专利名称：一种电脱氧冶金法电解槽的制作方法
技术领域：
本发明涉及金属氧化物电化学脱氧制备金属单质或合金的电解槽设计，特别涉及
一种电脱氧冶金法电解槽工艺设计。
背景技术：
世界海绵钛工业生产中普遍使用的方法是Kroll工艺。Kroll法主要采用金属Mg 还原TiCl4工序-真空分离工序制造金属钛，该工艺可制得高纯度的金属钛。但该工艺由 于热还原过程流程长、工序复杂、不能连续生产等原因使钛生产成本居高不下，加之生产过 程中的环境污染，大大制约了钛的广泛应用。尽管很多研究人员都尝试对Kroll工艺进行 一些改进，但结果说明一些技术方面的改进不能改变此法高成本的缺陷。因此，采用新型的 钛提取技术来代替Kroll传统工艺是钛工业发展一个重要的前提。 目前，"金属氧化物和固溶体熔盐电脱氧法"(FFC法，国际专利号99808568. 5)近
年来在工艺和基础理论方面的研究都取得了一定的成果。FFC法突破了人们以前认为只能 把11(:14作为原料溶入电解质中的思想，直接利用固相1102作为阴极，省去了传统工艺中的 氯化、精制TiCl4、镁还原和真空蒸馏等复杂工序，特别是没有氯气排放，具有节约能源、污 染少等优点。 目前FFC电脱氧法制备金属钛工艺中存在着副反应比例偏大的问题，此问题导致 电解生产过程反应时间过长、电流效率过低、产品品质不高。
发明内容
本发明的目是提供一种电脱氧冶金法电解槽，在保证生产水平和产品品质的基础 上，有效阻止副反应的进行，消除副反应带来的不利因素，消除生产过程中的安全隐患。
本发明电解槽体采用不锈钢槽体，内有石墨层，电解槽内部由隔板分为阴极区和 阳极区，两区相对独立但又可以进行自由的离子交换，电极的接入采用多个钛氧化物阴极 棒并联方式，阳极采用旋转电极并与阴极一一对应组成电极对，电解槽顶盖同样采用不锈 钢并配有电路、气路接口。 本发明的再一个技术方案是所述的隔板是Al203、MgO、Al203_MgO材质之一，其孔隙
率在40% 70%，显孔率10 30%，显孔孔径0. 1 2mm级，厚度2mm 10mm。 本发明的又一个技术方案是所述的阳极转速一般控制在60 180rpm。 考虑到电解过程中影响严重的副反应碳层问题，引入A1203或Mg0或Al203-Mg0材
料隔板将电解槽分为阴阳两极区，两极区间在实现离子自由交换的同时又具有对熔盐流动
的隔离作用，从而抑制阴阳两极产物的副反应发生，阴阳两极区面积比设计约为6 : 4。其
中阴极区作为还原区，高价钛的还原反应在此区进行，原钛氧化物中的氧的在钛还原过程
中从电极内部逐渐进入到熔盐相中，达到金属与氧的分离；阳极区设计为脱氧区，熔盐中的
氧在阳极区放电并以气体形式排出，氧浓度的不断降低使得阴极区的氧不断由电极内部向
熔盐相中转移，从而实现深脱氧目的。
电解槽顶盖，包括与电极布置相匹配的并联接口，保护气(氩气)接入孔、阳极上 部的尾气排出孔，其中电极接口均配有绝缘性良好的保护垫。所有接口都由螺纹和密封圈 固定密封，可以满足生产中的气密性要求。由于生产过程是在高温熔融盐中进行，为了避免 顶盖的温度过高，配备水冷循环系统，防止设备的过早老化和腐蚀。 调整电极搭配，采用多个钛氧化物阴极棒并联方式，使电脱氧过程多通道进行。 阴、阳极极间距控制在200mm以上。
发明优点 本发明在保证生产水平和产品品质的基础上，有效阻止副反应的进行，消除副反 应带来的不利因素，消除生产过程中的安全隐患，并且本发明电解槽生产能力大、生产周期 短、可实现半连续化生产。
图1为本发明人设计的电解槽工艺简图的左视图。
