一种气态电化学制备金属钛的方法与流程

本发明涉及一种制备金属钛的方法，特别涉及一种气态电化学制备金属钛的方法，属于金属钛制备技术领域。

背景技术：

钛是一种银白色的过渡金属，也被认为是一种稀有金属，其特点是密度小，机械强度大，容易加工，可塑性强，抗腐蚀性强、抗阻尼性能强、无毒、无磁性、耐高温低温等。其质轻，强韧，耐高温耐低温的特点使其成为航空以及宇航工业的理想材料；而由于其优良的耐腐蚀性能，使其成为化工及船舶工业的理想材料。但是钛的最大缺陷在于提炼十分困难，因为钛在高温下十分容易与氧、氮、碳及其他很多元素化合，从而降低金属钛的纯度，导致其性能的削弱。

最早在1791年，英国科学家格雷戈尔第一次发现了以矿物质存在的钛元素，而直到1910年才第一次被美国化学家亨特用金属钠还原四氯化钛得到纯度高达99.9％的金属钛。1940年，卢森堡科学家w.j.kroll利用镁还原法制得纯钛后，金属钛的提炼才正式进入工业化的时代。但是该工艺存在着流程长、工序复杂等诸多缺点，使得钛的生产成本一直居高不下，同时生产过程中产生的大量污染，导致钛的工业生产一直受到限制。钛生产成本偏高，加之生产过程中的环境污染，大大制约了钛的广泛应用。科学家也一直在探索新的提炼钛的方法，例如用电化学的方法直接电解得到金属钛，但是目前这种还原方法的机理并没有被完全揭开，无法控制得到高纯的产物。

作为航空航天工业中最重要的结构材料，金属钛的生产标志着一个国家高尖工业技术的水平。目前，美国、英国、日本、法国、德国等国家在金属钛的提炼，钛合金的开发及加工，钛合金的精密锻造等方面处于世界领先水平，而我国的钛工业起步较晚，目前还处于追赶的阶段。而我国钛资源总量达9.65亿吨居世界之首，占世界探明钛总储量的38.85％，主要分布在四川、云南等省份，特别是在攀西地区，钛资源总量达8.7亿吨，为发展钛工业提供了雄厚的物质基础，但我国的海绵钛生产仅占世界现有生产能力的2％～3％，远远不能满足国民经济发展的需求。因此，加快我国钛工业生产已经成为当务之急。

技术实现要素：

针对现有技术中金属钛的制备方法存在的工艺复杂以及污染严重等问题，本发明的目的是在于提供一种利用等离子体技术和电解技术相结合，以钛卤化物为原料，通过简单离子化和还原得到高纯金属钛单质的方法，该方法简单、条件可控、可以连续生产、成本低廉，有望实现工业化生产。

为了实现上述技术目的，本发明提供了一种气态电化学制备金属钛的方法，该方法以钛卤化物为原料，采用高频等离子反应器制备金属钛；所述高频等离子反应器为竖式反应器，所述高频等离子反应器包括腔体，所述腔体由上至下依次分为等离子反应段、电解反应段和收集室；将钛卤化物和载气加入高频感应等离子反应器内，先在等离子反应段加热至等离子化，再进入电解反应段电化学还原生成金属钛，金属钛收集在收集室中。

优选的方案，所述等离子反应段顶部设有边气入口、中心气入口和入料口，所述等离子反应段腔体外部设有感应线圈。边气入口和中心气入口主要通入辅助气。辅助气为惰性气体，一般为氩气和/或氦气。入料口与外部的加料系统连接。

优选的方案，所述电解反应段腔体内壁设有一组耐高温电极，腔体外侧壁设有电磁铁组件。电磁铁组件包括两组电磁铁，均匀分布在电解反应段腔体外侧壁。

优选的方案，所述电解反应段腔体上部设有废气出口。从废气出口可以回收排放的卤素气体。以实现对环境无污染。

本发明的耐高温电极阳极靠近废气出口处设置。

优选的方案，所述收集室设有出料口。金属钛在重力作用下自然沉降自收集室中，再通过出料口输出高频等离子反应器。

较优选的方案，所述等离子化过程中通入频率大小为20～50mhz的高频电流，腔体内温度为1200～2500℃。高频电流的频率大小优选为30～40mhz。温度优选为1600～1800℃。

较优选的方案，所述耐高温电极的电压为1.0～4.0v。所述耐高温电极的电压优选为2～2.5v。

较优选的方案，所述电磁铁组件产生的磁场：主磁场强度为100～300a/cm，轴向磁场变化梯度为0.8～1.2a/cm²。主磁场强度优选为180～220a/cm。轴向磁场变化梯度为0.9～1a/cm²。

较优选的方案，所述载气为氩气和/或氦气。

较优选的方案，所述钛卤化物为四氯化钛和/或四溴化钛。钛卤化物不局限于四氯化钛和四溴化钛，四碘化钛和四氟化钛也适应于作为气态电化学制备金属钛原料。

本发明的气态电化学制备金属钛的方法，是以钛卤化物为原料，先与载气一起通入高频感应等离子反应器内，先在等离子反应段被高温加热至等离子化，再进入电解反应段，在强磁场下约束作用下，使等离子体形成稳定的形状，利用等离子体具有良好导电性质的特点，直接通过一对耐高温电极使气态钛离子混合物在阴极板上还原，即得到高纯钛金单质，纯度能达到99％以上。

