專利名稱：一種金屬鈦的制備方法及由該方法得到的金屬鈦的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種金屬鈦的制備方法及由該方法得到的金屬鈦。
背景技術(shù)：
鈦及鈦合金具有密度小、比強(qiáng)度高、耐熱耐低溫性能好、耐蝕性良好以及生物兼容性優(yōu)異等一系列優(yōu)點(diǎn)，因此，具有“未來金屬”、“太空金屬”以及“海洋金屬”的美稱。
鈦屬于稀有金屬，然而，實(shí)際上鈦元素在地殼中的豐度占第七位(O. 45重量％ )， 遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于許多常見的金屬。但是由于鈦的性質(zhì)活潑，對冶煉工藝要求高，使得人們無法制得大量的鈦，因而其被歸類為“稀有”的金屬。目前，國際上唯一通行的金屬鈦的工業(yè)生產(chǎn)方法為Kroll法，該方法包括將含二氧化鈦制成氯化鈦、鎂還原-真空蒸餾、產(chǎn)品后處理以及鎂電解等主要工序；其優(yōu)點(diǎn)在于可以實(shí)現(xiàn)氯、鎂的循環(huán)利用，但是Kroll法存在流程長、還原率低、還原劑價(jià)格較高以及間歇式作業(yè)等缺陷，從而導(dǎo)致金屬鈦生產(chǎn)成本居高不下。隨著鈦金屬從航空航天、軍工到民用工業(yè)應(yīng)用的不斷拓寬，研究開發(fā)鈦冶煉新技術(shù)以降低鈦金屬生產(chǎn)成本已經(jīng)成為鈦冶金行業(yè)的研究熱點(diǎn)。
迄今為止，熔鹽電解法生產(chǎn)鈦被認(rèn)為是最有希望替代Kroll工藝的生產(chǎn)方法。熔鹽電解法通常包括TiO2熔鹽電解、TiCl4熔鹽電解以及鈦的TiO2碳熱還原產(chǎn)物熔鹽電解等。
TiO2熔鹽電解典型工藝為FFC劍橋工藝，S卩，以固體TiO2作為陰極，石墨作為陽極，CaCl2作為電解質(zhì)，當(dāng)外加電壓低于熔鹽的分解電壓時(shí)，陰極上的氧以離子形式進(jìn)入電解質(zhì)，擴(kuò)散到陽極處，與碳結(jié)合生成CO2或CO氣體，在陽極放出，而金屬鈦則被留在陰極上。 與傳統(tǒng)的熔鹽電解法不同，F(xiàn)FC工藝是一種直接將金屬鈦與氧分離得到鈦的全新方法，具有環(huán)境友好、工藝流程短及可實(shí)現(xiàn)連續(xù)化的優(yōu)點(diǎn)；但是到目前為止，F(xiàn)FC工藝只在實(shí)驗(yàn)室獲得了成功，還未實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，究其原因在于FFC工藝存在以下問題TiO2陰極電阻率大，難以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定電解；陰極(TiO2)中的雜質(zhì)將全部殘留在鈦中，得到合格的金屬鈦產(chǎn)品要求高純 TiO2作為原料，導(dǎo)致生產(chǎn)鈦的成本大大增加。
TiCl4熔鹽電解典型工藝為Ginatta電解工藝，美國、日本、前蘇聯(lián)、意大利、法國、 中國等均對其進(jìn)行了長期和深入的研究，也曾建立了幾家小型工廠，但后來由于在實(shí)際生產(chǎn)中出現(xiàn)了問題，如隔膜破壞、枝晶等，未能達(dá)到預(yù)計(jì)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，被迫停產(chǎn)關(guān)閉。