图2为本发明人设计的电解槽工艺简图的俯视图。 其中(1)为不锈钢电解槽体，内衬为厚度约为20mm的石墨层；(2)为阴极片组棒， 每个组棒由若干片①20mi^5mm的阴极片构成，阴极组棒的数量由实际生产需求决定；(3) 为旋转石墨阳极，与阴极(2)组成对电极完成主要的电解生产过程；(4)为旋转石墨阳极 (3)的驱动部分；(5)为本发明人设计隔板，将电解槽内部分为阴阳两个极区，并满足离子 的通过性；(6)和(7)为电解槽气体循环装置，主要向电解槽内提供定向流动惰性保护气 (Ar)，及时排出电解尾气。 图3为本发明人设计的钛电解工艺流程图。
具体实施方式
实例1 电解槽阴极采用钛氧化物阴极棒，此阴极棒由二氧化钛精粉、PVA粘结剂等按比例 混合成型烧结而成，每条阴极棒氧化物质量在100g左右，阴极区并联安装上述阴极棒3组。 阳极区采取与阴极对应的方式并联3根旋转石墨阳极作为电解阳极，阴阳极间距为200mm， 阳极棒转速设定为120rpm。取消隔板。采用CaCl2熔盐，熔盐CaCl2深度为140mm，温度控 制在95(TC，保护气氩气流量设定为5L/min，电解槽电压3. IV，电解时间36h。整体电解工 艺流程见图3。 产品形状基本没有变化，致密度较高，颜色呈灰黑色，中心部分存在灰色分层，经 检测其主要为中间产物TiO、Ti20，质量约为10g.外层产品经破碎、酸洗、清洗后得到海绵钛 粉末，钛含量为99. 07% ，电流效率51 % 。电解槽内熔盐表面有较大量黑色结块碳层，厚度 约2mm。熔盐内部取样中残存较大量游离碳。
实例2 电解槽阴极采用钛氧化物阴极棒，此阴极棒由二氧化钛精粉、PVA粘结剂等按比例 混合成型烧结而成，每条阴极棒氧化物质量在100g左右，阴极区并联安装上述阴极棒3组。 阳极区采取与阴极对应的方式并联3根旋转石墨阳极作为电解阳极，阴阳极间距为200mm， 阳极棒转速设定为180rpm。隔板采用八1203材料，孔隙率在55%，显孔率30%，厚度2咖，高度300mm。电解槽整体搭配如图1和图2所示。电解槽内采用CaCl2熔盐，熔盐CaCl2深 度为140mm，温度控制在95(TC，保护气氩气流量设定为5L/min，电解槽电压3. IV，电解时间 36h。整体电解工艺流程见图3。 产品形状基本没有变化，致密度增加，颜色呈灰黑色，经破碎、酸洗、清洗后得到海 绵钛粉末，钛含量为99. 27%，达到国家四级钛标准。电流效率67.4%。隔板材料未出现腐 蚀、融化现象，电解槽内熔盐经取样分析，基本为白色半透明状CaC^晶体，没有碳或其它杂 质夹杂；表面有少量黑色结块区，简单清除后即可继续进行生产。
实例3 电解槽阴极采用钛氧化物阴极棒，此阴极棒由二氧化钛精粉、PVA粘结剂等按比例 混合成型烧结而成，每条阴极棒氧化物质量在100g左右，阴极区并联安装上述阴极棒3组。 阳极区采取与阴极对应的方式并联3根旋转石墨阳极作为电解阳极，阴阳极间距为200mm， 阳极棒转速设定为120rpm。隔板采用MgO材料，孔隙率在50%，显孔率15%，厚度5mm，高 度300mm。电解槽整体搭配如图1和图2所示。电解槽内采用CaCl2熔盐，熔盐CaCl2控制 深度为140mm，温度控制在95(TC，保护气氩气流量设定为5L/min，电解槽电压3. IV，电解时 间28h。整体电解工艺流程见图3。 产品形状基本没有变化，致密度增加，颜色呈灰黑色，经破碎、酸洗、清洗后得到海 绵钛粉末130g，钛含量为99. 27%，达到国家四级钛标准，电流效率71%。隔板材料未出现 腐蚀、融化现象，电解槽内熔盐经取样分析，基本为白色半透明状CaC^晶体，没有碳或其它 杂质夹杂；表面有少量黑色结块区，简单清除后即可重复利用。
