[發明專利]一種利用熔鹽電解脫氧分離鈦鋁合金制取金屬鈦的方法

有效

• 申請號: 202210489764.6
• 申請日: 2022-05-07
• 公開（公告）號: CN114672850B
• 公開（公告）日: 2023-08-29
• 發明（設計）人: 李濤;辛朝陽;李俊國;龐敏;郭子茹;譚敏;李榮;劉愷;魏德剛;徐培棟;孟倩;孟鴻儒;趙毅
• 申請（專利權）人: 華北理工大學
• 主分類號: C25C3/28
• 分類號: C25C3/28;C22B34/12;B33Y70/00;C25C3/06
• 代理公司: 重慶晟軒知識產權代理事務所(普通合伙) 50238
• 代理人: 王海鳳

本發明涉及一種利用熔鹽電解脫氧分離鈦鋁合金制取金屬鈦的方法，將氟鈦酸鈉或氟鈦酸鉀和鋁粉進行混合，在氬氣保護的環境下進行鋁熱還原反應；反應充分后將溫度上調進行蒸發，去除其中的氟鈦酸鹽和氟鋁酸鹽及其他雜質后得到多孔狀的金屬鈦、鈦鋁合金、鋁的氧化物和鈦的氧化物構成的混合物；將混合物或混合物研磨成的粉末作為陽極材料進行電解，陽極得到海綿鈦或鈦粉以及鈦的氧化物，電解過程采用Nasubgt;3/subgt;AlFsubgt;6/subgt;、AlFsubgt;3/subgt;和NaCl作為電解質。該方法通過熔鹽電解的方法，同時制備出海綿鈦或鈦粉以及金屬鋁。本方法制備的海綿鈦或鈦粉由于其中氧化物的含量遠低于傳統Kroll法制取的海綿鈦，因此鈦產品中氧含量極低。

技術領域

本發明屬于高端制造領域，具體涉及高端制造業使用的高純度海綿鈦或鈦粉的制備與提純方法，特別涉及一種利用電解脫氧分離鈦鋁合金制取海綿鈦或鈦粉的方法。

背景技術

鈦作為一種戰略性資源，具有非常優異的物理、化學性能，其密度比鋼小43%，比強度高、熔點高、耐高溫腐蝕且無毒害，已經被廣泛地應用于航空航天、軍工及化工中。作為“太空金屬”，鈦合金被用作飛機、火箭的發動機材料、結構材料和各種管道接頭材料。金屬鈦具有重量輕、強度高、硬度大、耐腐蝕等特性。我國的鈦資源儲量世界第一。主要以釩鈦磁鐵礦蘊藏于四川攀西地區，分布在太和、白馬、紅格、攀枝花等礦區，其中，白馬、紅格和攀枝花鐵礦位于攀枝花市，太和鐵礦位于西昌市。其中釩鈦磁鐵礦資源保有儲量約90億噸(礦產資源潛力評價預測鐵礦石資源190億噸)，其中鈦資源(以TiO₂計)儲量近6億噸，約占全國儲量的87%。然而，鈦的價格大大限制了鈦的利用，盡管鈦在地殼中的儲量豐富（0.44%，在所有金屬元素中排列第8），但是由于鈦的現行冶金過程繁瑣，生產成本高，且品質不高。

目前，工業普遍采用的制取金屬鈦的方法是鎂熱還原工藝（Kroll法），生產得到的海綿鈦可用電子束熔煉提純。Kroll法生產金屬鈦過程首先是將二氧化鈦通過加碳氯化制取四氯化鈦（TiCl₄），然后通過金屬鎂熱還原獲得海綿鈦。而金屬鎂則是通過電解氯化鎂來獲取，電解所得的氯氣有用于氯化鈦的制取，整個生產過程包括氯化鎂電解、氧化鈦氯化、以及鎂熱還原三個主要部分，步驟繁瑣、能源消耗大，而且核心的鎂熱還原步驟是間歇式操作，生產效率非常低，由于這些原因造成了金屬鈦的價格昂貴。另外，氯化過程產生嚴重的腐蝕性環境，對生產設備和環境危害極大，是Kroll法目前面臨的一大難題，四氯化鈦的存儲和運輸也十分困難。

目前，熔鹽電解生產金屬鈦工藝中FFC法、OS法和USTB法等幾種具有代表性的制鈦工藝。上述三種方法主要以TiO₂作為陽極材料進行電解，在電解過程中材料里的氧難以去除，難以生產出99.9%以上的金屬鈦，且電流效率不高。盡管熔鹽電解制備金屬鈦具有明顯的成本和技術優勢，但目前仍無法實現大規模的工業化生產，若要實現大規模工業化生產仍要解決很多難題。FFC法和OS法都需要很長時間的電解才能降低金屬鈦中的固溶氧含量，電流效率只有15%左右。由此可知，降低金屬鈦的氧含量，縮短制備金屬鈦電解的時間、提高電流效率是電解鈦生產工業化的關鍵。

鈦粉作為3D打印高端制造業的重要原料，其生產工藝則更加復雜。現階段工業上使用的方法為氫化脫氫法（HDH）。由于海綿鈦在常溫常壓下具有韌性，很難破碎。因此，需要利用鈦的氫脆性，將海綿鈦在一定溫度下進行吸氫，生成具有脆性的氫化鈦，將其破碎后在適當的溫度和真空條件下進行脫氫，得到鈦粉。此方法工藝復雜，且生產成本較高，不能大規模生產。

發明內容

針對現有技術存在的上述問題，本發明的要解決的技術問題是：如何降低現有方法制備的鈦中的氧含量。

為解決上述技術問題，本發明采用如下技術方案：一種利用熔鹽電解脫氧分離鈦鋁合金制取金屬鈦的方法，包括如下步驟：