一種用於清除熔鹽中金屬雜質的淨化裝置的製作方法
2023-10-10 11:34:49 1
本實用新型屬於熔鹽處理技術領域，尤其涉及一種用於清除熔鹽中金屬雜質的淨化裝置。
背景技術：
在常用金屬中，鈦是地殼中含量最豐富的元素之一，在結構金屬中豐度佔第四位，僅次於鋁、鐵、鎂。鈦是一種性能優越的稀有金屬材料，除了優越的強度/重量比，適合作為航天零組件以外，目前已經開發了許多非航天的用途，在石油、能源、交通、化工、生醫等民用領域也得到了一定應用，並且其應用領域還在不斷擴展。近年來，隨著半導體技術、信息技術、生物材料等高科技領域的快速發展，它們對所使用的鈦金屬的純度要求也越來越高，對高純鈦的需求量也越來越大。
高純鈦的生產方法主要有熔鹽電解精煉法、碘化法、電子束熔煉法。用碘化法精煉時，析出速度慢，且是間歇式操作，因此生產率低。電子束熔煉法對一般的低熔點金屬雜質元素及非金屬元素C、N、H都可去除，但氧和重金屬必須在電子束熔煉前用熔鹽電解法或碘化法除去。採用熔鹽電解法精煉鈦不僅可以有效除去導致集成電路誤差的放射性元素鈾和釷，而且生產可連續進行，生產率高，消耗的能量小，生產成本低。
熔鹽電解精煉製備鈦的工藝，一般採用鹼金屬或鹼土金屬滷化物熔鹽體系作電解質，電解質純度一般為工業純或分析純，其中含有一定雜質。高溫電解時，金屬雜質元素離子例如Fe2+、Cu2+、Ni2+、Cr3+和Mn4+等會在陰極與鈦離子同時被電化學還原為金屬，顯著降低電解鈦純度。電解質中的水分和金屬氧化物在熔融狀態會汙染電解鈦，造成電解製得的鈦的氧含量升高。
技術實現要素：
鑑於上述的分析，本實用新型目的在於：提供一種用於清除熔鹽中金屬雜質的淨化裝置，該淨化裝置可有效去除熔鹽中的金屬雜質。
為達到上述目的，本實用新型採用如下技術方案實現：
一種用於清除熔鹽中金屬雜質的淨化裝置，所述淨化裝置包括電極倉11、帶有上蓋6的反應器17、坩堝16和氣體攪拌導管1；
所述坩堝16置於所述反應器17內；
所述上蓋6連接有熔鹽導管2和惰性氣體/真空管3；所述熔鹽導管2的下端穿過所述上蓋6並延伸到所述坩堝16的下端；所述惰性氣體/真空管3的下端穿過所述上蓋6與所述反應器17連通；所述上蓋6密封連接有液態金屬排出管8、陰極機構和陽極機構；
所述氣體攪拌導管1的下端穿過所述上蓋6並延伸到所述坩堝16的下端；
所述電極倉11包括陽極氣體收集管22、陰極倉23和陽極倉24；所述陽極氣體收集管22與所述上蓋6密封連接，下端穿過所述上蓋6後與所述陽極倉24連通；所述陰極倉23和陽極倉24均置於所述坩堝16內的熔鹽電解質13中，兩者之間通過石英杆10固定連接；所述陰極倉23的上端與所述液態金屬排出管8連通；
所述陰極倉23和陽極倉24分別通過所述陰極機構和陽極機構與外接電源的負極和正極連接。
進一步的，所述陰極機構包括陰極導杆7和石墨陰極板14；所述陰極導杆7與所述上蓋6密封連接，下端穿過所述上蓋6後與所述石墨陰極板14連接；所述石墨陰極板14位於所述陰極倉23內；
所述陽極機構包括陽極導杆9和石墨陽極板15；所述陽極導杆9與所述上蓋6密封連接，下端穿過所述上蓋6後與所述石墨陽極板15連接；所述石墨陽極板15位於所述陽極倉24內；
所述陰極導杆7和陽極導杆9的上端分別外接電源的負極和正極。
進一步的，所述陰極導杆7和陽極導杆9的表面均鍍有陶瓷絕緣層25。
進一步的，所述陶瓷絕緣層25的厚度為10～30微米。
進一步的，所述陰極導杆7和陽極導杆9的材料為鎳；
進一步的，所述陰極倉23的個數為2；2個陰極倉23對稱分布在所述陽極倉24的兩側。
進一步的，所述上蓋6上還設置有惰性氣體出口閥4；所述惰性氣體出口閥4用於控制惰性氣體充入所述反應器17的流量。
進一步的，所述密封連接是採用聚四氟絕緣密封機構實現的；
所述聚四氟絕緣密封機構包括聚四氟絕緣密封套18、弓形緊固螺帽19、O型圈20和不鏽鋼外螺紋管21；
