CN108070880A - 熔盐电解炉及熔盐电解方法 - Google Patents

熔盐电解炉及熔盐电解方法 Download PDF

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CN108070880A CN201611012467.3A CN201611012467A CN108070880A CN 108070880 A CN108070880 A CN 108070880A CN 201611012467 A CN201611012467 A CN 201611012467A CN 108070880 A CN108070880 A CN 108070880A
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吴景晖
姚力军
张建伟
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Abstract

本发明提供一种熔盐电解炉及熔盐电解方法，熔盐电解炉包括：炉腔，所述炉腔用于容纳所述熔盐电解质；工作阳极，所述工作阳极用于放置于所述熔盐电解质中，所述工作阳极用于接正电位；工作阴极，所述工作阴极用于放置于所述熔盐电解质中；与所述工作阴极相连的导电金属线，所述导电金属线用于接第一负电位；与所述导电金属线相连的保护阳极，所述保护阳极用于为导电金属线提供第二负电位。所述保护阳极能够为所述导电金属线提供第二负电位，从而抑制所述导电金属线的氧化，进而抑制所述导电金属线的腐蚀。导电金属线腐蚀的减少，有利于节约金属材料，提高生产成本。

Description

熔盐电解炉及熔盐电解方法
技术领域
本发明涉及金属冶炼技术领域，尤其涉及一种熔盐电解炉及熔盐电解方法。
背景技术
熔盐电解法是通过盐溶液提取和提纯金属的冶金方法。熔盐电解是指利用电能将某些金属的盐类熔融并作为电解质进行电解，将电能转换为化学能，从而提取和提纯金属的冶金过程。
低氧超高纯钛是一种战略性高端金属材料，是飞机制造、宇宙航天行业必须的战略性关键材料。熔盐电解法使制备低氧超高纯钛的常用方法。
熔盐电解炉是进行熔盐电解的反应器。熔盐电解炉包括：工作阳极、工作阴极以及与工作阴极相连的导电金属线。熔盐电解法制备低氧超高纯钛是在工作阳极上接正电位，通过导电金属线将工作阴极与直流电源连接，从而为工作阴极提供负电位。通过熔盐电解法制备低氧超高纯钛的方法包括：通过所述熔盐电解炉对含钛熔盐电解质进行电解，在所述工作阴极上析出钛。
要得到低氧超高纯钛需要保证导电金属线表面清洁，对导电金属线进行保护，防止导电金属线被腐蚀。
然而，现有的熔盐电解炉的导电金属线容易被腐蚀。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种熔盐电解炉和熔盐电解方法，能够抑制熔盐电解炉导电金属线的腐蚀。
为解决上述问题，本发明提供一种熔盐电解炉，包括：炉腔，所述炉腔用于容纳熔盐电解质；工作阳极，所述工作阳极用于放置于所述炉腔中，所述工作阳极用于接正电位；工作阴极，所述工作阴极用于放置于所述炉腔中；与所述工作阴极相连的导电金属线，所述导电金属线用于接第一负电位；与所述导电金属线相连的保护阳极，所述保护阳极用于为导电金属线提供第二负电位。
可选的，所述导电金属线的材料为铜。
可选的，所述第二负电位低于-0.49V。
可选的，所述保护阳极的材料为金属，保护阳极的还原性大于所述导电金属线的还原性。
可选的，所述导电金属线的材料为铜，所述保护阳极的材料为镁铝合金或镁。
