专利名称：一种微波加热制备碳氧钛复合阳极的方法
技术领域：
本发明涉及粉末冶金领域，特别涉及一种微波加热制备碳氧钛复合阳极的方法。
背景技术：
微波加热作为一种新型绿色冶金、材料制备的方法，已发展成为一门引人注目的 新兴前沿交叉学科。微波加热在冶金中的应用与常规加热方式相比具有无可比拟的优点 选择性加热，升温速率快，加热效率高，改变常规加热依靠温度梯度的热传导过程等，微波 加热已经成为快速制备高性能的新材料和对传统材料进行改性的重要技术手段。TiO · mTiC固溶体作为可溶阳极电解是电解法制备金属钛的研究热点。这方面 的相关研究最早由前苏联的学者在上世纪七十年代提出，认为只有碳氧比近似为1的碳氧 化钛的电位才是稳定的。TiO · mTiC固溶体电解法是将TiO2与C混合在高温下还原制得 TiO .HiTiC固溶体，再将此固溶体阳极在碱金属熔盐体系中进行电解精炼得到纯金属钛。该 工艺在电解过程中不产生阳极泥，电解精炼提纯效果好，但是该工艺中的可溶性复合阳极 的制作是一个多步骤且较为繁琐的过程，并且热还原能耗较高。着眼于金属钛的低成本、大 规模生产，复合阳极制备工艺尚要优化改进。针对TiO2的碳热还原反应机理，科研机构开展了深入研究。目前形 成的反应机理归纳为如下两方面=TiO2 — Ti3O5 — TiCa67Oa33 — TiCxOy — TiC ； TiO2 — TinO2lri — TiCxOy — TiC0目前形成的碳热还原方式主要包括真空炉加热、工业窑炉 加热、SPS等离子加热等。上述加热方式普遍存在烧结周期长、能耗大、热效率低、加热不均 勻等缺点，导致最终还原产物的物相组成不稳定及整体工艺经济性不佳。
发明内容
本发明针对已有技术的缺陷和不足，提供一种使用含钛物料和含碳单质为原料， 以微波加热方式制备碳氧钛复合阳极的方法。本工艺中微波加热可降低反应物活化能，加 快反应进程，缩短反应时间，降低反应温度。该方法具有工艺流程短，反应时间短，反应温度 低，能耗低，环境友好，易于实现工艺的连续性，有良好的推广应用前景等优点。本发明提供了一种微波加热制备碳氧钛复合阳极的方法，包括以下步骤将含钛 物料和碳质还原剂重量百分比为100 (10 50)的比例混合均勻，然后将混合后的物料 通过压力成型制备成毛坯，再将毛坯放入在反应器内，通入保护气体，利用微波在ioocrc 1200°C对毛坯进行加热，保温一段时间后，将最终的还原产物冷却至室温即得到碳氧钛复 合阳极。优选地，根据本发明所述的一种微波加热制备碳氧钛复合阳极的方法，其中，所述 含钛物料和碳质还原剂的粒度大于300目，所述含钛物料为偏钛酸或钛白粉，且所述偏钛 酸中TiO2含量为80wt% 81wt%，钛白粉中TiO2含量为大于98wt%。优选地，根据本发明所述的一种微波加热制备碳氧钛复合阳极的方法，其中，所述 碳质还原剂为石油焦、木炭、无烟煤中的任何一种。
优选地，根据本发明所述的一种微波加热制备碳氧钛复合阳极的方法，其中，所述 碳质还原剂中的含碳量为74wt% 95wt%。优选地，根据本发明所述的一种微波加热制备碳氧钛复合阳极的方法，其中，所述 压力成型设定的压力值为500 lOOOkg/cm2。优选地，根据本发明所述的一种微波加热制备碳氧钛复合阳极的方法，其中，所述 保护气体为氩气或氦气，且所述保护气体的流量为0. 5L/min lOL/min。优选地，根据本发明所述的一种微波加热制备碳氧钛复合阳极的方法，其中，所述 微波源频率为900 3000MHz。优选地，根据本发明所述的一种微波加热制备碳氧钛复合阳极的方法，其中，所述 碳热还原的保温时间为60 360min。优选地，根据本发明所述的一种微波加热制备碳氧钛复合阳极的方法，其中，所述 还原产物的冷却方式为自然冷却。