TiO2碳熱還原產(chǎn)物熔鹽電解的典型工藝為MER工藝，即，將TiO2與碳質(zhì)還原劑進(jìn)行球磨混合后，壓制成型并燒結(jié)；或者，將TiO2與碳質(zhì)還原劑混合并燒結(jié)后，再與碳質(zhì)還原劑以及粘結(jié)劑混合、壓制成型并燒結(jié)。該工藝復(fù)雜，且在制備陽極的過程中，如果所述陽極壓制得不夠緊密，則其容易散落， 不能滿足使用的需求；如果陽極壓制得過于緊密，則可能導(dǎo)致在電解過程中帶來陽極極化嚴(yán)重的問題。采用上述壓制成型并燒結(jié)的方法獲得陽極材料，其空隙和孔隙率較低，從而必然導(dǎo)致電解過程中產(chǎn)生的CO等氣體的擴(kuò)散受限，電解效果不佳。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了克服采用現(xiàn)有的方法制備金屬鈦時(shí)，存在工藝復(fù)雜、氣體擴(kuò)散受限、易帶來陽極極化、難以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定電解的缺陷，而提供一種工藝簡單、氣體能夠較容易地?cái)U(kuò)散、 不易極化、電解穩(wěn)定的金屬鈦的制備方法以及由該方法制備得到的金屬鈦。
本發(fā)明提供了一種金屬鈦的制備方法，其中，該方法包括以下步驟
(I)將熔融態(tài)的含鈦原料與碳質(zhì)還原劑接觸，接觸的條件使得所述含鈦原料中的二氧化鈦還原成低價(jià)鈦，并得到熔融態(tài)的含有低價(jià)鈦的還原產(chǎn)物鈦渣；
(2)將步驟(I)得到的熔融態(tài)的含有低價(jià)鈦的還原產(chǎn)物鈦渣冷卻成型，得到具有多孔結(jié)構(gòu)的含鈦材料；所述具有多孔結(jié)構(gòu)的含鈦材料的平均孔直徑為Imm-lOmm，孔隙率為 20% -60% ；
(3)以步驟⑵得到的含鈦材料為陽極，金屬為陰極，熔鹽為電解質(zhì)，在電解條件下進(jìn)行電解，得到金屬鈦單質(zhì)。
此外，本發(fā)明還提供了由上述方法制備得到的金屬鈦單質(zhì)。
本發(fā)明將·熔融態(tài)的含鈦原料與碳質(zhì)還原劑接觸，通過控制接觸條件使得接觸后的還原產(chǎn)物為熔融態(tài)，并將所述熔融態(tài)的還原產(chǎn)物冷卻成型。一方面，所得的熔融態(tài)的還原產(chǎn)物可以直接冷卻成型形成陽極，而不需要將含鈦原料與碳質(zhì)還原劑混合球磨后壓制成陽極再燒結(jié)，也不需要將得到的固態(tài)還原產(chǎn)物與粘結(jié)劑的混合物壓制成陽極后再燒結(jié)，工藝簡單；更為重要的是，本發(fā)明的發(fā)明人意外地發(fā)現(xiàn)，在本發(fā)明的溫度和壓力下接觸后得到的熔融態(tài)的還原產(chǎn)物鈦渣直接冷卻成型，形成的含鈦材料具有平均孔直徑為Imm-lOmm，孔隙率為20% -60%的多孔結(jié)構(gòu)，不但保證了其作為陽極的需求，還可保證電解所產(chǎn)生的CO、CO2 等氣體能夠得到很好地?cái)U(kuò)散；此外，含鈦原料與碳質(zhì)還原劑接觸所得的還原產(chǎn)物可能含有 Ti0、Ti203、Ti305和Ti4O7中的一種或多種，通過控制條件使得接觸后得到的還原產(chǎn)物為熔融態(tài)，并將熔融態(tài)的還原產(chǎn)物直接冷卻成型，能夠保證上述還原產(chǎn)物很好地固溶在一起，得到的陽極組分均勻、電解過程平穩(wěn)。
本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的具體實(shí)施方式
部分予以詳細(xì)說明。
具體實(shí)施方式
以下對本發(fā)明的具體實(shí)施方式
進(jìn)行詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解的是，此處所描述的具體實(shí)施方式
僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限制本發(fā)明。
本發(fā)明提供的金屬鈦的制備方法包括以下步驟
