一種金屬鈦冶煉裝置及其冶煉方法與流程

2023-06-16 19:21:59

1.本發明涉及熔鹽電解法生產金屬純鈦技術領域，尤其涉及一種金屬鈦冶煉裝置及其冶煉方法。


背景技術：

2.金屬鈦具有密度低、高熔點、優異的導電性能及與人體的生物相容性。但是這樣一種各項性能優異的金屬材料，銷售價格因生產工藝的問題而比較昂貴。在地殼中元素含量的分布，鈦元素比鋅、鉻、銅等元素含量均高很多。自20世紀40年代人類開始工業化生產金屬鈦開始，一直面臨著鈦生產工藝間歇式生產、能耗高、環境汙染大的問題，這些問題直接導致金屬鈦生產成本較高，同時也限制了金屬鈦更廣闊的應用。
3.現行的工業生產kroll法問世以後，包括kroll本人也認為熔鹽電解法會取代kroll法製備金屬鈦。隨後幾十年間，各國冶金學家，一直主要致力於熔鹽電解法對金屬鈦的冶煉。但是目前採用該種製備工藝存在工藝流程長，能耗大等缺點，仍制約金屬鈦的製備。


技術實現要素：

4.針對上述存在的問題，本發明旨在提供一種金屬鈦冶煉裝置及其冶煉方法，其有效的解決了cl2長距離運輸、輸送的問題，同時避免了ticl的運輸問題，能夠簡化工藝流程，同時節能環保，有助於金屬鈦加快其製備，並具有推廣應用作用。
5.為了實現上述目的，本發明所採用的技術方案如下：一種金屬鈦新型冶煉裝置，其特徵在於：所述冶煉裝置包括依次連接的氧化鈦熔鹽氯化裝置、氯化鈦分離裝置、氯化鈦還原裝置及氯化鈦電解裝置，在所述氯化鈦電解裝置與熔鹽氯化裝置之間還設置有冶煉循環裝置。
6.優選的，所述氧化鈦熔鹽氯化裝置包括具有電加熱結構的氯化槽，其底端設置有cl2通入管；
7.所述氯化鈦分離裝置包括在氯化槽頂端設置的ticl4導管，在所述ticl4導管頂端一側貫通連接有ticl4冷卻室，在所述ticl4冷卻室底部貫通連接有ticl4排出管；
8.所述氯化鈦電解裝置包括在所述ticl4排出管底部設置的電解槽，所述電解槽內盛裝有覆蓋所述ticl4氣室的電解質，所述電解槽內兩側設置有插入到所述電解質中的陽極電解柱和陰極電解柱；
9.所述氯化鈦還原裝置為在所述電解槽內底部設置的與所述ticl4排出管貫通的ticl4氣室。
10.優選的，所述冶煉循環裝置為在所述陽極電解柱外套設有伸入所述電解質中且與所述氯化槽貫通的cl2循環管，在所述ticl2排出管上還設置有控制閥。
11.一種金屬鈦的冶煉方法，其特徵在於，包括以下步驟：
12.(1)、tio2熔鹽氯化
13.在氯化槽中加入定量的氯化物熔鹽，並在氯化槽內添加tio2和c原料，並彌散在該氯化物熔鹽中，保持氯化槽的溫度為600-900℃，通過cl2通入管控制cl2的加入量，應使得其完全轉化為ticl4，氯化槽內發生如下反應：
14.tio2+c+cla一ticl4+co
x
；
15.(2)、ticl4的分離
16.氯化槽中反應中得到的ticl4，通過ticl4導管逸出到達ticl4冷卻室中，在ticl4冷卻室中冷卻富集成液態ticl4；
17.(3)、ticl4還原
18.通過控制所述控制閥，將ticl4冷卻室中的ticl不斷加入到電解槽中的ticl4氣室中，同時液態的ticl4被加熱汽化；
19.(4)、ticl4的電解
20.電解槽中加入氯化物熔鹽，當ticl進入ticl4氣室後，與熔體中ticl2反應，不斷溶解進入電解質中；
21.電解開始後，熔體中ticl
x
(x＝2，3，4)遷移到陰極，發生反應ti+xe
→
ti(x＝2，3，4)，還原為純鈦；
22.clt遷移到陽極，發生反應2ct-2e
→
cl2(g)，生成的cl2經cl2循環管循環到氯化槽底部，繼續參與tio2的氯化。
23.優選的，所述電解質採用氯化物熔鹽，所述陽極電解柱為惰性陽極或碳材料，陰極電解柱為金屬材料。
24.優選的，所述電解槽的電流密度範圍分別為：陽極，0.05a/cm2～1.00a/cm2、陰極，0.10a/cm2～1.00a/cm2。
25.優選的，所述電解質為cacl2、licl、nacl、kcl、mgcl2、aicl3中的一種或多種及與ticl3、ticl2中的一種或兩種混合而成。
26.一個電解周期結束後，將陰極產物用去離子水反覆清洗以除去來自電解液的氯化物，更換新的陰極，實現連續電解。