可选的，所述保护阳极的总净质量Ma为：Ma＝Ic·tf·8760/(μ·ε)；tf为对所述导电金属线进行保护的时间，μ为保护阳极的利用率，ε为保护阳极的介电常数，Ic为对导电金属线进行保护时，导电金属线所需的保护电流。
可选的，所述保护阳极的利用率为0.75～1。
可选的，所述保护阳极的横截面为矩形。
可选的，所述保护阳极的横截面为长方形，所述长方形的宽为8mm～11mm，所述长方形保护阳极的长为17mm～21mm。
可选的，还包括连接线，所述连接线用于连接所述保护阳极与导电金属线。
可选的，所述连接线与所述导电金属线的材料相同。
可选的，所述导电金属线和所述连接线的材料为铜。
可选的，所述保护阳极的个数为一个或多个。
可选的，所述保护阳极为恒电位仪。
相应的，本发明还提供一种熔盐电解方法，包括：提供熔盐电解炉；提供熔盐电解质；将所述熔盐电解质放置于所述炉腔内；将所述熔盐电解质放置于所述炉腔内之后，将所述工作阳极和工作阴极置于所述熔盐电解质中；将所述工作阳极和工作阴极置于所述熔盐电解质中之后，使所述工作阳极接正电位；将所述工作阳极和工作阴极置于所述熔盐电解质中之后，使所述导电金属线接第一负电位。
可选的，所述保护阳极位于所述炉腔外。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
本发明技术方案提供的熔盐电解炉中，所述熔盐电解炉包括与所述导电金属线相连的保护阳极，所述保护阳极能够为所述导电金属线提供第二负电位，使所述保护阳极能够为所述导电金属线提供大量电子，从而能够抑制所述导电金属线失电子，进而抑制导电金属线被氧化，因此，所述熔盐电解炉能够抑制所述导电金属线的腐蚀。导电金属线腐蚀的减少，有利于节约金属材料，提高生产成本。
本发明技术方案提供的熔盐电解方法中，所述保护阳极能够为所述导电金属线提供第二负电位，因此，所述保护阳极能够为所述导电金属线提供大量电子，从而能够抑制所述导电金属线失电子，进而抑制导电金属线被氧化，保证电解过程的稳定。此外，导电金属线腐蚀的减少，有利于节约金属材料，提高生产成本。
附图说明
图1和图2是本发明的熔盐电解炉一实施例的结构示意图；
图3是本发明熔盐电解方法一实施例的结构示意图。
具体实施方式
熔盐电解炉存在诸多问题，例如，导电金属线容易被腐蚀。
现结合一种熔盐电解炉，分析现有技术的熔盐电解炉电线圈容易被腐蚀的原因：
导电金属线是连接直流电源与工作阴极的装置。导电金属线分为两部分，连接直流电源的部分位于炉外，暴露于空气中，容易被氧化；与工作阴极连接的部分位于炉内，在出料时暴露于空气中。位于炉内的导电金属线长期接触熔盐挥发物，在出料接触空气后容易被氧化。
为了解决上述问题，一种方法是在导电金属线上涂布防腐涂层，所述防腐涂层能够抑制导电金属线的氧化；然而，如果位于炉内的导电金属线也涂布防腐涂层，防腐涂层容易增加导电金属线的电阻，且容易使电解过程中流经所述工作阴极的电流不稳定。因此，位于炉内的导电金属线不能通过涂层的方法进行保护。位于炉内的导电金属线长期接触熔盐挥发物，出料时容易被氧化，引起电解电位的降低，从而影响电解的稳定；此外，导电金属线的氧化容易污染电解质。
为解决所述技术问题，本发明提供了一种熔盐电解炉，包括：炉腔，所述炉腔用于容纳熔盐电解质；工作阳极，所述工作阳极用于放置于所述炉腔中，所述工作阳极用于接正电位；工作阴极，所述工作阴极用于放置于所述炉腔中；与所述工作阴极相连的导电金属线，所述导电金属线用于接第一负电位；与所述导电金属线相连的保护阳极，所述保护阳极用于为导电金属线提供第二负电位。