具体实施例方式本发明的目的在于提供一种微波加热制备碳氧钛复合阳极的方法。下面将详细描 述根据本发明实施例的微波加热制备碳氧钛复合阳极的方法。将粒度大于300目的含钛物料和碳质还原剂按重量百分比为100 (10 50)混 合均勻。含钛物料和碳质还原剂的混合比例是根据反应式的摩尔比来确定的，同时确保加 入的碳质还原剂少量过量，以确保反应的完全进行。然后将混合后的物料通过压力成型在 500 lOOOkg/cm2下压制成毛坯，因为反应是固固反应，只有两种物料紧密接触，反应才能 充分进行，所以需要对混合物料进行压制，当压力低于500kg/cm2，两种物料的紧密度不够， 会使反应进行的不充分，当压力高于1000kg/cm2，则毛坯过于致密，不利于反应过程中气体 的放出。再将毛坯放入反应器内，通入保护气体，保护气体的流量为0. 5L/min lOL/min， 通入保护气体的主要作用是防止生产的低价钛被氧化，同时带走产生的CO气体，利于反应 正向进行。保护气体的流量主要和装置的大小有关，本装置的气体最佳流量为0. 5L/min lOL/min，流量低于0. 5L/min则不能达到保护的效果，如果流量高于lOL/min，则成本较高。利用频率为900 3000MHz的微波源对毛坯进行加热，基于现有设备情况900 3000MHz这个频率范围能提供的温度及还原效果对于本工艺是最佳的。在1000°C 1200°C 下进行碳热还原，保温60 360min，使反应充分进行，将最终的还原产物自然冷却至室温 即得到碳氧钛复合阳极。根据本发明，优选地，含钛物料为偏钛酸或钛白粉，且偏钛酸中TiO2含量为 80wt% 81wt%，钛白粉中TiO2含量为大于98wt%;碳质还原剂为石油焦、木炭、无烟煤中 的任何一种，碳质还原剂中的含碳量为74wt% 95wt%。本发明的微波加热制备碳氧钛复合阳极的原理为含钛物料和碳质还原剂的热容 相对较小，吸波性能良好，可以快速达到反应温度，通入保护气体，保证还原气氛，使碳质还 原剂能够将TiO2还原成低价碳氧钛复合物，上述碳热还原的化学反应式如下 TiO2+ (2+x-y)C = TiCxOy+ (2-y)CO 0 < χ ^ 1,0 < y ^ 2
以下，将描述本发明的具体实施例。
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实施例1称取钛白粉100g，其粒度为250目，其中TiO2含量为99wt %，无烟煤52. 1克，无 烟煤中含碳量为95wt%，将上述两种物料在行星式球磨机内混合均勻，以500kg/cm2的压 力在金属液压机内压制成型，将压好的物料放入反应器中，通入氩气作为保护气体，流量为 0. 5L/min,开启微波，微波频率为3000MHz，反应温度控制在1200°C，反应时间360min。碳热 反应完成后，反应产物随炉自然冷却，冷却后的产物经XRD物相分析得出主要物相为TiC、 Ti2O3和C，即为碳氧钛复合阳极。实施例2称取钛白粉100g，其粒度为200目，其中TiO2含量为98wt%，木炭40克，木炭中含 碳量为74wt%，将上述两种物料在行星式球磨机内混合均勻，以lOOOkg/cm2的压力在金属 液压机内压制成型，将压好的物料放入反应器中，通入氩气作为保护气体，流量为2L/min， 开启微波，微波频率为3000MHz，反应温度控制在1100°C，反应时间240min。碳热反应完成 后，反应产物随炉自然冷却，冷却后的产物经XRD物相分析得出主要物相为TiO · TiC，化学 组成为TiCa51Oa49,即为碳氧钛复合阳极。实施例3称取钛白粉100g，其粒度为180目，其中TiO2含量为98wt%，石油焦11克，石油 焦中含碳量为90wt %，将上述两种物料在行星式球磨机内混合均勻，以800kg/cm2的压力在 金属液压机内压制成型，将压好的物料放入反应器中，通入氩气作为保护气体，流量为5L/ min,开启微波，微波频率为900MHz，反应温度控制在1000°C，反应时间lOOmin。碳热反应完 成后，反应产物随炉自然冷却，冷却后的产物为低价钛氧化物和碳组成的固溶体，经XRD物 相分析得出主要物相为Ti305、Ti2O3和C，即为碳氧钛复合阳极。实施例4称取钛白粉100g，其粒度为120目，其中TiO2含量为98wt%，无烟煤16克，无烟 煤中含碳量为95wt %，将上述两种物料在行星式球磨机内混合均勻，以800kg/cm2的压力在 金属液压机内压制成型，将压好的物料放入反应器中，通入氩气作为保护气体，流量为8L/ min，开启微波，微波频率为2100MHz，反应温度控制在1100°C，反应时间180min。