一種電脫氧冶金法電解槽的製作方法
2023-07-15 10:52:51 2
專利名稱：一種電脫氧冶金法電解槽的製作方法
技術領域：
本發明涉及金屬氧化物電化學脫氧製備金屬單質或合金的電解槽設計，特別涉及
一種電脫氧冶金法電解槽工藝設計。
背景技術：
世界海綿鈦工業生產中普遍使用的方法是Kroll工藝。Kroll法主要採用金屬Mg 還原TiCl4工序-真空分離工序製造金屬鈦，該工藝可製得高純度的金屬鈦。但該工藝由 於熱還原過程流程長、工序複雜、不能連續生產等原因使鈦生產成本居高不下，加之生產過 程中的環境汙染，大大制約了鈦的廣泛應用。儘管很多研究人員都嘗試對Kroll工藝進行 一些改進，但結果說明一些技術方面的改進不能改變此法高成本的缺陷。因此，採用新型的 鈦提取技術來代替Kroll傳統工藝是鈦工業發展一個重要的前提。 目前，"金屬氧化物和固溶體熔鹽電脫氧法"(FFC法，國際專利號99808568. 5)近
年來在工藝和基礎理論方面的研究都取得了一定的成果。FFC法突破了人們以前認為只能 把11(:14作為原料溶入電解質中的思想，直接利用固相1102作為陰極，省去了傳統工藝中的 氯化、精製TiCl4、鎂還原和真空蒸餾等複雜工序，特別是沒有氯氣排放，具有節約能源、汙 染少等優點。 目前FFC電脫氧法製備金屬鈦工藝中存在著副反應比例偏大的問題，此問題導致 電解生產過程反應時間過長、電流效率過低、產品品質不高。
發明內容
本發明的目是提供一種電脫氧冶金法電解槽，在保證生產水平和產品品質的基礎 上，有效阻止副反應的進行，消除副反應帶來的不利因素，消除生產過程中的安全隱患。
本發明電解槽體採用不鏽鋼槽體，內有石墨層，電解槽內部由隔板分為陰極區和 陽極區，兩區相對獨立但又可以進行自由的離子交換，電極的接入採用多個鈦氧化物陰極 棒並聯方式，陽極採用旋轉電極並與陰極一一對應組成電極對，電解槽頂蓋同樣採用不鏽 鋼並配有電路、氣路接口。 本發明的再一個技術方案是所述的隔板是Al203、MgO、Al203_MgO材質之一，其孔隙
率在40% 70%，顯孔率10 30%，顯孔孔徑0. 1 2mm級，厚度2mm 10mm。 本發明的又一個技術方案是所述的陽極轉速一般控制在60 180rpm。 考慮到電解過程中影響嚴重的副反應碳層問題，引入A1203或Mg0或Al203-Mg0材
料隔板將電解槽分為陰陽兩極區，兩極區間在實現離子自由交換的同時又具有對熔鹽流動
的隔離作用，從而抑制陰陽兩極產物的副反應發生，陰陽兩極區面積比設計約為6 : 4。其
中陰極區作為還原區，高價鈦的還原反應在此區進行，原鈦氧化物中的氧的在鈦還原過程
中從電極內部逐漸進入到熔鹽相中，達到金屬與氧的分離；陽極區設計為脫氧區，熔鹽中的
氧在陽極區放電並以氣體形式排出，氧濃度的不斷降低使得陰極區的氧不斷由電極內部向
熔鹽相中轉移，從而實現深脫氧目的。
電解槽頂蓋，包括與電極布置相匹配的並聯接口，保護氣(氬氣)接入孔、陽極上 部的尾氣排出孔，其中電極接口均配有絕緣性良好的保護墊。所有接口都由螺紋和密封圈 固定密封，可以滿足生產中的氣密性要求。由於生產過程是在高溫熔融鹽中進行，為了避免 頂蓋的溫度過高，配備水冷循環系統，防止設備的過早老化和腐蝕。 調整電極搭配，採用多個鈦氧化物陰極棒並聯方式，使電脫氧過程多通道進行。 陰、陽極極間距控制在200mm以上。
發明優點 本發明在保證生產水平和產品品質的基礎上，有效阻止副反應的進行，消除副反 應帶來的不利因素，消除生產過程中的安全隱患，並且本發明電解槽生產能力大、生產周期 短、可實現半連續化生產。
圖1為本發明人設計的電解槽工藝簡圖的左視圖。
