl₂-NaCl-TiCl₃熔盐(熔盐的熔化温度为约485℃)中实施电解，电解温度控制在550℃，电解环境为1个大气压的惰性气氛，并控制阳极电流密度在0.05A·cm^-2-0.5A·cm^-2之间，阴极电流密度在0.1A·cm^-2-2A·cm^-2之间，电流大小控制在18A，电解5小时。电解结束后，将电解初期和电解中后期得到的产物分别洗涤、过滤，在真空烘箱中烘干，送样分析，电解初期产品成分如下：Ti：99.21％，Fe：0.27％；电解中后期产品成分如下：Ti：90.70％，N：0.85％，Fe：3.53％，C：0.70％，O：2.98％。将中后期的产品进行二次电解精炼，最终得到的产品结果如下：Ti：99.51％，C：0.04％，O：0.28％，Fe：0.03％，Si：0.01％，Mn：0.01％，N：0.03％。

通过控制原料配比和反应温度来制备TiN和Ti(N，C)，具体地说，通过将碳与二氧化钛起反应的摩尔比为大约2∶1，反应温度为1700℃左右时，经过反应，可以得到主要物相为TiN的物料；而通过将碳与二氧化钛起反应的摩尔比控制在2∶1～2.5∶1之间，并适当地控制反应温度，便可以得到主要物相为Ti(N，C)的固溶体(其中C与N的比例可以通过反应物配比任意调节)。

从以上可知，通过将得到的不合格的钛粉进一步进行电解提纯，可得到纯度为99.6％以上的金属钛，另外，阳极残余的不合格钛粉可以用作制取钛铁。

需要说明的是，在所描述的实施例中，含碳还原剂可以是碳粉、沥青、煤粉等等。

还应当注意，在本发明的实施例中，所生成的阳极泥采用双阳极方式进行收集。具体地说，当通入的电量判断出阳极中绝大部分钛被提取后，将阳极框提出电解系统，同时放入另一阳极框进行电解，提出的阳极框通过后处理回收电解质，可以将电解剩余的钙、镁、铝、硅的氧化物收集起来，以用于其它用途。

另外，在本发明中，主要采用二氧化钛的含量大于40％的钛精矿作为原料，如果采用二氧化钛小于40％的其它矿物作为原料，则由于二氧化钛的含量过低，从而影响可溶电极的导电率，进而影响电解过程的技术经济指标。同时，本发明主要采用钛精矿作为原料，而没有直接采用纯度较高的二氧化钛进行反应，所以节约了生产成本，能量消耗低，并且工艺简单。

总而言之，本发明工艺简单、原料成本低、能耗低，且固定资产投资少，所制备出的金属钛纯度高，而且原料中钛元素利用率高。

Claims

1.一种制备金属钛的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的制备金属钛的方法，其特征在于，在步骤(b)中，对在电解中后期得到的钛金属含量小于95％的产物进行电解精炼，以获得高纯钛。

3.如权利要求1所述的制备金属钛的方法，其特征在于，所述钛精矿中TiO₂的含量大于40％。

4.如权利要求1所述的制备金属钛的方法，其特征在于，配碳量为理论上将TiO₂还原为碳化钛或氮化钛或碳氮化钛的碳和将杂质还原的碳的总和的1到1.5倍。

5.如权利要求1所述的制备金属钛的方法，其特征在于，所述金属材料为碳钢、钼、镍或钛。

6.如权利要求1所述的制备金属钛的方法，其特征在于，所述熔盐为由LiF、NaF、KF、MgF₂、CaF₂、LiCl、NaCl、KCl、MgCl₂或CaCl₂中的至少两种盐和TiCl₂或TiCl₃盐中的至少一种盐组成。

7.如权利要求6所述的制备金属钛的方法，其特征在于，所述熔盐为KCl-NaCl-TiCl₂熔盐、MgCl₂-NaCl-TiCl₃熔盐、LiCl-KCl-NaCl-TiCl₂-TiCl₃熔盐或KCl-NaCl-TiCl₂-TiCl₃熔盐。

8.如权利要求7所述的制备金属钛的方法，其特征在于，电解环境为1个大气压的惰性气氛，电解温度为500℃～760℃，并控制阳极电流密度在0.05A·cm^-2-0.5A·cm^-2之间，阴极电流密度在0.1A·cm^-2-2A·cm^-2之间。

9.如权利要求1所述的制备金属钛的方法，其特征在于，在熔盐电解之后，采用双阳极方式收集在阳极产生的阳极泥。