碳热反应 完成后，反应产物随炉自然冷却，冷却后的产物为低价钛氧化物和碳组成的固溶体，经XRD 物相分析得出主要物相为TiO和Ti2O3和C，即为碳氧钛复合阳极。实施例5称取偏钛酸100g，其粒度为80目，其中TiO2含量为80wt%，木炭32. 5克，无烟煤 中含碳量为74wt%，将上述两种物料在行星式球磨机内混合均勻，以lOOOkg/cm2的压力在 金属液压机内压制成型，将压好的物料放入反应器中，通入氩气作为保护气体，流量为10L/ min，开启微波，微波频率为3000MHz，反应温度控制在1200°C，反应时间360min。碳热反应 完成后，反应产物随炉自然冷却，冷却后的产物经XRD物相分析得出主要物相为TiO · TiC, 化学组成为TiCa48Oa49,即为碳氧钛复合阳极。本发明的积极效果是含钛物料和碳质还原剂的热容相对较小，吸波性能良好，反 应过程中脱氧还原反应的所需能量来源于微波与二氧化钛、碳粉的相互作用，因此在反应 过程中物料内部均勻发热、均勻反应，同时微波还能降低反应物活化能，加快反应进程，缩 短烧结时间，反应温度比电加热等有所降低，且微波加热具有能量利用率高、有利于物质扩散等特点，因此利用微波技术进行反应烧结碳氧钛复合阳极材料具有反应温度较低，反应 时间较短等优点，并且本发明工艺流程短，对环境无危害，易于实现工艺的连续性，因此便 于工业化生产。 本发明不限于上述实施例，在不脱离本发明范围的情况下，可以进行各种变形和 修改。
权利要求
一种微波加热制备碳氧钛复合阳极的方法，其特征在于包括以下步骤将含钛物料和碳质还原剂按重量百分比为100∶(10～50)的比例混合均匀；将混合后的物料通过压力成型制备成毛坯；将毛坯放入在反应器内，通入保护气体；利用微波在1000℃～1200℃对毛坯进行加热，保温一段时间后，将最终的还原产物冷却至室温即得到碳氧钛复合阳极。
2.根据权利要求1所述的微波加热制备碳氧钛复合阳极的方法，其特征在于所述含钛 物料和碳质还原剂的粒度大于300目。
3.根据权利要求1所述的微波加热制备碳氧钛复合阳极的方法，其特征在于所述含钛 物料为偏钛酸或钛白粉。
4.根据权利要求3所述的微波加热制备碳氧钛复合阳极的方法，其特征在于所述偏钛 酸中TiO2含量为80wt% 81wt%，钛白粉中TiO2含量为大于98wt%。
5.根据权利要求1所述的微波加热制备碳氧钛复合阳极的方法，其特征在于所述碳质 还原剂为石油焦、木炭、无烟煤中的任何一种。
6.根据权利要求1或5所述的微波加热制备碳氧钛复合阳极的方法，其特征在于所述 碳质还原剂中的含碳量为74wt% 95wt%。
7.根据权利要求1所述的微波加热制备碳氧钛复合阳极的方法，其特征在于所述压力 成型设定的压力值为500 lOOOkg/cm2。
8.根据权利要求1所述的微波加热制备碳氧钛复合阳极的方法，其特征在于所述保护 气体为氩气或氦气。
9.根据权利要求1所述的微波加热制备碳氧钛复合阳极的方法，其特征在于所述保护 气体的流量为0. 5L/min 10L/min。
10.根据权利要求1所述的微波加热制备碳氧钛复合阳极的方法，其特征在于所述微 波源频率为900 3000MHz。
11.根据权利要求1所述的微波加热制备碳氧钛复合阳极的方法，其特征在于所述碳 热还原的保温时间为60 360min。
12.根据权利要求1所述的微波加热制备碳氧钛复合阳极的方法，其特征在于所述还 原产物的冷却方式为自然冷却。
全文摘要
本发明公开了一种微波加热制备碳氧钛复合阳极的方法，该方法包括以下步骤将含钛物料和碳质还原剂按重量百分比为100∶(10～50)的比例混合均匀；将混合后的物料通过压力成型制备成毛坯；将毛坯放入在反应器内，通入保护气体；利用微波在1000℃～1200℃对毛坯进行加热，保温一段时间后，将最终的还原产物冷却至室温即得到碳氧钛复合阳极。本发明的上述处理方法，具有工艺流程短，反应时间短，反应温度低，能耗低，环境友好，易于实现工艺的连续性，有良好的推广应用前景等优点。
文档编号B22F3/23GK101947652SQ20101028856
公开日2011年1月19日 申请日期2010年9月21日 优先权日2010年9月21日
发明者徐海海, 穆天柱, 穆宏波, 赵三超, 邓斌, 闫蓓蕾 申请人:攀钢集团有限公司;攀钢集团攀枝花钢铁研究院有限公司