专利名称：一种非接触式金属元素碳热熔融还原方法
技术领域：
本发明属于冶金材料领域，特别适用于纯净金属的熔融还原。
前人利用氧离子传导固体电解质和混合导体，作为还原剂(脱氧剂、给出电子端)和被还原物(被脱氧物、得到电子端)的“隔离层”，避免了被还原产物受还原剂“污染”的问题，能够进行深度脱氧或还原出高纯金属，特别是采用固体电解质自身“电子短路”脱氧，电流密度提高了几十倍，应用潜力很大。但是，采用还原剂是二次资源，用电时同样是二次资源，存在一次资源再加工过程，造成资金、劳动力的重复投入、资源的浪费，还加剧了大气的污染；同时还存在固体电解质或混合导体受熔渣侵蚀的问题。
一种非接触式金属元素碳热熔融还原方法，包含氧离子传导固体电解质2、金属-C熔体3、含被还原物的熔渣5、被还原物6、电极7，其特征在于本方法用煤炭做还原剂1，熔渣与固体电解质间设置金属保护隔离层4，两电极7之间通过电化学控制仪8连接。
原理如
图1所示，它以氧离子传导固体电解质、金属-C熔体、含被还原物的熔渣和电化学控制仪，组成浓差电池，还原剂与含被还原物熔渣分居固体电解质两侧，靠两侧的氧势差进行电化学还原，其中熔渣与固体电解质间设置金属“保护隔离层”。金属-C熔体可以由煤和金属产生，可提供较低的氧分压和较高活性的溶解碳；熔渣是含被还原物渣系，被还原物MO在渣内解离成M2+和O2-；固体电解质，既起着隔离还原剂与被还原产物的作用，同时能保证氧离子(O2-)传输，靠外电路电子传导消除电场对氧离子传导的抑制作用；外电路连接电化学控制仪，起调节和监测作用；另外，“保护隔离层”，解决了固体电解质和电极受熔渣浸蚀问题。
金属-C熔体3中金属为Fe，Co，Ni等能溶解碳的金属液，氧离子传导固体电解质2以ZrO2基二元系中掺杂氧化物主要有以CaO、MgO为代表的碱土金属氧化物和以Y2O3、Sc2O3为代表的稀土金属氧化物，另外还有ZrO2-Y2O3系中添加Yb2O3、Sc2O3等低价金属氧化物，ZrO2-Y2O3系中添加Al2O3、Bi2O3等，或混合掺杂。
金属保护隔离层4为Ag，Cu，Fe，Sn等金属，具体视被还原产物而定，如还原铁氧化物时，希望还原成纯铁可用金属铁，希望形成Cu-Fe合金可用金属铜等。
还原金属氧化物如铋氧化物、锑氧化物、铅氧化物、锡氧化物、铜氧化物、镍氧化物、钴氧化物、铁氧化物或锰氧化物获得纯金属，金属保护隔离层4相应分别为金属铋、锑、铅、锡、铜、镍、钴、铁或锰。
还原非铁氧化物如硅氧化物、镍氧化物、锰氧化物、铬氧化物、钛氧化物、钼氧化物或钨氧化物获得铁合金，金属保护隔离层4为金属铁或相应的铁合金。
还原铜氧化物、锡氧化物或锑氧化物获得铁合金，金属保护隔离层4分别为金属铜、锡、锑或相应的铁合金。
还原镁氧化物或钙氧化物获得镁蒸汽或钙蒸汽，金属保护隔离层4为金属铁。
电极阳极用石墨电极，阴极用Mo-ZrO2、Co-ZrO2、Ni-ZrO2、Ru-ZrO2、W-ZrO2，以及W-CeO2-ZrO2，W-Y2O3-ZrO2，W-La2O3-ZrO2等金属陶瓷，具体因温度和保护隔离层4而定，如Mo-ZrO2陶瓷可用于铁液“保护隔离层”，Co-ZrO2、Ni-ZrO2陶瓷用于铜液“保护隔离层”，而Ru-ZrO2陶瓷可用于更高温度的金属熔体保护隔离层。
电化学控制仪8电压调节范围，0-1.2V。