27.本發明的有益效果是：將tio2氯化與ticl4的還原在距離很近的區域內進行，氯化槽部分tio2氯化產物ticl，經過汽化及液化的過程達到分離、提純的目的，且省略了ticl、cl2長距離運輸、輸送的問題，避免了ticl的運輸問題，能夠簡化工藝流程，同時節能環保；在進行ticl還原電解過程，電解槽內部有專門的ticl4氣室，可以保證ticl4能夠有足夠的時間溶解進入電解質中，從而保證電解的順利進行。
28.本發明提供的冶煉裝置及冶煉方法能夠實現節能環保，並且連續的低成本生產金屬鈦的優點。
附圖說明
29.圖1為本發明冶煉裝置整體結構示意圖。
具體實施方式
30.為了使本領域的普通技術人員能更好的理解本發明的技術方案，下面結合附圖和實施例對本發明的技術方案做進一步的描述。
31.參照附圖1所示的一種金屬鈦新型冶煉裝置，所述冶煉裝置包括依次連接的氧化鈦熔鹽氯化裝置、氯化鈦分離裝置、氯化鈦還原裝置及氯化鈦電解裝置，在所述氯化鈦電解裝置與熔鹽氯化裝置之間還設置有冶煉循環裝置。該冶煉裝置的冶煉原理為：在所述氧化鈦熔鹽氯化裝置中加入氯化物熔鹽和氧化鈦原料，將氧化鈦物原料進行氯化得到ticla，將其通入到氯化鈦分離裝置中進行分離，形成液態氯化鈦物，並將其加入至氯化鈦還原裝置被還原，還原物加入至氯化鈦電解裝置中繼續電解，並最終形成金屬鈦。而通過冶煉循環裝置將熔鹽氯化裝置產生的氯化氣體循環到氧化鈦熔鹽氯化裝置中，繼續參與金屬鈦的氯化。
32.具體的，如圖1所示，所述氧化鈦熔鹽氯化裝置包括具有電加熱結構的氯化槽1，其底端設置有cl2通入管2；
33.所述氯化鈦分離裝置包括在氯化槽1頂端設置的ticl4導管3，在所述ticl4導管3頂端一側貫通連接有ticl4冷卻室4，在所述ticl4冷卻室4底部貫通連接有ticl4排出管5；
34.所述氯化鈦電解裝置包括在所述ticl4排出管5底部設置的電解槽6(優選的，如圖1所示，其與氯化槽1為同心圓結構設置)，所述電解槽6內盛裝有覆蓋所述ticl4氣室的電解質，所述電解槽6內兩側設置有插入到所述電解質中的陽極電解柱71和陰極電解柱72；所述氯化鈦還原裝置為在所述電解槽6內底部設置的與所述ticl4排出管5貫通的ticl4氣室8。
35.所述冶煉循環裝置為在所述陽極電解柱71外套設有伸入所述電解質中且與所述氯化槽1貫通的cl2循環管9。在所述ticl4排出管上還設置有控制閥10，以控制ticl4通入至ticl4氣室8中的流速，同時在進入的過程中汽化成氣態。
36.實施例一
37.根據上述冶煉裝置的具體結構進行金屬鈦的冶煉，其具體步驟如下：
38.(1)、tio2熔鹽氯化
39.在氯化槽1中加入等摩爾的氯化物熔鹽(如nacl、kcl)，並在氯化槽1內添加tio2和c原料構成熔體，並彌散在該氯化物熔鹽中，保持氯化槽1的溫度為600℃，通過cl2通入管2控制cl2的加入量，應使得其完全轉化為ticl4，氯化槽1內發生如下反應：
40.tio2+c+cl4一ticla+cox；
41.由於生成的ticl4沸點為136℃，遠遠低於加熱後的熔體溫度，所以還原後的ticl4，以氣態形式從氯化物熔體中逸出。
42.(2)、ticl4的分離
43.氯化槽1中反應中得到的ticl4，通過ticl4導管3逸出到達ticl4冷卻室4中，在ticl4冷卻室4中冷卻富集成液態ticl4；在氯化槽1頂部由於溫度降低到ticl4沸點以下，ticl4冷卻成液態，富集在ticl4冷卻室4中。
44.(3)、ticl4還原
45.通過控制所述控制閥10，將ticl4冷卻室4中的ticl不斷加入到電解槽中的ticl4氣室8中，同時液態的ticl4被加熱汽化。其中ticl4氣室8有助於ticl4溶解進入到電解液中，提高ticl4一次溶解效率。
46.(4)、ticl4的電解
47.電解槽6中加入氯化物熔鹽，當ticl4進入ticl4氣室8後，與熔體中ticl2反應，通過氣液界面不斷溶解進入電解質中。
48.電解開始後，陽極電流密度範圍為0.05a/cm2、陰極電流密度範圍為0.10a/cm2，熔體中ticl
x
(x＝2，3，4)遷移到陰極，發生反應ti+xe
→
ti(x＝2，3，4)，還原為純鈦；
49.clt遷移到陽極，發生反應2ct-2e
→
cl2(g)，生成的cl2經cl2循環管9循環到氯化槽1底部，繼續參與tio2的氯化。
50.在電解槽6中，ticla、ticl3、ticla被還原成為ti和cl2，cl2被cl2循環管9通入到氯化槽1中，重複利用在tio2氯化環節，達到節能環保的目的。