相对现有技术，本发明的技术方案带来的有益技术效果：

1、本发明的技术方案首次采用高频等离子反应器来制备金属钛，采用的高频等离子反应器融合了等离子体技术与电化学技术，可快速、连续化制备高纯度的金属钛，解决现有技术中化学还原法制备金属钛流程长、工艺复杂、对环境污染、无法连续生产等缺陷，也解决了用电化学无法直接电解制备高纯金属钛的技术缺陷，突破了传统技术的限制；

2、本发明的高频等离子反应器设计原理简单，易于在现有的等离子反应器、高温电解反应器等基础上进行改进得到。

3、本发明的技术方案以钛氯化物为原料，成本廉价，且通过采用高频等离子反应器一步实现还原，具有步骤简单、高效高产的特点，制得的金属钛纯度可达99％，采用高频等离子反应器操作条件可控，可连续化生产，满足工业化生产。

附图说明

【图1】为高频等离子反应器结构简图；

【图2】为电解反应段腔体截面图；

1为等离子反应段，2为电解反应段，3为收集室，4为中心气入口，5为边气入口，6为入料口，7为感应线圈，8为耐高温电极，9为电磁铁组件，10为废气出口，11为出料口。

具体实施方式

以下实施例是为了更详细地解释本发明，这些实施例不对本发明构成任何限制，本发明可以按发明内容所述的任一方式实施。

本发明的高频等离子反应器结构示意图如图1所示。高频等离子反应器为竖式反应器，高频等离子反应器包括腔体，所述腔体由上至下依次分为等离子反应段、电解反应段和收集室。等离子反应段顶部设有边气入口、中心气入口和入料口，入料口与外部的加料系统连接，主要提供反应原料和载体气，边气入口和中心气入口主要通入辅助气。等离子反应段腔体外部设有感应线圈，主要用于通入高频电流加热。所述电解反应段腔体内壁设有一组耐高温电极，腔体外侧壁设有电磁铁组件，电磁铁组件包括两组电磁铁，均匀分布在电解反应段腔体外侧壁，用于提供磁场使等离子化的钛离子稳定化，高温电极用于等离子化的气态钛离子混合物还原。所述电解反应段腔体上部设有废气出口，主要用于生成的气体排放。所述收集室设有出料口，收集在收集室中的金属钛可以及时从出料口输出。

实施例1

将四氯化钛连续加入到高频等离子反应器中，通入40mhz的高频电流，反应器内温度上升至1800℃，设置主磁场强度为200a/cm，轴向磁场梯度1a/cm²，四氯化钛形成等离子态后，在磁场的作用下保持稳定的等离子体形态，在电极两端加上2.5v的电解电压，氯离子在阳极氧化生成氯气，通过气体回收装置收集循环使用，金属钛在阴极还原，生成熔融状金属单质，在重力作用下进入收集室进行收集，实现连续的金属钛生产，由icp-aes方法测元素含量，所得金属钛的纯度为99％。

实施例2

将四氯化钛连续加入到高频等离子反应器中，通入50mhz的高频电流，反应器内温度上升至2200℃，设置主磁场强度为300a/cm，轴向磁场梯度为1.2a/cm²，四氯化钛形成等离子态后，在磁场的作用下保持稳定的等离子体形态，在电极两端加上4v的电解电压，氯离子在阳极氧化生成氯气，通过气体回收装置收集循环使用，金属钛在阴极还原，生成熔融状金属单质，在重力作用下进入收集室进行收集，实现连续的金属钛生产，由icp-aes方法测元素含量，所得金属钛的纯度为90％。

实施例3

将四溴化钛连续加入到高频等离子反应器中，通入40mhz的高频电流，反应器内温度上升至1800℃，设置主磁场强度为200a/cm，轴向磁场梯度为1a/cm²，四氯化钛形成等离子态后，在磁场的作用下保持稳定的等离子体形态，在电极两端加上3.0v的电解电压，溴离子在阳极氧化生成气态溴素单质，通过气体回收装置收集循环使用，金属钛在阴极还原，生成熔融状金属单质，在重力作用下进入收集室进行收集，实现连续的金属钛生产，由icp-aes方法测元素含量，所得金属钛的纯度为95％。

实施例4

将四氯化钛连续加入到高频等离子反应器中，通入20mhz的高频电流，反应器内温度上升至1400℃，设置主磁场强度为100a/cm，轴向磁场梯度为1a/cm²，四氯化钛形成等离子态后，在磁场的作用下保持稳定的等离子体形态，在电极两端加上2.0v的电解电压，氯离子在阳极氧化生成氯气，通过气体回收装置收集循环使用，金属钛在阴极还原，生成熔融状金属单质，在重力作用下进入收集室进行收集，实现连续的金属钛生产，由icp-aes方法测元素含量，所得金属钛的纯度为80％。

对比实施例1

将四氯化钛连续加入到高频等离子反应器中，通入15mhz的高频电流，反应器内温度上升至900℃，设置主磁场强度为200a/cm，轴向磁场梯度1a/cm²，四氯化钛形成等离子态后，在磁场的作用下保持稳定的等离子体形态，在电极两端加上2.5v的电解电压，没有金属钛生成，原因是温度太低，无法形成良好的等离子体。

对比实施例2

将四氯化钛连续加入到高频等离子反应器中，通入40mhz的高频电流，反应器内温度上升至1800℃，设置主磁场强度为50a/cm，轴向磁场梯度0.5a/cm²，四氯化钛形成等离子态后，在磁场的作用下保持稳定的等离子体形态，在电极两端加上2.5v的电解电压，氯离子在阳极氧化生成氯气，通过气体回收装置收集循环使用，金属钛在阴极还原，生成熔融状金属单质，在重力作用下进入收集室进行收集，实现连续的金属钛生产，由icp-aes方法测元素含量，所得金属钛的纯度为20％。