[發明專利]一種集氯化-電解為一體的制取金屬和合金的裝置與方法

有效

• 申請號: 201410041612.5
• 申請日: 2014-01-28
• 公開（公告）號: CN103774180A
• 公開（公告）日: 2014-05-07
• 發明（設計）人: 馮乃祥;王耀武;趙坤
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: C25C3/00
• 分類號: C25C3/00;C25C7/00;C25B1/26
• 代理公司: 沈陽東大專利代理有限公司 21109
• 代理人: 梁焱

技術領域

本發明屬于冶金技術領域，特別涉及一種集氯化-電解為一體的制取金屬和合金的裝置與方法。

背景技術

在有色金屬工業中，某些金屬或合金是以該金屬氯化物進行熔鹽電解生產的，或是以比該金屬活性更好的金屬為還原劑還原金屬的氯化物的方法制取的。

以金屬鈦的冶金方法為例，目前工業上生產鈦的方法均為Kroll法，即鎂熱還原工藝。該方法的工藝流程為：先將含TiO₂的原料進行氯化生產TiCl₄，然后對生產的TiCl₄進行提純除雜后，用鎂蒸汽進行還原，還原獲得海綿鈦和無水MgCl₂；該方法由于存在工序多且不能連續化生產、能耗高、環境污染大及設備腐蝕嚴重等缺點，使得鈦的生產成本高，嚴重制約了金屬鈦在更廣領域的應用。

以TiCl₄為原料以氯化物的電解質體系進行熔鹽電解生產金屬鈦具有成本低，電解質和產物容易分離的優點；傳統的TiCl₄電解生產金屬鈦需要先用一套裝置將TiO₂用氯氣氯化制取純的TiCl₄，然后再進行TiCl₄的電解，但以TiCl₄為原料熔鹽電解法還存在很多難以克服的困難，如電解過程中電解質的組成波動很大，電解過程中的物料平衡很難控制，生成的鈦層致密化影響后期金屬鈦的析出，電解槽腐蝕嚴重等，這些缺點嚴重制約了TiCl₄熔鹽電解法的工業化應用。

以稀土金屬氯化物熔鹽電解制取稀土合金為例，熔鹽電解的理論和工業生產實踐表明，許多稀土金屬和稀土金屬合金都可以用熔鹽電解的方法生產，但稀土金屬的氯化物大多又都是通過金屬氧化物與鹽酸反應的方法制取的，或者是在高溫下通過氯氣對金屬氧化物與炭的混合物的氯化反應制取的，該過程復雜且生產過程不僅要產生廢水、廢氣或廢渣，也增加了生產成本。

某些高熔點的稀土金屬是用鈣等較為活潑的金屬在高溫條件下用金屬熱還原的方法制取的，將這些稀土金屬從還原反應的產物中分離出來也是較為復雜和困難的；鋁是以氧化物為原料熔解在冰晶石電解質熔體中用熔鹽電解的方法生產的，在冰晶石-氧化鋁的熔鹽電解中，不僅要消耗氧化鋁，而且還要消耗炭陽極，生產一噸金屬鋁需要消耗0.5噸左右的炭陽極。炭陽極的生產又是一個復雜的，生產成本較高的過程；此外，鋁電解槽的陽極和電解質熔體的電阻大，陽極電壓降和電解質電壓降都較高，因此人們也一直在探索進行氯化鋁熔鹽電解制取金屬鋁的技術。

然而由于氯化鋁是一種在高溫下呈氣態的化合物，而無水氯化鋁又是在高溫的條件下以氯氣氯化氧化鋁的方法制取的，因此氯化鋁的生產和輸運以及保持電解槽中的物料平衡都很困難，導致無水氯化鋁氯化物熔鹽電解制取金屬鋁的方法一直未能在工業上獲得成功。

發明內容

針對現有金屬或合金在制備過程中存在的上述問題，本發明提供一種集氯化-電解為一體的制取金屬和合金的裝置與方法，使金屬氧化物的氯化和電解兩個過程在同一個電解裝置內進行并完成，不需要另外一套裝置制取金屬氯化物，同時解決電解過程中金屬化合物的物料平衡問題。

本發明的一種集氯化-電解為一體的制取金屬和合金的裝置包括電解槽裝置、保溫材料、電解槽內襯、陰極、導電體、陰極鋼棒、石墨陽極、石墨陽極蓋和陽極導桿、裝置外殼和外殼上部的蓋，上蓋上設有真空吸管口、換氣口和熱電偶管接口，以及可以插入真空吸管用于抽吸陰極的液體金屬和電解質熔體的密封口，陰極之上為石墨陽極，石墨陽極有上蓋，陽極導桿與陽極蓋固定密封連接；石墨陽極內設有料室，料室的側壁上設有側孔將料室與石墨陽極外部連通；陽極導桿內設有加料通道與料室連通；石墨陽極工作面為中間高外沿低的圓錐形凹面，其最高處設有一個石墨集氣管，石墨集氣管側壁上設有氣孔使石墨集氣管內部與料室連通；陰極工作面為中間高外沿低的圓錐面。

整個裝置的外殼用不銹鋼板制作，電解槽的上部，位于裝置殼的內壁設有不銹鋼制成的結晶器，或為由石墨材料制成的防護層，與結晶器接觸的殼外部有冷卻水套。

上述裝置中陰極工作面與石墨陽極工作面的距離為4~20?cm。

上述的電解槽的上部設有開孔的擋熱板，陽極導桿穿過擋熱板，熱電偶管和真空吸管也可以穿過擋熱板。

上述的石墨陽極工作面上設有溝槽，深度為2~10mm。

上述的石墨集氣管頂端封閉，底口與石墨陽極工作面上的溝槽連通。