实例4 电解槽阴极采用钛氧化物阴极棒，此阴极棒由二氧化钛精粉、PVA粘结剂等按比例 混合成型烧结而成，每条阴极棒氧化物质量在100g左右，阴极区并联安装上述阴极棒4组。 阳极区采取与阴极对应的方式并联4根旋转石墨阳极作为电解阳极，阴阳极间距为200mm， 石墨阳极转速设定为120rpm。隔板采用Al203-MgO混合材料，孔隙率在59% ，显孔率15% ， 厚度5mm，高度300mm。电解槽整体搭配如图1和图2所示。电解槽内采用CaCl2熔盐，熔 盐CaCl2控制深度为140mm，温度控制在95(TC，保护气氩气流量设定为5L/min，电解槽电压 3. IV，电解时间28h。整体电解工艺流程见图3。 产品形状基本没有变化，致密度增加，颜色呈灰黑色，经破碎、酸洗、清洗后得到海 绵钛粉末181g，钛含量为99. 27%，达到国家四级钛标准，电流效率75. 4%。隔板材料未出 现腐蚀、融化现象，电解槽内熔盐经取样分析，基本为白色半透明状Ca(^晶体，没有碳或其 它杂质夹杂，可直接进行再生产。
实例5 电解槽阴极采用钛氧化物阴极棒，此阴极棒由二氧化钛精粉、PVA粘结剂等按比例 混合成型烧结而成，每条阴极棒氧化物质量在100g左右，阴极区并联安装上述阴极棒4组。 阳极区采取与阴极对应的方式并联4根旋转石墨阳极作为电解阳极，阴阳极间距为200mm， 石墨阳极转速设定为60rpm。隔板采用Al203-MgO混合材料，孔隙率在59%，显孔率30%， 厚度10mm，高度300mm。电解槽整体搭配如图1和图2所示。电解槽内采用CaCl2熔盐，熔 盐CaCl2控制深度为140mm，温度控制在95(TC，保护气氩气流量设定为5L/min，电解槽电压 3. IV，电解时间36h。整体电解工艺流程见图3。
产品形状基本没有变化，致密度增加，颜色呈灰黑色，经破碎、酸洗、清洗后得到海 绵钛粉末179g，钛含量为99. 27%，达到国家四级钛标准，电流效率74. 4%。隔板材料未出 现腐蚀、融化现象，电解槽内熔盐经取样分析，基本为白色半透明状Ca(^晶体，没有碳或其 它杂质夹杂，可直接进行再生产。
权利要求
一种电脱氧冶金法电解槽，其特征是电解槽体采用不锈钢槽体，内有石墨层作为熔盐载体，电解槽内部由隔板分为阴极区和阳极区，两区相对独立但又可以进行自由的离子交换，电极的接入采用多个钛氧化物阴极棒并联方式，阳极采用旋转阳极并与阴极一一对应组成电极对。
2. 如权利要求l的所述的一种电脱氧冶金法电解槽，其特征是所述的隔板是八1203、 1%0^1203-]\%0材质之一，其孔隙率在40 % 70%，显孔率10 30%，显孔孔径0. 1 2mm 级，厚度为2 10mm。
3. 如权利要求l的所述的一种电脱氧冶金法电解槽，其特征是所述的旋转阳极转速控 制在60 180rpm。
全文摘要
本发明是一种电脱氧冶金法电解槽，该分为阴阳两极区，两极区间在实现离子自由交换的同时又具有对熔盐流动的隔离作用，从而抑制阴阳两极产物的副反应发生；电解槽旋转阳极加大脱氧速度，同时采用定向循环保护气流的方式加速阳极区尾气排放避免电解槽内尾气含量过高；电解槽电极排布突破传统单电极限制，改为并联式电极排布，阴极与阳极对应组成对电极，使电极的电脱氧任务分化。并联式电极也可根据需要调节对电极排布数量从而改变生产能力，不需对设备和生产条件进行更多改进，同时保证产品质量。本发明电解槽生产能力大、生产周期短、可实现半连续化生产。
文档编号C25C7/04GK101701345SQ200910237259
公开日2010年5月5日 申请日期2009年11月11日 优先权日2009年11月11日
发明者叶伟, 王中磊, 蔡卓飞, 郭占成 申请人:北京科技大学