(I)將熔融態(tài)的含鈦原料與碳質(zhì)還原劑接觸，接觸的條件使得所述含鈦原料中的二氧化鈦還原成低價(jià)鈦，并得到熔融態(tài)的含有低價(jià)鈦的還原產(chǎn)物鈦渣；
(2)將步驟(I)得到的熔融態(tài)的含有低價(jià)鈦的還原產(chǎn)物鈦渣冷卻成型，得到具有多孔結(jié)構(gòu)的含鈦材料；所述具有多孔結(jié)構(gòu)的含鈦材料的平均孔直徑為Imm-lOmm，優(yōu)選為 3mm-7mm ;孔隙率為 20% _60%，優(yōu)選為 40% -60% ；
(3)以步驟⑵得到的含鈦材料為陽極，金屬為陰極，熔鹽為電解質(zhì)，在電解條件下進(jìn)行電解，得到金屬鈦單質(zhì)。
本發(fā)明的發(fā)明人意外地發(fā)現(xiàn)，將熔融態(tài)的含鈦原料與碳質(zhì)還原劑接觸，通過控制接觸條件不僅能夠使含鈦原料中的四價(jià)鈦還原成低價(jià)鈦(如三價(jià)、二價(jià)等)，還能夠保證所得的產(chǎn)物為熔融態(tài)、不同價(jià)態(tài)的低價(jià)鈦之間相互作用得以很好地固溶。更為重要的是，將所述熔融態(tài)的含有低價(jià)鈦的還原產(chǎn)物鈦渣自然冷卻成型后，得到的含鈦材料具有多孔結(jié)構(gòu)， 可有效地保證電解時(shí)產(chǎn)生的CO、CO2等氣體能夠得到很好地?cái)U(kuò)散、電解效果非常好。
通常來說，二氧化鈦在熔融鹽電解質(zhì)中具有很小或幾乎沒有溶解性，因此，將其直接作為陽極，電解效果不佳。但是，將高價(jià)鈦還原成低價(jià)鈦后，低價(jià)態(tài)的還原產(chǎn)物在熔鹽中能夠表現(xiàn)出一定的溶解性，即鈦離子從陽極電解溶出，并在陰極還原成金屬鈦單質(zhì)。
根據(jù)本發(fā)明，將含鈦原料與碳質(zhì)還原劑接觸的目的是為了將含鈦原料中的高價(jià)態(tài)還原成低價(jià)鈦，所述低價(jià)鈦中具有空穴，使其性質(zhì)介于導(dǎo)體與半導(dǎo)體之間，能夠提高導(dǎo)電能力，溶解在熔鹽電解質(zhì)中。所述接觸的條件包括接觸的溫度、接觸的壓力和接觸的時(shí)間，其中，所述接觸的條件只要能夠滿足使所述含鈦原料中的二氧化鈦還原成低價(jià)鈦、 并得到熔融態(tài)的含有低價(jià)鈦的還原產(chǎn)物鈦渣即可。優(yōu)選情況下，所述接觸的溫度可以為 1650-2000°C，接觸的壓力可以為-1OOPa至IOOPa(絕對壓力)，接觸的時(shí)間可以為2_10小時(shí)；更優(yōu)選地，所述接觸的溫度為1650-1750°C，接觸的壓力為_50Pa至50Pa(絕對壓力)， 接觸的時(shí)間為3-5小時(shí)。
根據(jù)本發(fā)明，所述含鈦原料中的四價(jià)鈦與碳質(zhì)還原劑中的碳的用量之比可以在較大范圍內(nèi)變動，但由于含鈦原料中通常還含有其他還原性物質(zhì)，例如鐵離子等，因此，為了進(jìn)一步提高還原效果，碳質(zhì)還原劑往往需要稍微過量，優(yōu)選情況下，以二氧化鈦計(jì)，所述含鈦原料中的四價(jià)鈦與碳質(zhì)還原劑中的碳的摩爾比為1: 1-3，進(jìn)一步優(yōu)選為1:1. 5-2. 5。
根據(jù)本發(fā)明，所述含鈦原料可以選自現(xiàn)有的各種含鈦原料，例如，所述含鈦原料可以為鈦精礦和/或含鈦爐渣。所述鈦精礦是從鈦鐵礦或鈦磁鐵礦中采選出來的，其主要成分為二氧化鈦(含量為42-65重量％ )、三氧化二鐵(含量為5-40重量％ )、氧化鐵(含量為5-40重量％ )，以及其他含有少量磷、硫、鎂、鈣元素的化合物(含量之和為2-10重量％ )。所述含鈦爐渣指的是含鈦礦物冶煉提取其他有價(jià)金屬后的殘?jiān)?，其主要成分為二氧化?含量為15-30重量％ )、氧化鈣(含量為10-25重量％ )、氧化鋁(含量為10-20%重量％ )和二氧化硅(含量為10-28重量％ )。