所述不鏽鋼外螺紋管21固定在所述上蓋6上，並通過緊固螺帽19擠壓所述聚四氟絕緣密封套18和O型圈(20)的方式，與連接件密封連接；
所述連接件包括陰極導杆7、液態金屬排出管8、陽極導杆9和陽極氣體收集管22。
進一步的，所述反應器17和上蓋6的材料為304不鏽鋼；所述氣體攪拌導管1、坩堝16和熔鹽導管2的材料為鎳；所述電極倉11的材料為石英。
本實用新型有益效果如下：
1、本實用新型採用電解法，有效地去除熔鹽中的金屬鹽、氧化物形式存在的金屬雜質，可有效提高電解鈦的純度。
2、本實用新型熔鹽淨化純度高，具有可連續化生產特點。
附圖說明
附圖僅用於示出具體實施例的目的，而並不認為是對本實用新型的限制，在整個附圖中，相同的參考符號表示相同的部件。
圖1為本實用新型的熔鹽淨化裝置結構示意圖；
圖2為本實用新型的電極倉結構示意圖；
圖3為本實用新型的陰極機構結構示意圖；
圖4為本實用新型的陽極機構結構示意圖；
圖5為本實用新型的聚四氟絕緣密封機構示意圖。
圖中：1-氣體攪拌導管、2-熔鹽導管、3-惰性氣體/真空管、4-氣體出口閥、5-弓形緊固件、6-上蓋、7-陰極導杆、8-液態金屬排出管、9-陽極導杆、10-石英杆、11-電極倉、12-陽極氣泡(Cl2)、13-熔鹽電解質、14-石墨陰極板、15-石墨陽極板、16-坩堝、17-反應器、18-聚四氟絕緣密封套、19-緊固螺帽、20-O型圈、21-不鏽鋼外螺紋管、22-陽極氣體收集管、23-陰極倉、24-陽極倉、25-陶瓷絕緣鍍層。
具體實施方式
下面結合附圖來具體描述本實用新型的優選實施例，其中，附圖構成本申請一部分，並與本實用新型的實施例一起用於闡釋本實用新型的原理。
本實施例給出了用於清除熔鹽中金屬雜質的淨化裝置，其結構參考圖1，該淨化裝置包括電極倉11、帶有上蓋6的反應器17、坩堝16和氣體攪拌導管1。
其中，坩堝16置於反應器17內，反應器17與上蓋6採用弓形緊固件5密封固定。上蓋6連接有熔鹽導管2、惰性氣體/真空管3和惰性氣體出口閥4。熔鹽導管2的下端穿過上蓋6並延伸到坩堝16的下端；惰性氣體/真空管3和惰性氣體出口閥4的下端均穿過上蓋6與反應器17連通。上蓋6上密封連接有液態金屬排出管8、陰極機構和陽極機構(圖中未標記)。氣體攪拌導管1的下端穿過上蓋6並延伸到坩堝16的底部，下端部分帶有噴嘴。
本實施例的電極倉11的材料優選為石英，其結構參考圖2，包括包括陽極氣體收集管22、陰極倉23和陽極倉24。陽極氣體收集管22與上蓋6密封連接，下端穿過上蓋6後與陽極倉24連通。陰極倉23的上端與液態金屬排出管8連通。陰極倉23和陽極倉24均置於坩堝16內的熔鹽電解質13中，兩者之間通過石英杆10固定連接。本實施例的陰極倉23的個數為2。2個陰極倉23對稱分布在陽極倉24的兩側。陰極倉23和陽極倉24分別通過陰極機構和陽極機構與外接電源的負極和正極連接。
本實施例的陰極機構的結構參考圖3，包括陰極導杆7和石墨陰極板14。陰極導杆7與上蓋6密封連接，下端穿過上蓋6後與與石墨陰極板14連接。石墨陰極板14位於陰極倉23內。
本實施例的陽極機構的結構參考圖4，包括陽極導杆9和石墨陽極板15。陽極導杆9與上蓋6密封連接，下端穿過上蓋6與石墨陽極板15連接。石墨陽極板15位於陽極倉24內。
本實施例的陰極導杆7和陽極導杆9的上端分別與外接電源的負極和正極連接，其表面均鍍有陶瓷絕緣層25，其厚度為10～30微米。
本實施例採用聚四氟絕緣密封機構(圖中未顯示)實現密封連接。該聚四氟絕緣密封機構結構參考圖5，包括聚四氟絕緣密封套18、弓形緊固螺帽19、O型圈20和不鏽鋼外螺紋管21。不鏽鋼外螺紋管21固定在所述上蓋6上，並通過緊固螺帽19擠壓所述聚四氟絕緣密封套18和O型圈20的方式，與連接件密封連接。本實施例中的連接件包括陰極導杆7、液態金屬排出管8、陽極導杆9和陽極氣體收集管22。
