专利名称：从氧化钛复合矿制备海绵钛的方法
技术领域：
本发明涉及一种从氧化钛复合矿制备海绵钛的方法，属电解法纯金属制备技术领域。
本发明的目的是通过以下工艺技术方案来达到的。
本发明的一种从氧化钛复合矿制备海绵钛的方法，其特征在于把氧化钛复合矿熔解于特定熔盐体系中，利用固体透氧膜把置于加热容器中的熔盐及阴极与阳极隔离，在电解过程中最终参与电极反应的物质是钛氧化物；其工艺步骤如下首先将含有二氧化钛的复合矿原料在1000-1100℃温度条件下熔解于Na、Ca、K卤素盐的熔盐体系中，并保温2-3小时，使体系成分均匀；将阴极和内表面覆盖有多孔金属陶瓷涂层为阳极的管状固体透氧膜一并插入加热容器或坩埚内的上述混合熔盐中；阴极材料为石墨，阳极材料为Ni-ZrO2金属陶瓷，它为覆盖于固体透氧膜表面的多孔金属陶瓷涂层，且作为阳极；固体透氧膜的材料为钇稳定的氧化锆，即O.88 ZrO2-O.12Y2O3；在阳极端高温陶瓷管内通入氢气的流量为300ml/分；在直流电源的一定电压电流下进行电解，最终在阴极端获得金属钛。
本发明方法的电解过程是在本发明方法所用的专用装置中进行的。该装置的结构包括有高温加热装置、熔液容器或坩埚、石墨电极、管状固体透氧膜、高温陶瓷管及多孔金属陶瓷涂层即阳极；二氧化钛复合矿和其他熔盐的混合共熔盐置于坩埚中，籍其旁侧的加热装置进行高温加热，其特征在于石墨阴极和内表面覆盖有多孔金属陶瓷涂层阳极的管状固体透氧膜，两者都插在加热坩埚内的混合熔盐中；管状固体透氧膜的管端口是封闭的；位于管中心设置有可通入氢气的高温陶瓷管；石墨阴极和覆盖于管状固体透氧膜的多孔金属陶瓷涂层阳极分别与直流电源的正负极相连。
本发明方法的机理是将氧化钛复合矿熔解于特定的熔盐体系，控制参与电解反应的带电离子，使得参与电解反应是钛氧化物而非其他物质。
电解过程中，由于阳极处于透氧膜管内且与熔盐隔离，而透氧膜只允许氧离子传递，因此参加阳极反应的阴离子只有氧离子O2-，在阳极端经高温陶瓷管通入还原气体氢，则生成的产物是H2O，而不是CO，CO2或Cl2。阳极反应为控制电极电位可使熔盐电解质中的各类钛离子在阴极析出，阴极反应为本发明方法的特点是控制电解过程中的电极电位，可以保证参与电解反应的是钛氧化物而不是其它物质，这可极大降低利用高纯二氧化钛生产金属钛电解法对原材料的苛刻要求，可以对各类低品位钛矿资源进行开发利用，可直接从氧化钛复合矿原料提取金属钛，工艺流程短，能耗低；阳极不会消耗；只要透氧膜稳定，在电解槽上施加相当高的电压也不会导致熔融卤化物电解质的电离；对环境无污染、另外可以实现连续化生产。同时，本发明方法的这一原理还可用于钒以及钕和镝等稀土金属的制备。
图1为本发明方法电解工艺的专用装置结构示意图。
实施例一将含有二氧化钛的复合矿原料，即TiO2含量为35％的钙钛矿(CaO.TiO2)20克在1000℃高温条件下，熔解于80克的NaCl-NaF-KCl熔盐体系中，其组成质量比为40％-40％-20％，并保温3小时，使体系成分均匀；将石墨阴极和内表面覆盖有多孔金属陶瓷涂层为阳极的管状固体透氧膜一并插入坩埚内的上述混合熔盐中，阳极即为Ni-ZrO2多孔金属陶瓷涂层，固体透氧膜为钇稳定的氧化锆，即0.88ZrO2-0.12Y2O3；在阳极端高温陶瓷管内通入氢气的流量为300ml/分，将直流电源的正负极与电解槽内的阳、阴极分别连接好，使进行电解操作，电解电压为1.95V，电解电流为0.23A，电解时间为5小时，最终在阴极端的到6.8克的金属钛颗粒。金属钛的回收率为96％，电流效率为97％。
实施例二将含有二氧化钛的复合矿原料，即TiO2含量为35％的钙钛矿(2FeO.TiO2)10克在1100℃高温条件下，熔解于80克的NaCl-Na3AlF6熔盐体系中，其组成质量比为20％∶80％，并保温2小时，使体系成分均匀；将石墨阴极和内表面覆盖有多孔金属陶瓷涂层为阳极的管状固体透氧膜一并插入坩埚内的上述混合熔盐中，所用材料与上例相同。在阳极端高温陶瓷管内通入氢气的流量为300ml/分，将直流电源的正负极与电解槽内的阳、阴极分别连接好，使进行电解操作，电解电压为1.25V，电解电流为0.25A，电解时间为4小时，最终在阴极端的到2克的金属钛颗粒。金属钛的回收率为95％，电流效率为96％。
