CN106947874A - 一种两步法制备高纯钛的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种两步法制备高纯钛的方法，涉及电化学冶金领域。该方法包括低价TiOx(x<1)的制备和高纯钛的提取两个部分。首先是在氧化物(TiO2+MgO+Al2O3+CaO)和少量氟化物为添加剂的电解质体系中以石墨或惰性电极为阳极、金属材料为阴极制备TiOx(x<1)原料，然后在氯化物电解质体系中，以TiOx为阳极、金属材料为阴极，熔盐提取高纯钛，在此过程中，电解质中产生的游离态[O]可进一步氧化剩余的低价TiOx为高价TiO2，并返回第一步作为氧化物钛离子源原料。本发明所述一种两步法熔盐提取高纯钛的新方法具有工艺简单、能耗低、钛元素回收率高等特点，并且能够实现工业化提取高纯钛的方法。

Description

一种两步法制备高纯钛的方法
技术领域
本发明涉及一种熔盐制备高纯钛的方法，尤其是以低价TiOx(x<1)为原料，属于电化学冶金领域，具体可实现从含低价钛离子氧化物中制备高纯钛的方法。
背景技术
金属钛由于其稳定的化学性质，良好的耐高温、耐低温、抗强酸强碱，以及高强度、低密度，被誉为“太空金属”和“海洋金属”等。目前，金属钛已经成为优异的轻型结构材料、新型功能材料和重要的生物医用材料。纯钛一般指纯度(质量分数)大于99％的钛材料，而高纯钛纯度可达到4N级(99.99％)，甚至更高。作为钛系列产品中的一员，高纯钛除具有以上优点外，还具有塑性好、吸附活性气体和良好的生物相容性及无毒性等优点。因此，高纯钛被广泛应用于吸气材料、生物材料、装饰材料以及电子信息行业。作为世界上金属钛初级产品海绵钛产能最大的国家，我国海绵钛产能严重过剩，然而在高纯钛领域却几乎为空白。当前，只有美国、日本的三家企业能生产高纯钛，作为高端金属材料，美国严格限制其对中国的出口，限制了我国在高纯钛方面的应用。因此，研发高纯钛的生产工艺，成为我国当务之急。
目前，金属钛的主流生产工艺为Kroll法，即四氯化钛的金属镁热还原法。其核心工艺是将精制的四氯化钛加入到盛有熔融镁液的特定反应容器中进行还原，得到海绵钛，但是此工艺为间歇式生产，导致该方法的生产效率低、能耗高。作为改进，Hyodo等于2003年报道了采用Kroll法生产5N级高纯钛(文献：Hyodo I,Ichihashi H.Establishment of themanufacturing technology of 5N super purity titanium billets by Krollprocess.In：Ichihashi H ed.The 10th World Conference on Titanium,Hamburg:TheInstitute ofMaterials Press,2003,141-147.)。
碘化法利用碘几乎不溶于钛，但能够与钛反应的原理提纯钛。但是传统的碘化法存在以下问题：①反应在电热丝上进行，反应速度慢，生产效率低；②由于是通电加热，沉积层导致电热丝电阻变化，致使温度控制困难；③容易受到来自反应容器的污染。为了解决传统碘化法存在的问题，日本住友钛公司发明了一种新的碘化法(文献：Yoshimura,Y.,Inoha,Y.Method for obtaining high purity titanium.USPatent 5232485,1993-8-3.)。该方法可以生产出纯度达到6N级的高纯钛，与传统碘化法相比，新的方法降低了分解温度(约200℃)，使得工艺变得简单。
熔盐电解法是利用电化学原理制取金属钛的一种方法。早在20世纪60年代，Freedman等人就以78％K2TiF6与22％TiF4的混合盐作为电解质，以Ni或Mo为阴极，粗钛为阳极，制得了金属钛。21世纪以来，以英国剑桥大学Fray教授为首的研究小组于本世纪初期提出了一种以TiO2为原料在熔融氯化钙中阴极脱氧生产金属钛的新工艺(FFC工艺)(文献：Chen,G.Z.,Fray,D.J.,Farthing,T.W.Direct electrochemical reduction of titaniumdioxide to titanium in molten calcium chloride.Nature,2000,407(6802),361-364.)。该方法的预算成本比Kroll法低，且被认为无毒。但也存在以下问题：①产品氧含量较高；②阴极制备不方便，TiO2是半导体，电解初期必须由其他金属材料承担电极的导通；③氧离子固相扩散速率太慢造成极化使阴极的电流密度很低，并且随着电解的进行电极表面发生变化，所以在工业生产上很难实现稳定的电解条件。