其中，所述熔盐电解炉包括与所述导电金属线相连的保护阳极，所述保护阳极能够为所述导电金属线提供第二负电位，使所述保护阳极能够为所述导电金属线提供大量电子，从而能够抑制所述导电金属线失电子，进而抑制导电金属线被氧化，因此，所述熔盐电解炉能够抑制所述导电金属线的腐蚀。导电金属线腐蚀的减少，有利于节约金属材料，提高生产成本。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
图1和图2是本发明的熔盐电解炉一实施例的结构示意图。
请参考图1和图2，图1是熔盐电解炉的电路示意图，图2是图1中的保护阳极的横截面示意图，所述熔盐电解炉用于电解熔盐电解质，所述熔盐电解炉包括：炉腔100，所述炉腔100用于容纳熔盐电解质；工作阳极101，所述工作阳极101用于放置于所述炉腔100中，所述工作阳极101用于接正电位；工作阴极102，所述工作阴极102用于放置于所述炉腔100中；与所述工作阴极102相连的导电金属线110，所述导电金属线110用于接第一负电位；与所述导电金属线110相连的保护阳极130，所述保护阳极130用于为导电金属线110提供第二负电位。
所述熔盐电解炉用于熔盐电解质进行电解，制取纯金属。
本实施例中，所述熔盐电解炉用于对含钛熔盐电解质进行电解，制取超高纯钛，超高纯钛指的是钛的纯度大于99.999％的钛合金。在其他实施例中，所述熔盐电解炉还可以用于制取其他金属材料。
所述工作阳极101用于接正电位，使所述工作阳极101原子失电子，形成工作阳极101离子进入所述熔盐电解质。
本实施例中，所述工作阳极101的材料为钛。在其他实施例中，所述熔盐电解炉用于制取其他金属材料，所述工作阳极的材料还可以为其他金属材料，例如铜。
所述工作阴极用于接第一负电位，为熔盐电介质中的金属离子提供电子，使熔盐电介质中的金属离子得电子，形成金属在所述阴极102表面析出。
本实施例中，所述工作阴极102的材料为钛。在其他实施例中，所述工作阴极的材料还可以为铜。
本实施例中，所述工作阴极102表面具有涂层，用于对所述工作阴极102进行保护，减少工作阴极102的腐蚀。
本实施例中，所述熔盐电解炉还包括直流电源103。
本实施例中，通过所述直流电源103为所述工作阳101极提供正电位，并为所述工作阴极102提供第一负电位。
本实施例中，所述直流电源103包括：正极和负极。
所述正极用于与所述工作阳极101相连，所述负极用于与所述工作阴极102相连。
本实施例中，所述负极通过导电金属线110与所述工作阴极102相连。
本实施例中，所述导电金属线110的材料为铜。铜具有电阻小的特点，能够节约能源。在其他实施例中，所述导电金属线的材料还可以为铝。
所述保护阳极130用于为所述导电金属线110提供第二负电位，从而为所述导电金属线110提供大量的电子，进而抑制所述导电金属线110失电子，抑制所述导电金属线110的氧化，抑制所述导电金属线110的腐蚀。导电金属线110腐蚀的减少，有利于节约金属材料，提高生产成本。此外，减少导电金属线110的腐蚀能够使所述熔盐电解炉在使用过程中，保证工作阴极102电位的稳定，从而能够抑制熔盐电解质中的杂质金属析出，或出现析氢现象，进而能够保证制备的高纯钛的纯度。
本实施例中，所述保护阳极130的材料为金属，且所述保护阳极130的还原性大于所述导电金属线110的还原性。利用保护阳极130较高的还原性，使所述保护阳极130代替所述导电金属线110被腐蚀，从而对所述导电金属线110起到保护作用。
要对所述导电金属线110进行充分保护，所述保护阳极130需要提供给所述导电金属线110一定的保护电位E0。
不同材料的导电金属线110需要不同的保护电位E0。又由于实际应用中，外界环境变化等因素的影响，保护阳极130的实际电位容易发生偏移。因此，为了对导电金属线110进行充分保护，保护阳极130所提供的实际电位E应大于所述保护电位E0，则实际电位E为：
