一种用于制备金属钛的电解质和熔盐及金属钛的制备方法技术

本发明专利技术提供了一种用于制备金属钛的电解质，其特征在于，该电解质中含有碱金属的卤化物和/或碱土金属的卤化物，以及氟钛酸盐。本发明专利技术还提供了一种用于制备金属钛的熔盐，其特征在于，该熔盐为将本发明专利技术提供的用于制备金属钛的电解质熔融后形成。本发明专利技术另外提供了一种金属钛的制备方法，该方法包括将含钛原料的导电固溶体作为阳极在熔盐中进行电解，制备金属钛单质，其特征在于，所述熔盐为本发明专利技术提供的用于制备金属钛的熔盐。采用本发明专利技术提供的技术方案，显著地提高了电流效率以及产品的质量。

Electrolyte for preparing metal titanium, molten salt and preparation method of metal titanium

The present invention provides an electrolyte for the preparation of metallic titanium, which is characterized in that the electrolyte contains halides of alkali metal and / or halides of alkaline earth metal, and fluorine titanate. The invention also provides a molten salt for preparing metal titanium, which is characterized in that the molten salt is formed by melting the electrolyte used for preparing the metal titanium provided by the invention. The invention also provides a method for preparing titanium metal, the method includes the conductive materials containing titanium solid solution as anode in molten salt electrolysis, preparation of titanium metal element, which is characterized in that the molten salt is used for molten salt preparation titanium provided by the invention. By adopting the technical proposal provided by the invention, the current efficiency and the quality of the product are remarkably improved.