本實施例的反應器17和上蓋6的材料為304不鏽鋼。陰極導杆7、陽極導杆9、坩堝16、熔鹽導管2和氣體攪拌導管1的材料均優選為鎳。電極倉11的材料為石英。本實施例的熔鹽為滷化物熔鹽，優選為氯化物熔鹽和氟化物熔鹽。
本實施例能夠有效地去除熔鹽中的金屬鹽、氧化物形式雜質，從而有效地提高電解鈦的純度；本實施例製得的熔鹽淨化純度高，具有可連續化生產特點。
本實施例的操作過程為：
1、洗氣：關閉所有導管閥門，打開惰性氣體/真空管3的真空閥門抽真空，直至反應器17內的絕對壓力≤100Pa，維持20～40分鐘。
2、關閉惰性氣體/真空管3的真空閥門，打開惰性氣體/真空管3的氣體閥門充入惰性氣體(如氬氣)，進行洗氣。
本實施例中的洗氣的次數一般為2～4次，優選為3次。
為了保證反應倉內充滿氬氣,同時維持微弱正壓，防止外界空氣進入。在洗氣過程中，當反應器17內的壓力大於大氣壓10kPa時，通過調節惰性氣體出口閥4，控制惰性氣體(如氬氣)流量，使氬氣以微弱流量從氣體輸出管穩定流出，尾氣通過緩衝瓶鼓入液體石蠟，氣泡均勻為宜，維持反應器17內的正壓為300～800Pa。
3、加熱升溫和導入熔鹽：對淨化裝置進行加熱，溫度控制在750～800℃。使用熔鹽泵或者增加壓力的方法，將真空脫水後的熔鹽(NaCl，KCl或NaCl-KCl)沿著熔鹽導管2導入坩堝16內，導鹽完成後，關閉熔鹽導管2。
熔鹽導入過程中，一直保持反應器17內的正壓維持在300～800Pa，尾氣持續鼓泡。
4、電解淨化：將電極倉11的陰極倉23和陽極倉24分別通過陰極導杆7和陽極導杆9與外接電源的正極和負極連接，通入5～10A直流電，電解4～5小時，將液態金屬通過液態金屬排出管8排出，從而製得淨化後的熔鹽。
本實施例的每通電50～70分鐘(優選為60分鐘)時，由惰性氣體攪拌導管1通入氬氣攪拌5～15分鐘(優選為10分鐘)，這樣可保證熔鹽電解質混合均勻，促進雜質元素擴散。
本實施例的熔鹽一般為滷化物熔鹽。其淨化原理為：在電解過程中，鹼金屬陽離子及雜質金屬陽離子在陰極被還原為金屬，鹼金屬密度低於氯化物熔鹽且具有較低的熔點，在電解溫度下呈液態，漂浮於電解質上方。其他高熔點金屬陽離子在陰極得電子被還原為金屬，附著在陰極表面或者脫落在陰極倉裡。Cl-在陽極失去電子，被氧化成Cl2。Cl2在上浮的過程中與熔鹽充分接觸，熔鹽中的金屬雜質氧化物，氫氧化物與Cl2反應生成金屬氯化物和O2，所生成的金屬氯化物遷移至陰極，被還原為金屬，從而實現熔鹽淨化。
陰極反應：M2++2e-＝M(M代表金屬雜質元素)；
在陰極，Na+、K+被還原為金屬液體(液態鈉為主)，漂浮於陰極室上方，Fe2+、Cu2+、Ni2+、Cr3+和Mn4+等金屬雜質離子同時被還原為金屬附著於陰極表面或脫落於石英陰極倉底部。
陽極電化學反應：
2Cl-＝Cl2+2e-
化學反應：2MO+2Cl2＝2MCl2+O2↑(M代表金屬雜質元素)
4AOH+2Cl2＝2H2O↑+4ACl+O2↑(A代表鹼金屬或鹼土金屬)
在陽極，Cl-失去電子，被氧化成Cl2。Cl2在上浮的過程中與熔鹽充分接觸，熔鹽中的金屬雜質氧化物，氫氧化物與Cl2反應生成金屬氯化物和O2，所生成的金屬氯化物遷移至陰極，被還原為金屬，從而實現熔鹽淨化。
5、排鹽：在負壓條件下，將淨化後的熔鹽通過熔鹽導管2吸入電解槽中或導出。
電解淨化完成後，利用負壓將淨化後的滷化物熔鹽通過熔鹽導管2吸入電解槽中或導出。為了防止外界空氣進入，在排鹽過程中，反應器17內一直通入足量的惰性氣體(如氬氣)。
以上所述，僅為本實用新型較佳的具體實施方式，但本實用新型的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本實用新型揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本實用新型的保護範圍之內。