E＝E0+△E (1)
其中，△E为电位的偏移量，所述电位的偏移量△E为：
其中，i0为未对所述工作阴极102进行保护时，导电金属线110中产生的腐蚀电流；i1为通过保护阳极130对所述工作阴极102进行保护时，导电金属线中产生的腐蚀电流；R为工作阴极102的电阻，T为工作阴极102温度，F为法拉第常数。
另外，i0/i1与工作阴极102的保护程度P具有如下关系：
本实施例中，为了使所述导电金属线110得到充分保护，取所述工作阴极102的保护程度P大于99.999％。
则由等式(1)(2)(3)，以及保护程度P的值，可以得出，所述导电金属线110所需的实际电位E低于-0.49V，因此，所述第二负电位低于-0.49V。
需要说明的是，保护阳极130材料的选取应当综合考虑多种因素。具体的，第一，所述保护阳极130应当具有一定的活泼性，如果所述保护阳极130的活泼性过小，不容易对所述导电金属线110进行充分保护，因此所述保护阳极130的活泼性应当大于所述导电金属线110的活泼型；如果所述保护阳极130的活泼性过大，容易出现析氢现象，从而容易破坏工作阴极102表面的涂层。第二，所述保护阳极130的极化率要小，保证输出电流的稳定，进而保证制备的金属的纯度；第三，所述保护阳极130应当具有较大的电容量。第四，所述保护阳极130应当具有较大的电流效率，从而能够节约保护阳极130材料。第五，所述保护阳极130在腐蚀工程中产生的腐蚀产物不污染环境。综合考虑上述因素，本实施例中，所述保护阳极130的材料为镁。在其他实施例中，所述保护阳极的材料还可以为镁铝合金。
由于保护阳极130在电解过程的前期，电解过程开始进行，此时电解过程不稳定；电解中期电解过程趋于稳定；电解的后期，电解过程即将结束，电解过程不稳定。因此，电解前期、电解中期及电解末期的电解电流不同，则所述电解前期、电解中期及电解末期，所需的保护电流不相同。然而，所述保护电流与保护阳极130的质量有关。因此，在选择所述保护阳极130的质量时，为了使所述保护阳极130能够在电解的前期、中期和后期能够为所述导电金属线110提供充分保护，从而抑制所述导电金属线110的氧化，需要综合考虑保护阳极130在电解的前期、中期和后期所需的保护电流大小。
对导电金属线110进行保护所述需要的保护阳极130的总净质量Ma为：
Ma＝Ic·tf·8760/(μ·ε) (4)
其中，tf为对所述导电金属线110进行保护的时间，μ为保护阳极130的利用率，所述利用率为电解过程中被氧化的保护阳极130的质量与保护阳极130总质量之比值，ε为保护阳极130的介电常数，Ic为对导电金属线110进行保护时，导电金属线110所需的保护电流，具体如下：
Ic＝Max(Ici+Icm+Icf) (5)
其中，Ici、Icf分别为在电解的前期和末期所需的保护电流；Icm为在整个电解过程中所需要的平均保护电流。
保护阳极130的形状对保护阳极130的利用率具有很大影响。本实施例中，为了节约保护阳极130材料，通过对保护阳极130形状进行合理选择，使所述保护阳极130的利用率μ为0.75～1.0。
根据等式(4)(5)，以及参数：对所述导电金属线110进行保护的时间tf、保护阳极130的利用率μ、保护阳极130的介电常数ε，可以得出对导电金属线110进行保护所需要的保护阳极130的总净质量Ma。
具体的，结合参考图2，所述保护阳极130为带形，所述保护阳极130的横截面为长方形。
所述保护阳极130横截面的短边l1为8mm～11mm；所述保护阳极130横截面的长边l2为17mm～21mm。