麻省理工学院Sadoway教授的研究小组在1700℃条件下电解含TiO2氧化物熔体制得了金属钛。该工艺简单，可连续生产，同时阳极得到氧气，对环境无污染。但由于该工艺操作温度太高，其阳极需要使用贵金属材料，成本高(文献：Sadoway,D.R.New opportunitiesfor metals extraction and waste treatment by electrochemical processing inmolten salts.Journal of Materials Research,1995,10(03),487-492.)。
日本京都大学的冈部(Okabe)和小野(Ono)研究在CaCl2熔盐中，用电解得到的活性钙还原TiO2为金属钛(文献：Okabe,T.H.,Nakamura,M.,Oishi,T.,Ono,K.Electrochemical deoxidation oftitanium.Metallurgical Transactions B,1993,24(3),449-455.Ono,K.,Suzuki,R.O.A new concept for producing Ti sponge:calciothermic reduction.JOMJournal ofthe Minerals,Metals andMaterialsSociety,2002,54(2),59-61.)。与剑桥大学FFC工艺的区别在于，金属钛不是通过二氧化钛阴极脱氧直接制得，而是利用电解出的金属钙还原二氧化钛得到金属钛，但该工艺与FFC工艺存在类似的问题。
北京科技大学朱鸿民教授于2005年提出一种新型清洁提取金属钛工艺(文献：朱鸿民,焦树强,顾学范,一氧化钛/碳化钛可溶性固溶体阳极电解生产金属钛的方法,ZL200510011684.6,2005-5-8.)，以二氧化钛和石墨为原料在1500℃条件下碳热还原制备出导电性良好的Ti2CO化合物，并以此为阳极材料在700℃的氯化物熔盐体系中电解提取高纯钛，阴极上得到的含碳含氧量均低于300ppm的高纯钛。
发明内容
本发明的目的在于：克服现有技术中制取金属钛方法流程长、能耗高、产品质量达不到高纯钛的标准或者无法实现工业化的缺点，提供一种两步法制备高纯钛的方法，该方法工艺简单、能耗低并且能够实现工业化提取高纯钛的方法。
为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：一种两步法制备高纯钛的方法，其特征在于，包括以下两部分：
(1)以混合氧化物TiO2+MgO+Al2O3+CaO为氧化物电解质，加入少量氟化物作为添加剂，将氧化物电解质和添加剂放入反应容器中，以石墨或惰性电极为阳极、金属材料为阴极，在含有惰性气氛保护下，在1000～2000℃的温度范围内进行直流电解，反应时间为30～600分钟，制备出纯度较高的低价TiOx(x<1)原料；
(2)采用第一步所制备的低价TiOx(x<1)原料压制成块作为阳极，金属材料为阴极，将氯化物电解质放入反应容器中，在氯化物电解质体系中，在含有惰性气氛保护下，在1000～2000℃的温度范围内，进行直流电解制备高纯钛；在反应过程中，电解质中所产生的游离态[O]将剩余低价TiOx氧化为高价钛氧化合物TiO2并返回第一步作为氧化物钛离子源原料(游离态O来源于TiOx，Ti离子在阴极沉积，使阳离子脱落，在电解质体系中形成游离态。经实验发现，[O]有较强的氧化性，可以将低价钛离子氧化为高价钛离子)；电解完成后，将阴极产物收集，用浓度小于5％的盐酸、去离子水反复清洗、干燥、包装，得到高纯钛。