根據(jù)本發(fā)明，所述 碳質(zhì)還原劑可以為現(xiàn)有的各種碳質(zhì)還原劑，只要能將含鈦原料中的高價(jià)鈦還原成低價(jià)鈦即可，例如，所述碳質(zhì)還原劑可以選自無煙煤、煙煤、木炭、焦炭和石油焦中的一種或多種。所述無煙煤為煤化程度最深的煤，含碳量較高，可達(dá)80重量％以上；揮發(fā)物較低，在10重量％以下。所述煙煤的含碳量為75-90重量％。所述木炭的含碳量為65-95重量％。所述焦炭指的是由煙煤在隔絕空氣的條件下，加熱到950-1050°C，經(jīng)過干燥、熱解、熔融、粘結(jié)、固化、收縮等工序制成的，其含碳量為75-85重量％。所述石油焦指的是原油經(jīng)蒸餾將輕重質(zhì)油分離后，重質(zhì)油再經(jīng)熱裂轉(zhuǎn)化而成的產(chǎn)品，從外觀上看，焦炭呈形狀不規(guī)則，大小不一的黑色塊狀(或顆粒)，有金屬光澤，焦炭的顆粒具多孔隙結(jié)構(gòu)，含碳量可達(dá)90重量％以上，其余為氫、氧、氮、硫和金屬元素。
本發(fā)明對作為陰極的金屬的種類沒有特別地限制，只要能與本發(fā)明的陽極配合使用，電解制得金屬鈦單質(zhì)即可。但為了提高所述陽極的使用壽命并提高得到的金屬鈦單質(zhì)的純度，優(yōu)選情況下，作為陰極的金屬可以選自碳鋼、鑰、銅和鎳中的一種或多種。
通常來說，電解質(zhì)指的是溶于水溶液中或在熔融狀態(tài)下就能夠?qū)щ?電解離成陽離子與陰離子)的化合物。本發(fā)明中，為了提高所得金屬鈦單質(zhì)的濃度，減少雜質(zhì)的引入， 以熔鹽作為電解質(zhì)。優(yōu)選情況下，所述熔鹽為堿金屬氯化物和/或堿土金屬氯化物熔融所形成的熔鹽。
根據(jù)本發(fā)明，盡管電解的條件對得到的金屬鈦單質(zhì)的純度不會產(chǎn)生顯著的影響， 但為了兼顧效率和產(chǎn)量，優(yōu)選情況下，所述電解條件包括陽極電流密度為O. 05-2A/cm2,陰極電流密度為O. 05-2A/cm2 ;更優(yōu)選地，所述陽極電流密度為O. 1-lA/cm2,陰極電流密度為 O. 1—lA/cm2。
根據(jù)本發(fā)明，所述熔鹽的溫度，即電解的溫度可以在很大范圍內(nèi)變動，只要滿足高于形成熔鹽的鹽的熔點(diǎn)且低于形成熔鹽的鹽的氣化溫度和分解溫度即可，例如，所述電解的溫度可以為600-900°C，優(yōu)選為600-800°C。電解的時(shí)間可以根據(jù)所要電解的低價(jià)鈦的量以及電解的條件來進(jìn)行合理選擇，使至少90%的低價(jià)鈦轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘兮亞钨|(zhì)為準(zhǔn)。
根據(jù)本發(fā)明，電解生成的金屬鈦在上述電解的溫度下易與空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)，因此，為了提高得到的金屬鈦的純度，優(yōu)選情況下，所述電解在惰性氣體中進(jìn)行。所述惰性氣體可以選自氮?dú)夂驮刂芷诒砹阕鍤怏w中的一種或幾種，優(yōu)選為氬氣。
此外，本發(fā)明還提供了通過上述方法制備得到的金屬鈦。
本發(fā)明并不限于上述實(shí)施方式中的具體細(xì)節(jié)，在本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思范圍內(nèi)，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行多種簡單變型，這些簡單變型均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