圖2為本發明人設計的電解槽工藝簡圖的俯視圖。 其中(1)為不鏽鋼電解槽體，內襯為厚度約為20mm的石墨層；(2)為陰極片組棒， 每個組棒由若干片①20mi^5mm的陰極片構成，陰極組棒的數量由實際生產需求決定；(3) 為旋轉石墨陽極，與陰極(2)組成對電極完成主要的電解生產過程；(4)為旋轉石墨陽極 (3)的驅動部分；(5)為本發明人設計隔板，將電解槽內部分為陰陽兩個極區，並滿足離子 的通過性；(6)和(7)為電解槽氣體循環裝置，主要向電解槽內提供定向流動惰性保護氣 (Ar)，及時排出電解尾氣。 圖3為本發明人設計的鈦電解工藝流程圖。
具體實施方式
實例1 電解槽陰極採用鈦氧化物陰極棒，此陰極棒由二氧化鈦精粉、PVA粘結劑等按比例 混合成型燒結而成，每條陰極棒氧化物質量在100g左右，陰極區並聯安裝上述陰極棒3組。 陽極區採取與陰極對應的方式並聯3根旋轉石墨陽極作為電解陽極，陰陽極間距為200mm， 陽極棒轉速設定為120rpm。取消隔板。採用CaCl2熔鹽，熔鹽CaCl2深度為140mm，溫度控 制在95(TC，保護氣氬氣流量設定為5L/min，電解槽電壓3. IV，電解時間36h。整體電解工 藝流程見圖3。 產品形狀基本沒有變化，緻密度較高，顏色呈灰黑色，中心部分存在灰色分層，經 檢測其主要為中間產物TiO、Ti20，質量約為10g.外層產品經破碎、酸洗、清洗後得到海綿鈦 粉末，鈦含量為99. 07% ，電流效率51 % 。電解槽內熔鹽表面有較大量黑色結塊碳層，厚度 約2mm。熔鹽內部取樣中殘存較大量游離碳。
實例2 電解槽陰極採用鈦氧化物陰極棒，此陰極棒由二氧化鈦精粉、PVA粘結劑等按比例 混合成型燒結而成，每條陰極棒氧化物質量在100g左右，陰極區並聯安裝上述陰極棒3組。 陽極區採取與陰極對應的方式並聯3根旋轉石墨陽極作為電解陽極，陰陽極間距為200mm， 陽極棒轉速設定為180rpm。隔板採用八1203材料，孔隙率在55%，顯孔率30%，厚度2咖，高度300mm。電解槽整體搭配如圖1和圖2所示。電解槽內採用CaCl2熔鹽，熔鹽CaCl2深 度為140mm，溫度控制在95(TC，保護氣氬氣流量設定為5L/min，電解槽電壓3. IV，電解時間 36h。整體電解工藝流程見圖3。 產品形狀基本沒有變化，緻密度增加，顏色呈灰黑色，經破碎、酸洗、清洗後得到海 綿鈦粉末，鈦含量為99. 27%，達到國家四級鈦標準。電流效率67.4%。隔板材料未出現腐 蝕、融化現象，電解槽內熔鹽經取樣分析，基本為白色半透明狀CaC^晶體，沒有碳或其它雜 質夾雜；表面有少量黑色結塊區，簡單清除後即可繼續進行生產。
實例3 電解槽陰極採用鈦氧化物陰極棒，此陰極棒由二氧化鈦精粉、PVA粘結劑等按比例 混合成型燒結而成，每條陰極棒氧化物質量在100g左右，陰極區並聯安裝上述陰極棒3組。 陽極區採取與陰極對應的方式並聯3根旋轉石墨陽極作為電解陽極，陰陽極間距為200mm， 陽極棒轉速設定為120rpm。隔板採用MgO材料，孔隙率在50%，顯孔率15%，厚度5mm，高 度300mm。電解槽整體搭配如圖1和圖2所示。電解槽內採用CaCl2熔鹽，熔鹽CaCl2控制 深度為140mm，溫度控制在95(TC，保護氣氬氣流量設定為5L/min，電解槽電壓3. IV，電解時 間28h。整體電解工藝流程見圖3。 產品形狀基本沒有變化，緻密度增加，顏色呈灰黑色，經破碎、酸洗、清洗後得到海 綿鈦粉末130g，鈦含量為99. 27%，達到國家四級鈦標準，電流效率71%。隔板材料未出現 腐蝕、融化現象，電解槽內熔鹽經取樣分析，基本為白色半透明狀CaC^晶體，沒有碳或其它 雜質夾雜；表面有少量黑色結塊區，簡單清除後即可重複利用。