进一步，步骤(1)所述混合氧化物中TiO2质量百分比为10％～80％。
进一步，步骤(1)或步骤(2)所述盛放电解质的容器为不锈钢坩埚、石墨坩埚、钼坩埚、钽坩埚、镍坩埚、钛坩埚、钛合金坩埚、碳钢坩埚中的一种。
进一步，步骤(1)所述惰性电极为导电性良好、耐高温、抗氧化的合金或氧化物及复合材料。
进一步，步骤(1)或步骤(2)所述惰性保护气氛为氦气、氩气、氮气或三者的混合气体；所述反电解反应温度为1000～2000℃，并在电解开始前，保温2～5小时。
进一步，步骤(1)或步骤(2)所述直流电解技术为恒电流或恒电压电解；槽电压控制在1.5～6.0V；阳极电流密度控制在0.01～5.00A/cm2；阴极电流密度控制在0.01～5.00A/cm2。
进一步，步骤(1)所述氟化物添加剂为CaF2、NaF、KF、LiF中的一种或一种以上，添加量为氧化物电解质总量(质量分数)的5～30％。
进一步，步骤(2)所述氯化物电解质为CsCl、CaCl2、LiCl、NaCl、KCl中的一种或一种以上。
进一步，步骤(1)或步骤(2)所述阴极金属材料为钛、钼、镍、锌、碳钢中的一种。
本发明的优点在于：分两步完成，首先是低价TiOx(x<1)原料的制备，然后是低价钛氧化物的熔盐电解提取高纯钛，这样既可以综合利用含钛渣资源，又能有效去除其他金属杂质，提高高纯钛品质；省去了阴极的制备过程，此外，阳极材料及原材料便宜易得，所以生产成本低。
附图说明
图1为实施例1的反应装置示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的具体实施方式做进一步描述，并不因此将本发明限制在所描述的实施例范围内。
【实施例1】
选用混合氧化物TiO2+MgO+Al2O3+CaO和质量分数为10％的CaF2添加剂作为电解质，其中TiO2的质量百分比为20％。将电解质混合均匀后置于反应容器底部，插入石墨阳极和金属钼阴极，盖上反应装置盖并进行密封处理。抽真空后通入惰性保护气氛氩气，并保持以一定的流量持续供氩保护，待反应装置内气氛稳定后，以300℃/小时的速率加热反应装置至1500℃，并保温3小时，使得电解质呈均匀熔融状态，保证反应装置内温度均匀分布。随后将石墨阳极缓慢插入到熔融电解质中，采用阴极电流密度为0.5A/cm2恒电流电解2小时。电解完成后，收集阴极产物，并用浓度小于5％的盐酸、去离子水反复清洗、干燥得到低价TiOx原料。
随后将上述阴极产物TiOx压制成块作为阳极，金属钼作为阴极，在纯CaCl2电解质体系中，在含有氩气气氛保护的1650℃的温度下，采用阴极电流密度为0.5A/cm2恒电流电解2小时。反应过程中，电解质中所产生的游离态[O]将剩余低价TiOx氧化为高价钛氧化合物TiO2并返回第一步作为氧化物钛离子源原料。电解完成后，将阴极产物收集，用浓度小于5％的盐酸、去离子水反复清洗、干燥、包装，得到高纯钛。图1为实施例1的反应装置示意图。
【实施例2】
选用混合氧化物TiO2+MgO+Al2O3+CaO和质量分数为10％的LiF添加剂作为电解质，其中TiO2的质量百分比为50％。将电解质混合均匀后置于反应容器底部，插入SnO2惰性阳极和金属镍阴极，盖上反应装置盖并进行密封处理。抽真空后通入惰性保护气氛氩气，并保持以一定的流量持续供氩保护，待反应装置内气氛稳定后，以300℃/小时的速率加热反应装置至1700℃，并保温3小时，使得电解质呈均匀熔融状态，保证反应装置内温度均匀分布。随后将石墨阳极缓慢插入到熔融电解质中，采用阴极电流密度为0.5A/cm2恒电流电解2小时。电解完成后，收集阴极产物，并用浓度小于5％的盐酸、去离子水反复清洗、干燥得到低价TiOx原料。
随后将上述阴极产物TiOx压制成块作为阳极，金属镍作为阴极，在混合氯化物CaCl2+NaCl+LiCl(质量百分比为40:30:30％)电解质体系中，在含有氩气气氛保护的1650℃的温度下，采用阴极电流密度为0.5A/cm2恒电流电解2小时。反应过程中，电解质中所产生的游离态[O]将剩余低价TiOx氧化为高价钛氧化合物TiO2并返回第一步作为氧化物钛离子源原料。电解完成后，将阴极产物收集，用浓度小于5％的盐酸、去离子水反复清洗、干燥、包装，得到高纯钛。