上述的电解过程是在本发明方法的专用装置中进行的。
如图1所示，该装置的结构包括有高温加热装置1、盛放熔液的坩埚2、石墨电极3、管状固体透氧膜4、高温陶瓷管5及多孔金属陶瓷涂层即阳极6；二氧化钛复合矿和其他熔盐的混合共熔盐7置于坩埚2中，籍其旁侧的加热装置1进行高温加热，其特征在于石墨阴极3和内表面覆盖有多孔金属陶瓷涂层阳极6的管状固体透氧膜4，两者都插在加热坩埚2内的混合熔盐中；管状固体透氧膜4的管端口是封闭的；位于管中心设置有可通入氢气的高温陶瓷管5；石墨阴极3和覆盖于管状固体透氧膜4的多孔金属陶瓷涂层阳极6分别与直流电源的正负极相连。
权利要求
1.一种从氧化钛复合矿制备海绵钛的方法，其特征在于把氧化钛复合矿熔解于特定熔盐体系中，利用固体透氧膜把置于加热容器中的熔盐及阴极与阳极隔离，在电解过程中最终参与电极反应的物质是钛氧化物；其工艺步骤如下首先将含有二氧化钛的复合矿原料在1000-1100℃温度条件下熔解于Na、Ca、K卤素盐的熔盐体系中，并保温2-3小时，使体系成分均匀；将阴极和内表面覆盖有多孔金属陶瓷涂层为阳极的管状固体透氧膜一并插入加热容器或坩埚内的上述混合熔盐中；阴极材料为石墨，阳极材料为Ni-ZrO2金属陶瓷，它为覆盖于固体透氧膜表面的多孔金属陶瓷涂层，且作为阳极；固体透氧膜的材料为钇稳定的氧化锆，即0.88 ZrO2-0.12Y2O3；在阳极端高温陶瓷管内通入氢气的流量为300ml/分；在直流电源的一定电压电流下进行电解，最终在阴极端获得金属钛。
2.根据权利要求1所述的一种从氧化钛复合矿制备海绵钛的方法，其特征在于熔解二氧化钛复合矿的熔盐体系为NaCl-NaF-KCl，其组成质量比为40％∶40％∶20％；也可以为NaCl-Na3AlF6，其组成质量比为20％∶80％。
3.根据权利要求1所述的一种从氧化钛复合矿制备海绵钛的方法，其特征在于电解过程中，直流电源得电解电位为1.25-1.95V，电解电源为0.23-0.25A。
4.根据权利要求1所述的一种从氧化钛复合矿制备海绵钛的方法中所用得专用装置，该装置的结构包括有高温加热装置(1)、熔液容器或坩埚(2)、石墨电极(3)、管状固体透氧膜(4)、高温陶瓷管(5)及多孔金属陶瓷涂层即阳极(6)；二氧化钛复合矿和其他熔盐的混合共熔盐(7)置于坩埚(2)中，籍其旁侧的加热装置(1)进行高温加热，其特征在于石墨阴极(3)和内表面覆盖有多孔金属陶瓷涂层阳极(6)的管状固体透氧膜(4)，两者都插在加热坩埚(2)内的混合熔盐中；管状固体透氧膜(4)的管端口是封闭的；位于管中心设置有可通入氢气的高温陶瓷管(5)；石墨阴极(3)和覆盖于管状固体透氧膜(4)的多孔金属陶瓷涂层阳极(6)分别与直流电源的正负极相连。
全文摘要
本发明涉及一种从氧化钛复合矿制备海绵钛的方法，其特征在于把氧化钛复合矿熔解于特定熔盐体系中，利用固体透氧膜把置于加热容器中的熔盐及阴极与阳极隔离，在电解过程中最终参与电极反应的物质是钛氧化物；其工艺步骤如下首先将含有二氧化钛的复合矿原料在1000－1100℃温度条件下熔解于选定的熔盐体系中，将石墨阴极和内表面覆盖有多孔金属陶瓷涂层为阳极的管状固体透氧膜一并插入加热容器或坩埚内的上述混合熔盐中；在阳极端高温陶瓷管内通入氢气在直流电源的一定电压电流下进行电解，最终在阴极端获得金属钛。本发明方法可以对各类低品位钛矿资源进行开发利用，可直接从氧化钛复合矿原料提取金属钛，工艺流程短，能耗低；可实现连续工业化生产。
文档编号C25C5/00GK1450205SQ03116548
公开日2003年10月22日 申请日期2003年4月22日 优先权日2003年4月22日
发明者鲁雄刚, 丁伟中, 周国治, 方建慧, 梁小伟 申请人:上海大学, 上海宝钢集团有限公司