所述保护阳极130的个数可以为一个或多个。所述保护阳极130的个数由以下方法确定。
首先，基于对所述导电金属线110进行保护所需的保护阳极130总净质量和单块保护阳极130净质量man，计算出所需净保护阳极130块数Na：
Na＝Ma/man
其次，计算出由初期阴极保护所需电流Ici与单块保护阳极130初期输出电流Iai确定初期保护阳极块数Ni：
Ni＝Ici/Iai
最后，计算出由末期阴极保护所需电流Icf与单块保护阳极130末期输出电流Iaf确定末期保护阳极块数Nf：
Nf＝Icf/Iaf
取三者中数值最大者作为阴极保护实际所需的保护阳极130块数N1:
N1＝Max(Na，Ni，Nf)
本实施例中，为了实现所述保护阳极130与导电金属线110之间的连接，所述熔盐电解炉还包括：连接所述保护阳极130与导电金属线110的连接线131。所述保护阳极130被腐蚀的过程中产生的电子通过所述连接线131传递到所述导电金属线110中。
本实施例中，所述连接线131贯穿所述保护阳极130并与所述导电金属线110相连。在其他实施例中，所述连接线还可以不贯穿所述保护阳极。
本实施例中，所述连接线131的横截面为圆形，且所述连接线131横截面的圆心与所述保护阳极130横截面中心重合。在其他实施例中，所述连接线的横截面还可以为长方形。
本实施例中，所述连接线131的直径为3mm～3.5mm。
本实施例中，所述连接线131的材料为铜，铜能够与所述导电金属线110很好地连接，从而能够降低导电金属线110与连接线131连接处的电阻，进而能够节约材料。在其他实施例中，所述连接线131的材料还可以为钢。
需要说明的是，在其他实施例中，所述保护阳极还可以为恒电位仪，所述恒电位仪能够为所述导电金属线提供所需的所述实际电位。
综上，本实施例提供的熔盐电解炉中，所述熔盐电解炉包括与所述导电金属线相连的保护阳极，所述保护阳极能够为所述导电金属线提供第二负电位，使所述保护阳极能够为所述导电金属线提供大量电子，从而能够抑制所述导电金属线失电子，进而抑制导电金属线被氧化，因此，所述熔盐电解炉能够抑制所述导电金属线的腐蚀。导电金属线腐蚀的减少，有利于节约金属材料，提高生产成本。
图3是本发明熔盐电解方法一实施例的结构示意图。
请参考图3，提供熔盐电解炉。
本实施例中，所述熔盐电解炉与上一实施例相同，在此不做赘述。
请参考图3，提供熔盐电解质120，将所述熔盐电解质120放置于所述炉腔100中。
本实施例中，所述熔盐电解质120为含有钛离子的熔盐。在其他实施例中，所述熔盐电解质还可以为氯化钠溶液。
请参考图3，将所述熔盐电解质120放置于所述炉腔100中之后，将所述工作阳极101和工作阴极102置于所述熔盐电解质120中；将所述工作阳极101和工作阴极102置于所述熔盐电解质120中之后，使所述工作阳极101接正电位；将所述工作阳极101和工作阴极102置于所述熔盐电解质120中之后，使所述导电金属线110接第一负电位。
本实施例中，所述熔盐电解炉还包括直流电源103。所述熔盐电解炉通过直流电源103为所述工作阳极101提供正电位，并通过导电金属线110为所述工作阴极102提供第一负电位。
本实施例中，所述直流电源103包括正极和负极。使所述工作阳极101接正电位的步骤包括：使所述工作阳极101与所述直流电源103正极相连。
本实施例中，使所述导电金属线110接第一负电位的步骤包括：使所述导电金属线110与所述直流电源103负极相连。