實例4 電解槽陰極採用鈦氧化物陰極棒，此陰極棒由二氧化鈦精粉、PVA粘結劑等按比例 混合成型燒結而成，每條陰極棒氧化物質量在100g左右，陰極區並聯安裝上述陰極棒4組。 陽極區採取與陰極對應的方式並聯4根旋轉石墨陽極作為電解陽極，陰陽極間距為200mm， 石墨陽極轉速設定為120rpm。隔板採用Al203-MgO混合材料，孔隙率在59% ，顯孔率15% ， 厚度5mm，高度300mm。電解槽整體搭配如圖1和圖2所示。電解槽內採用CaCl2熔鹽，熔 鹽CaCl2控制深度為140mm，溫度控制在95(TC，保護氣氬氣流量設定為5L/min，電解槽電壓 3. IV，電解時間28h。整體電解工藝流程見圖3。 產品形狀基本沒有變化，緻密度增加，顏色呈灰黑色，經破碎、酸洗、清洗後得到海 綿鈦粉末181g，鈦含量為99. 27%，達到國家四級鈦標準，電流效率75. 4%。隔板材料未出 現腐蝕、融化現象，電解槽內熔鹽經取樣分析，基本為白色半透明狀Ca(^晶體，沒有碳或其 它雜質夾雜，可直接進行再生產。
實例5 電解槽陰極採用鈦氧化物陰極棒，此陰極棒由二氧化鈦精粉、PVA粘結劑等按比例 混合成型燒結而成，每條陰極棒氧化物質量在100g左右，陰極區並聯安裝上述陰極棒4組。 陽極區採取與陰極對應的方式並聯4根旋轉石墨陽極作為電解陽極，陰陽極間距為200mm， 石墨陽極轉速設定為60rpm。隔板採用Al203-MgO混合材料，孔隙率在59%，顯孔率30%， 厚度10mm，高度300mm。電解槽整體搭配如圖1和圖2所示。電解槽內採用CaCl2熔鹽，熔 鹽CaCl2控制深度為140mm，溫度控制在95(TC，保護氣氬氣流量設定為5L/min，電解槽電壓 3. IV，電解時間36h。整體電解工藝流程見圖3。
產品形狀基本沒有變化，緻密度增加，顏色呈灰黑色，經破碎、酸洗、清洗後得到海 綿鈦粉末179g，鈦含量為99. 27%，達到國家四級鈦標準，電流效率74. 4%。隔板材料未出 現腐蝕、融化現象，電解槽內熔鹽經取樣分析，基本為白色半透明狀Ca(^晶體，沒有碳或其 它雜質夾雜，可直接進行再生產。
權利要求
一種電脫氧冶金法電解槽，其特徵是電解槽體採用不鏽鋼槽體，內有石墨層作為熔鹽載體，電解槽內部由隔板分為陰極區和陽極區，兩區相對獨立但又可以進行自由的離子交換，電極的接入採用多個鈦氧化物陰極棒並聯方式，陽極採用旋轉陽極並與陰極一一對應組成電極對。
2. 如權利要求l的所述的一種電脫氧冶金法電解槽，其特徵是所述的隔板是八1203、 1%0^1203-]\%0材質之一，其孔隙率在40 % 70%，顯孔率10 30%，顯孔孔徑0. 1 2mm 級，厚度為2 10mm。
3. 如權利要求l的所述的一種電脫氧冶金法電解槽，其特徵是所述的旋轉陽極轉速控 制在60 180rpm。
全文摘要
本發明是一種電脫氧冶金法電解槽，該分為陰陽兩極區，兩極區間在實現離子自由交換的同時又具有對熔鹽流動的隔離作用，從而抑制陰陽兩極產物的副反應發生；電解槽旋轉陽極加大脫氧速度，同時採用定向循環保護氣流的方式加速陽極區尾氣排放避免電解槽內尾氣含量過高；電解槽電極排布突破傳統單電極限制，改為並聯式電極排布，陰極與陽極對應組成對電極，使電極的電脫氧任務分化。並聯式電極也可根據需要調節對電極排布數量從而改變生產能力，不需對設備和生產條件進行更多改進，同時保證產品質量。本發明電解槽生產能力大、生產周期短、可實現半連續化生產。
文檔編號C25C7/04GK101701345SQ200910237259
公開日2010年5月5日 申請日期2009年11月11日 優先權日2009年11月11日
發明者葉偉, 王中磊, 蔡卓飛, 郭佔成 申請人:北京科技大學