此外，本發(fā)明的各種不同的實(shí)施方式之間也可以進(jìn)行任意組合，只要其不違背本發(fā)明的思想，其同樣應(yīng)當(dāng)視為本發(fā)明所公開的內(nèi)容。
以下將通過實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的描述。
實(shí)施例和對比例中采用掃描電子顯微鏡(購自Hitachi公司，型號為S-4700)測得所述含鈦材料的平均孔直徑；并采用氮吸附法測得相應(yīng)的孔隙率。
實(shí)施例1
該實(shí)施例用于說明本發(fā)明提供的金屬鈦單質(zhì)的制備。
將IOOg熔融態(tài)的攀枝花鈦精礦(其中，TiO2的含量為47. 5重量％、Fe2O3的含量為5. 74重量％、FeO的含量為34. 48重量％、CaO的含量為1. 42重量％、MgO的含量為 6.22重量％)與14g的無煙煤(其中，碳的含量為78.5重量％)加入電爐中，在溫度為 1750°C、壓力為_50Pa(絕對壓力)的條件下冶煉5小時(shí)，得到熔融鈦渣。將上述熔融鈦渣注入Φ400Χ600的鑄鋼模具中，冷卻成型，得到具有多孔結(jié)構(gòu)的含鈦材料，其中，所述含鈦材料的平均孔直徑為5. 75mm，孔隙率為45%。將該含鈦材料作為陽極，Φ80 X 600的碳鋼棒作為陰極，NaCl-KCl作為熔鹽電解質(zhì)，在氬氣保護(hù)的條件下于820°C電解300min，其中， 陽極電流密度為O. 2A/cm2,陰極電流密度為O. 2A/cm2。電解完成后，將陰極取出、自然冷，并依次用0.5重量％的稀鹽酸和去離子水洗滌、烘干，得到含金屬鈦單質(zhì)的產(chǎn)物22. 5g，用X熒光分析法測量得到的金屬鈦單質(zhì)的產(chǎn)物的元素組成如下Ti的含量為98. 5重量％、Fe的含量為O. 95重量％、O的含量為O. 37重量％、H的含量為O. 18重量％。
實(shí)施例2
該實(shí)施例用于說明本發(fā)明提供的金屬鈦單質(zhì)的制備。
將60g熔融態(tài)的攀枝花鈦精礦(其中，TiO2的含量為47. 5重量％、Fe203的含量為 5. 74重量％、FeO的含量為34. 48重量％、CaO的含量為1. 42重量％、MgO的含量為6. 22重量％ )、40g的云南鈦精礦(其中，TiO2的含量為49. 85重量％ ,Fe2O3的含量為9. 68重量％、 FeO的含量為36. 50重量％、CaO的含量為O. 24重量％、MgO的含量為1. 99重量％ )與20g的無煙煤(其中，碳的含量為78. 5重量％)加入電爐中，在溫度為1650°C、壓力為50Pa (絕對壓力)的條件下冶煉3小時(shí)，得到熔融鈦渣。將上述鈦渣注入Φ 300 X 600的鑄鋼模具中， 冷卻成型，得到具有多孔結(jié)構(gòu)的含鈦材料，其中，所述含鈦材料的平均孔直徑為6. 5mm，孔隙率為55.3%。將該含鈦材料作為陽極，Φ60Χ600的碳鋼棒作為陰極，NaCl-KCl作為熔鹽電解質(zhì)，在惰性氣氛下于900°C電解300min，其中，陽極電流密度為2A/cm2，陰極電流密度為 lA/cm2。電解完成后，將陰極取出、自然冷，并依次用O. 5重量％的稀鹽酸和去離子水洗滌、 烘干，得到含金屬鈦單質(zhì)的產(chǎn)物23g，用X熒光分析法測量得到的金屬鈦單質(zhì)的產(chǎn)物的元素組成如下=Ti的含量為97. 78重量％、Fe的含量為O. 85重量％、O的含量為1.25重量％、 H的含量為O. 12重量％。
實(shí)施例3
該實(shí)施例用于說明本發(fā)明提供的金屬鈦單質(zhì)的制備。