本发明与传统的接触式还原相比，它以固体电解质作为还原剂和被还原物的“隔离层”，避免了被还原物产物受还原剂“污染”问题，可以缩短冶金流程；与传统的电解法还原相比，使用煤为主要还原剂和发热剂，克服了热电转换效率低所带来的能耗大、环境污染等问题；与现有采用固体电解质或混合导体为“隔离层”的方法相比，可以使用一次资源—煤作为还原剂，便于应用，而且活性大、氧分压稳定；固体电解质与含被还原物熔渣间引进“保护隔离层”，解决了固体电解质和电极受熔渣浸蚀问题。另外，固体电解质容器构成CO发生器，外面容器上面是渣、下面是金属，能连续装料和排料，为连续操作、提高产量，提供了可能性。
图2是在外加电压等于零条件下应用还原剂与被还原物非接触式碳热熔融还原方法实施实例，其中I为非碳饱和Fe-C熔体下的还原结果，II为碳饱和熔体下的还原结果，图3碳饱和Fe-C熔体下含铁熔渣的还原率。
氧离子传导固体电解质是ZrO2基二元系中掺杂了MgO。金属保护隔离层为金属铜，还原产物为Cu-Fe合金。电极阳极用石墨电极，阴极用Mo-ZrO2。电化学控制仪电压调节范围，0-1.2V。
权利要求
1.一种非接触式金属元素碳热熔融还原方法，包含氧离子传导固体电解质(2)、金属-C熔体(3)、含被还原物的熔渣(5)、被还原物(6)、电极(7)，其特征在于本方法用煤炭做还原剂(1)，熔渣与固体电解质间设置金属保护隔离层(4)，两电极(7)之间通过电化学控制仪(8)连接。
2.如权利要求1所述的金属元素碳热熔融还原方法，其特征在于还原金属氧化物如铋氧化物、锑氧化物、铅氧化物、锡氧化物、铜氧化物、镍氧化物、钴氧化物、铁氧化物或锰氧化物获得纯金属，金属保护隔离层(4)相应分别为金属铋、锑、铅、锡、铜、镍、钴、铁或锰。
3.如权利要求1所述的金属元素碳热熔融还原方法，其特征在于还原非铁氧化物如硅氧化物、镍氧化物、锰氧化物、铬氧化物、钛氧化物、钼氧化物或钨氧化物获得铁合金，金属保护隔离层(4)为金属铁或相应的铁合金。
4.如权利要求1所述的金属元素碳热熔融还原方法，其特征在于还原铜氧化物、锡氧化物或锑氧化物获得铁合金，金属保护隔离层(4)分别为金属铜、锡、锑或相应的铁合金。
5.如权利要求1所述的金属元素碳热熔融还原方法，其特征在于还原镁氧化物或钙氧化物获得镁蒸汽或钙蒸汽，金属保护隔离层(4)为金属铁。
全文摘要
属于冶金材料领域，特别适用于纯净金属的熔融还原。发明包含氧离子传导固体电解质2、金属－C熔体3、含被还原物的熔渣5、被还原物6、电极7，特征在于本方法用煤碳做还原剂1，熔渣与固体电解质间设置金属保护隔离层4，两电极7之间通过电化学控制仪8连接。与传统的接触式还原比，避免了被还原物产物受还原剂“污染”问题，可缩短冶金流程；与传统的电解法还原比，克服了热电转换效率低所带来的能耗大、环境污染等问题；与现有采用固体电解质或混合导体为“隔离层”的方法比，用煤作为还原剂，便于应用，且活性大、氧分压稳定；固体电解质与含被还原物熔渣间引进“保护隔离层”，解决了固体电解质和电极受熔渣浸蚀问题。
文档编号C22B5/00GK1442497SQ03121189
公开日2003年9月17日 申请日期2003年3月27日 优先权日2003年3月27日
发明者郭兴敏, 高运明, 周国治 申请人:北京科技大学