所述保护阳极130活泼性大于所述导电金属线110的活泼性，在对所述熔盐电解质120进行电解的过程中，所述保护阳极130首先被腐蚀失去电子，电子到达所述导电金属线110中，能够抑制所述导电金属线110的腐蚀，对所述导电金属线110进行保护，从而能够增加所述导电金属线110的电阻的稳定性，进而增加所述工作阴极102和工作阳极101之间电压的稳定性。因此，所述形成方法能够保证所制备的金属的纯度。此外，所述形成方法还能够节约工作阴极102的材料。
本实施例中，使所述保护阳极130位于所述炉腔100外，能够避免所述保护阳极130因腐蚀对所制备的金属产生污染。
综上，本实施例的熔盐电解方法中，所述保护阳极能够为所述导电金属线提供第二负电位，因此，使所述保护阳极能够为所述导电金属线提供大量电子，从而能够抑制所述导电金属线失电子，进而抑制导电金属线被氧化，能够保证电解过程的稳定。此外，导电金属线腐蚀的减少，有利于节约金属材料，提高生产成本。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (16)

1.一种熔盐电解炉，用于电解熔盐电解质，其特征在于，包括：
炉腔，所述炉腔用于容纳熔盐电解质；
工作阳极，所述工作阳极用于放置于所述炉腔中，所述工作阳极用于接正电位；
工作阴极，所述工作阴极用于放置于所述炉腔中；
与所述工作阴极相连的导电金属线，所述导电金属线用于接第一负电位；
与所述导电金属线相连的保护阳极，所述保护阳极用于为导电金属线提供第二负电位。
2.如权利要求1所述的熔盐电解炉，其特征在于，所述导电金属线的材料为铜。
3.如权利要求1所述的熔盐电解炉，其特征在于，所述第二负电位低于-0.49V。
4.如权利要求1所述的熔盐电解炉，其特征在于，所述保护阳极的材料为金属，保护阳极的还原性大于所述导电金属线的还原性。
5.如权利要求4所述的熔盐电解炉，其特征在于，所述导电金属线的材料为铜，所述保护阳极的材料为镁铝合金或镁。
6.如权利要求4所述的熔盐电解炉，其特征在于，所述保护阳极的总净质量Ma为：Ma＝Ic·tf·8760/(μ·ε)；tf为对所述导电金属线进行保护的时间，μ为保护阳极的利用率，ε为保护阳极的介电常数，Ic为对导电金属线进行保护时，导电金属线所需的保护电流。
7.如权利要求6所述的熔盐电解炉，其特征在于，所述保护阳极的利用率为0.75～1。
8.如权利要求1所述的熔盐电解炉，其特征在于，所述保护阳极的横截面为矩形。
9.如权利要求8所述的熔盐电解炉，其特征在于，所述保护阳极的横截面为长方形，所述长方形的宽为8mm～11mm，所述长方形保护阳极的长为17mm～21mm。
10.如权利要求1所述的熔盐电解炉，其特征在于，还包括连接线，所述连接线用于连接所述保护阳极与导电金属线。
11.如权利要求10所述的熔盐电解炉，其特征在于，所述连接线与所述导电金属线的材料相同。
12.如权利要求11所述的熔盐电解炉，其特征在于，所述导电金属线和所述连接线的材料为铜。
13.如权利要求1所述的熔盐电解炉，其特征在于，所述保护阳极的个数为一个或多个。
14.如权利要求1所述的熔盐电解炉，其特征在于，所述保护阳极为恒电位仪。
15.一种熔盐电解方法，其特征在于，包括：
提供权利要求1至14任意一项所述的熔盐电解炉；
提供熔盐电解质；
将所述熔盐电解质放置于所述炉腔内；
将所述熔盐电解质放置于所述炉腔内之后，将所述工作阳极和工作阴极置于所述熔盐电解质中；
将所述工作阳极和工作阴极置于所述熔盐电解质中之后，使所述工作阳极接正电位；
将所述工作阳极和工作阴极置于所述熔盐电解质中之后，使所述导电金属线接第一负电位。
16.如权利要求15所述的熔盐电解方法，其特征在于，所述保护阳极位于所述炉腔外。
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