【实施例3】
选用混合氧化物TiO2+MgO+Al2O3+CaO和质量分数为5％的LiF+NaF(质量百分比为50:50％)添加剂作为电解质，其中TiO2的质量百分比为30％。将电解质混合均匀后置于反应容器底部，插入石墨阳极和金属钛阴极，盖上反应装置盖并进行密封处理。抽真空后通入惰性保护气氛氩气，并保持以一定的流量持续供氩保护，待反应装置内气氛稳定后，以300℃/小时的速率加热反应装置至1600℃，并保温3小时，使得电解质呈均匀熔融状态，保证反应装置内温度均匀分布。随后将石墨阳极缓慢插入到熔融电解质中，施加5V的直流电电解2小时。电解完成后，收集阴极产物，并用浓度小于5％的盐酸、去离子水反复清洗、干燥得到低价TiOx原料。
随后将上述阴极产物TiOx压制成块作为阳极，金属钛作为阴极，在混合氯化物CaCl2+NaCl+CsCl(质量百分比为45:45:10％)电解质体系中，在含有氩气气氛保护的1650℃的温度下，施加5V的直流电电解2小时。反应过程中，电解质中所产生的游离态[O]将剩余低价TiOx氧化为高价钛氧化合物TiO2并返回第一步作为氧化物钛离子源原料。电解完成后，将阴极产物收集，用浓度小于5％的盐酸、去离子水反复清洗、干燥、包装，得到高纯钛。

Claims (9)

1.一种两步法制备高纯钛的方法，其特征在于，包括以下两部分：
(1)以混合氧化物TiO2+MgO+Al2O3+CaO为氧化物电解质，加入少量氟化物作为添加剂，将氧化物电解质和添加剂放入反应容器中，以石墨或惰性电极为阳极、金属材料为阴极，在含有惰性气氛保护下，在1000～2000℃的温度范围内进行直流电解，反应时间为30～600分钟，制备出纯度较高的低价TiOx(x<1)原料；
(2)采用第一步所制备的低价TiOx(x<1)原料压制成块作为阳极，金属材料为阴极，将氯化物电解质放入反应容器中，在氯化物电解质体系中，在含有惰性气氛保护下，在1000～2000℃的温度范围内，进行直流电解制备高纯钛；在反应过程中，电解质中所产生的游离态[O]将剩余低价TiOx氧化为高价钛氧化合物TiO2并返回第一步作为氧化物钛离子源原料；电解完成后，将阴极产物收集，用浓度小于5％的盐酸、去离子水反复清洗、干燥、包装，得到高纯钛。
2.根据权利要求1所述的一种两步法制备高纯钛的方法，其特征在于，步骤(1)所述混合氧化物中TiO2质量百分比为10％～80％。
3.根据权利要求1所述的一种两步法制备高纯钛的方法，其特征在于，步骤(1)或步骤(2)所述盛放电解质的容器为不锈钢坩埚、石墨坩埚、钼坩埚、钽坩埚、镍坩埚、钛坩埚、钛合金坩埚、碳钢坩埚中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种两步法制备高纯钛的方法，其特征在于，步骤(1)所述惰性电极为导电性良好、耐高温、抗氧化的合金或氧化物及复合材料。
5.根据权利要求1所述的一种两步法制备高纯钛的方法，其特征在于，步骤(1)或步骤(2)所述惰性保护气氛为氦气、氩气、氮气或三者的混合气体；所述电解反应温度为1000～2000℃，并在电解开始前，保温2～5小时。
6.根据权利要求1所述的一种两步法制备高纯钛的方法，其特征在于，步骤(1)或步骤(2)所述直流电解技术为恒电流或恒电压电解；槽电压控制在1.5～6.0V；阳极电流密度控制在0.01～5.00A/cm2；阴极电流密度控制在0.01～5.00A/cm2。
7.根据权利要求1所述的一种两步法制备高纯钛的方法，其特征在于，步骤(1)所述氟化物添加剂为CaF2、NaF、KF、LiF中的一种或一种以上，添加量为氧化物电解质总量的5～30％。
8.根据权利要求1所述的一种两步法制备高纯钛的方法，其特征在于，步骤(2)所述氯化物电解质为CsCl、CaCl2、LiCl、NaCl、KCl中的一种或一种以上。
9.根据权利要求1所述的一种两步法制备高纯钛的方法，其特征在于，步骤(1)或步骤(2)所述阴极金属材料为钛、钼、镍、锌、碳钢中的一种。
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