51.優選的，所述電解質採用氯化物熔鹽，包括如cacl2、licl和ticl3、混合而成。
52.所述陽極電解柱71為惰性陽極，陰極電解柱72為金屬材料(優選為銅)。
53.實施例二
54.一種金屬鈦的冶煉方法，其特徵在於，包括以下步驟：
55.(1)、tio2熔鹽氯化
56.在氯化槽中加入定量的氯化物熔鹽，並在氯化槽內添加tio2和c原料，並彌散在該氯化物熔鹽中，保持氯化槽的溫度為700℃，通過cl2通入管控制cl2的加入量，應使得其完全轉化為ticl4，氯化槽內發生如下反應：
57.tio2+c+cla一ticl4+co
x
；
58.(2)、ticl4的分離
59.氯化槽中反應中得到的ticl4，通過ticl4導管逸出到達ticl4冷卻室中，在ticl4冷卻室中冷卻富集成液態ticl4；
60.(3)、ticl4還原
61.通過控制所述控制閥，將ticl4冷卻室中的ticl不斷加入到電解槽中的ticl4氣室中，同時液態的ticl4被加熱汽化；
62.(4)、ticl4的電解
63.電解槽中加入氯化物熔鹽，當ticl4進入ticl4氣室後，與熔體中ticl2反應，不斷溶解進入電解質中；
64.電解開始後，熔體中ticl
x
(x＝2，3，4)遷移到陰極，發生反應ti+xe
→
ti(x＝2，3，4)，還原為純鈦；
65.clt遷移到陽極，發生反應2ct-2e
→
cl2(g)，生成的cl2經cl2循環管循環到氯化槽底部，繼續參與tio2的氯化。
66.優選的，所述電解質採用氯化物熔鹽，所述陽極電解柱為碳材料(如石墨)，陰極電解柱為金屬材料(優選為鈦)。
67.優選的，所述電解槽的電流密度範圍分別為：陽極，0.5a/cm2、陰極，0.60a/cm2。
68.優選的，所述電解質為nacl、kcl和ticl2混合而成。
69.實施例三
70.一種金屬鈦的冶煉方法，其特徵在於，包括以下步驟：
71.(1)、tio2熔鹽氯化
72.在氯化槽中加入定量的氯化物熔鹽，並在氯化槽內添加tio2和c原料，並彌散在該氯化物熔鹽中，保持氯化槽的溫度為900℃，通過cl2通入管控制cl2的加入量，應使得其完全轉化為ticl4，氯化槽內發生如下反應：
73.tio2+c+cla一ticl4+co
x
；
74.(2)、ticl4的分離
75.氯化槽中反應中得到的ticl4，通過ticl4導管逸出到達ticl4冷卻室中，在ticl4冷卻室中冷卻富集成液態ticl4；
76.(3)、ticl4還原
77.通過控制所述控制閥，將ticl4冷卻室中的ticl不斷加入到電解槽中的ticl4氣室中，同時液態的ticl4被加熱汽化；
78.(4)、ticl4的電解
79.電解槽中加入氯化物熔鹽，當ticl4進入ticl4氣室後，與熔體中ticl2反應，不斷溶解進入電解質中；
80.電解開始後，熔體中ticl
x
(x＝2，3，4)遷移到陰極，發生反應ti+xe
→
ti(x＝2，3，4)，還原為純鈦；
81.clt遷移到陽極，發生反應2ct-2e
→
cl2(g)，生成的cl2經cl2循環管循環到氯化槽底部，繼續參與tio2的氯化。
82.優選的，所述電解質採用氯化物熔鹽，所述陽極電解柱為碳材料，陰極電解柱為金屬材料(優選為碳鋼)。
83.優選的，所述電解槽的電流密度範圍分別為：陽極，1.00a/cm2、陰極，1.00a/cm2。
84.優選的，所述電解質為mgcl2、aicl3和ticl3混合而成。
85.本發明的原理是：該冶煉方法使用c及cl2將tio2在氯化槽1內加熱氯化還原得到ticl4，氣態ticl4通過ticl4導管3，到ticl4冷卻室4中冷卻和富集，再通過控制閥10到ticl4氣室8，在ticl4氣室8中ticl4不斷溶解到電解質中，並與電解質中的低價鈦反應生成ticl2和ticl3，生成的ticl2和ticl3及未反應的ticl4的在電解槽6陰極附近通過電解沉積，得到金屬鈦，陽極得到氯氣通過cl2循環管9進入熔鹽氯化環節，實現整個裝置的閉路。
86.以上顯示和描述了本發明的基本原理、主要特徵和本發明的優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和範圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明範圍內。本發明要求保護範圍由所附的權利要求書及其等效物界定。