【技术实现步骤摘要】
一种用于制备金属钛的电解质和熔盐及金属钛的制备方法
本专利技术涉及熔盐电解领域，具体地，涉及一种用于制备金属钛的电解质和熔盐及金属钛的制备方法。
技术介绍
钛是一种性能非常优越的金属。除了具有比重轻、比强度高、耐腐蚀性能好等一系列优点之外，钛及钛合金还具有许多优异的性能，例如：钛合金具有耐高低温性能好、无磁性、形状记忆特性、吸氢特性、超导特性和低阻尼特性等，是很好的结构材料和功能材料。由于钛的诸多优点，人们把它称为“太空金属”、“海洋金属”、“21世纪的金属”等，在国防、化工、冶金、医疗、工农业生产等各行业，特别是高新
得到越来越广泛的应用。目前钛工业生产的方法主要为镁热还原法（Kroll法），该方法生产金属的主要过程首先是将二氧化钛通过加碳氯化制取四氯化钛（TiCl4），然后用金属镁通过热还原获得钛，而金属镁则是通过电解氯化镁来获取，电解所得的氯气又用于氯化钛的制取，所以整个过程中包括氯化镁电解、氧化钛氯化、以及镁热还原三个主要部分，步骤繁琐、能源消耗大，而且核心的镁热还原步骤是间歇式操作，生产效益非常低，由于这些原因造成了金属钛的价格昂贵。针对这一情况，为了降低钛的价格，在过去的近70年中，世界各国的冶金学家们多方位寻求新的低成本纯钛的冶金工艺，其中包括化学热还原，熔盐电解等方法。其中，熔盐电解法制取金属钛以其工艺流程短，产品质量高，成为在成本上唯一可与现行镁热还原法生产钛相竞争的方法。现有电解方法主要有：1）以石墨碳作为阳极，碳钢棒作为阴极，通过在熔盐中不断的添加TiCl4，将钛离子还原为钛单质。由于TiCl4是共价键分子，在熔盐中的溶解度较低，难以满足工业化生产的需要。2）以TiO2作为阴极，通过将TiO2在阴极电解脱氧后还原为钛单质，但这样得到的产品中氧含量以及杂质含量过高，要降低氧含量必须进行过量电解，造成能耗增加。为解决上述问题，E.Wainer等人通过研究，将含钛原料（例如，TiO和TiC等）的导电固溶体作为阳极进行金属钛的电解取得了良好的效果。但采用E.Wainer等人提出的熔盐电解的方法制备金属钛，在电解初始阶段由于熔盐体系中未形成钛离子的平衡体系，所以从阳极进入熔盐的金属钛离子在熔盐中便直接获得电子形成金属钛，从而使所得的金属钛在到达阴极前便沉于熔盐中，不易吸附在阴极杆上，使得后续对金属钛的提取十分困难。例如，CN101649472公开了一种在上述电解金属钛的熔盐体系中添加2-8重量%的低价钛氯化物的方法，使得电解前，钛离子便可在熔盐体系中达到平衡，所以阴极区在电解初始阶段便存在一定量的金属钛离子，熔盐中的电子主要集中在阴极区进行钛离子的还原，从而可以有效地解决金属钛不易在阴极杆上吸附的问题。然而添加低价钛氯化物后降低了熔盐电解的电流效率，同时也造成了电解能耗成本的增加。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术用于制备金属钛的熔盐体系中电流效率低的缺点，提供一种能够提高在制备金属钛熔盐电解中电流效率的电解质和熔盐及金属钛的制备方法。本专利技术的专利技术人发现，现有技术中造成金属钛熔盐电解中电流效率低的原因在于：电解阳极含钛原料中的钛离子发生还原反应和歧化反应生成低价钛离子（二价钛和三价钛），而且熔盐体系中也存在一定量的低价钛，由于熔盐中同时存在二价钛和三价钛离子，而现有熔盐体系又比较粘稠，不利于两种离子迅速达到阴极被还原为金属钛单质，从而使得已经到达阴极的三价钛离子和仍在阳极的二价钛离子在阴阳极之间循环放电，而造成电解的电流效率低；同时由于阳极区存在大量的低价钛离子，抑制了阳极的溶解；而且循环放电也降低了产品的质量，例如，产品颗粒变细、形貌变差和夹杂电解质多等。本专利技术的专利技术人意外的发现，将氟钛酸盐代替低价氯化钛添加到电解质中，进而制备成熔盐，显著的降低了熔盐的粘稠度、提高了熔盐的流动性，使得熔盐中存在的二价钛离子和三价钛离子在电场力的作用下可迅速迁移至阴极，并在阴极吸附长大形成金属钛，从而有效地防止了阳极区的二价钛离子氧化为三价钛离子、阴极区的三价钛离子还原为二价钛离子导致的循环放电，提高了金属钛熔盐电解中的电流效率；由于存在于阳极区的低价钛可迅速地迁移至阴极并还原为金属钛，降低了阳极区低价钛离子的浓度，提高了阳极的溶解率；同时由于阳极产生的低价钛可迅速的迁移至阴极并还原为金属钛，有效避免了循环放电导致的产品颗粒变细、形貌变差和夹杂电解质多等导致的产品质量变差的缺点，同时也能够保证金属钛在阴极杆上的吸附。基于以上发现，一方面，本专利技术提供了一种用于制备金属钛的电解质，该电解质含有碱金属的卤化物和/或碱土金属的卤化物，其中，该电解质还含有氟钛酸盐。另一方面，本专利技术提供了一种用于制备金属钛的熔盐，其中，该熔盐为将本专利技术提供的用于制备金属钛的电解质熔融后形成。再一方面，本专利技术提供了一种金属钛的制备方法，该方法包括将含钛原料的导电固溶体作为阳极在熔盐中进行电解，制备金属钛单质，其中，所述熔盐为本专利技术提供的用于制备金属钛的熔盐。通过上述技术方案，有效地提高了金属钛熔盐电解中的电流效率，从而提高了阳极的溶解率，改善了产品的质量；同时降低了电解能耗。本专利技术的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。具体实施方式以下对本专利技术的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本专利技术，并不用于限制本专利技术。本专利技术中，术语“电流效率”是指电解时，在电极上实际沉积或溶解的物质的量与按理论计算出的沉积或溶解的量之比，通常用符号η表示：η=m'÷m×100%=m'÷(I×t×k)×100%，其中，η为电流效率；m'为实际产物质量；m为按法拉第定律获得的产物质量；I为电流强度(A)，t为通电时间(h)，k为电化当量(g·/(A×h))。本专利技术中，k值为0.597。一方面，本专利技术提供了一种用于制备金属钛的电解质，该电解质含有碱金属的卤化物和/或碱土金属的卤化物，其中，该电解质还含有氟钛酸盐。本专利技术中，所述电解质中碱金属的卤化物和碱土金属的卤化物的含量，以及氟钛酸盐的含量的可选范围较宽，只要可有效地降低由现有技术的电解质制备成的熔盐的粘稠度即可。优选情况下，以电解质的总重量为基准，所述氟钛酸盐的含量为1-20重量%，所述碱金属的卤化物和碱土金属的卤化物的总含量为80-99重量%；更优选的情况下，以电解质的总重量为基准，所述氟钛酸盐的含量为3-10重量%，所述碱金属的卤化物和碱土金属的卤化物的总含量为90-97重量%。需要说明的是，如果电解质中含有所述碱金属的卤化物和碱土金属的卤化物中的一类物质时（如碱金属的卤化物类物质（包括其中的一种或多种），或者碱土金属的卤化物类物质（包括其中的一种或多种）），所述碱金属的卤化物和碱土金属的卤化物的含量指其中一类物质的含量；如果电解质中含有所述碱金属的卤化物和碱土金属的卤化物中的两类物质时（如碱金属的卤化物类物质（包括其中的一种或多种），以及碱土金属的卤化物类物质（包括其中的一种或多种）），所述碱金属的卤化物和碱土金属的卤化物的含量指两类物质的总含量。根据本专利技术，对所述氟钛酸盐的种类没有特别的限制，只要可降低由本专利技术的电解质制备成熔盐后熔盐的粘稠度，同时所述氟钛酸盐中的金属在金属活动顺序表中位于金属钛的前面即可。出于由本专利技术的电解本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种金属钛的制备方法，该方法包括将含钛原料的导电固溶体作为阳极在熔盐中进行电解，制备金属钛单质，其特征在于，所述熔盐为将如下电解质熔融后形成的熔盐；所述电解质含有氟钛酸盐、碱金属的卤化物和/或碱土金属的卤化物；其中，以电解质的总重量为基准，所述氟钛酸盐的含量为3‑10重量％；所述碱金属的卤化物和碱土金属的卤化物的总含量为90‑97重量％。

【技术特征摘要】
1.一种金属钛的制备方法，该方法包括将含钛原料的导电固溶体作为阳极在熔盐中进行电解，制备金属钛单质，其特征在于，所述熔盐为将如下电解质熔融后形成的熔盐；所述电解质含有氟钛酸盐、碱金属的卤化物和/或碱土金属的卤化物；其中，以电解质的总重量为基准，所述氟钛酸盐的含量为3-10重量％；所述碱金属的卤化物和碱土金属的卤化物的总含量为90-97重量％。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述氟钛酸盐选自碱金属的氟钛酸盐、碱土金属的氟钛酸盐以及氟钛酸铵中的一种或多种。3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述碱金属的氟钛酸金属盐选自氟钛...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱福兴，彭卫星，杨仰军，穆天柱，周玉昌，邓斌，闫蓓蕾，赵三超，穆宏波，
申请(专利权)人：攀钢集团攀枝花钢铁研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：四川,51