將IOOg熔融態(tài)的云南鈦精礦(其中，1102的含量為49.85重量％{6203的含量為 9. 68重量％、FeO的含量為36. 50重量％、CaO的含量為O. 24重量％、MgO的含量為1. 99重量％)與22g的焦炭(其中，碳的含量為85. 5重量％)加入電爐中，在溫度為1700°C、壓力為5Pa (絕對壓力)的條件下冶煉4小時(shí)，得到熔融鈦渣。將上述鈦渣注入Φ 200 X 400的鑄鋼模具中，冷卻成型，得到具有多孔結(jié)構(gòu)的含鈦材料，其中，所述含鈦材料的平均孔直徑為3. 5mm，孔隙率為60%。將該含鈦材料作為陽極，Φ 50 X 400的碳鋼棒作為陰極，NaCl-KCl 作為熔鹽電解質(zhì)，在惰性氣氛下于850°C電解210min，其中，陽極電流密度為lA/cm2，陰極電流密度為1. 5A/cm2。電解完成后，將陰極取出、自然冷，并依次用O. 5重量％的稀鹽酸和去離子水洗滌、烘干，得到含金屬鈦單質(zhì)的產(chǎn)物23. 5g，采用X熒光分析方法測量得到的金屬鈦單質(zhì)的產(chǎn)物的元素組成如下=Ti的含量為98. 28重量％、Fe的含量為O. 55重量％、O的含量為1.05重量％、H的含量為O. 12重量％。
實(shí)施例4
該實(shí)施例用于說明本發(fā)明提供的金屬鈦單質(zhì)的制備。
按照實(shí)施例2的方法制備金屬鈦單質(zhì)，不同的是，所述熔融態(tài)的攀枝花鈦精礦與無煙煤接觸的溫度為1600。電解完成后，將陰極取出、自然冷，并依次用O. 5重量％的稀鹽酸和去離子水洗滌、烘干，得到含金屬鈦單質(zhì)的產(chǎn)物20g，用半定量分析測量得到的金屬鈦單質(zhì)的產(chǎn)物的元素組成如下Ti的含量為97. 5重量％、Fe的含量為1. 55重量％、0的含量為1.25重量％、H的含量為O. 12重量％。
對比例I
該對比例用于說明參比金屬鈦單質(zhì)的制備。
根據(jù)實(shí)施例1的方法制備金屬鈦，不同的是，制備金屬鈦所用的陽極通過如下方法制備得到
將IOOg攀枝花鈦精礦(其中，TiO2的含量為47. 5重量％、Fe203的含量為5. 74重量％460的含量為34. 48重量％、CaO的含量為1. 42重量％、MgO的含量為6. 22重量％ ) 與Hg的無煙煤(其中，碳的含量為78. 5重量％ )加入電爐中，在溫度為1750°C、壓力為-50Pa(絕對壓力)的條件下冶煉5小時(shí)，得到熔融鈦渣。將得到的熔融態(tài)的鈦渣冷卻后裝入到Φ400Χ600的鑄鋼模具中，并在50，OOOpsi壓力下壓制成型，得到成含鈦材料。其中，所述含鈦材料的平均孔直徑為200nm，孔隙率為10%。電解完成后，將陰極取出、自然冷，并依次用O. 5重量％的稀鹽酸和去離子水洗滌、烘干，得到含金屬鈦單質(zhì)的產(chǎn)物11. 9g， 用X熒光分析法測量得到的金屬鈦單質(zhì)的產(chǎn)物的元素組成如下Ti的含量為97重量％、Fe 的含量為1. 95重量％、O的含量為O. 57重量％、H的含量為O. 48重量％。
對比例2
該對比例用于說明參比金屬鈦單質(zhì)的制備。
根據(jù)實(shí)施例1的方法制備金屬鈦，不同的是，制備金屬鈦所用的陽極通過如下方法制備得到
將IOOg攀枝花鈦精礦(其中，TiO2的含量為47. 5重量％、Fe203的含量為5. 74重量％、FeO的含量為34. 48重量％、CaO的含量為1. 42重量％ ,MgO的含量為6. 22重量％ )與 14g的無煙煤(其中，碳的含量為78. 5重量％ )在球磨罐中球磨60min后，注入Φ 200 X 400 的鑄鋼模具中，在50，OOOpsi壓力下壓制成型后，在1750°C、壓力為_50Pa (絕對壓力)的條件下燒結(jié)5小時(shí)得到含鈦材料。其中，所述含鈦材料的平均孔直徑為300nm，孔隙率為15%。 電解完成后，將陰極取出、自然冷，并依次用O. 5重量％的稀鹽酸和去離子水洗滌、烘干，得到含金屬鈦單質(zhì)的產(chǎn)物12. lg，用X熒光分析法測量得到的金屬鈦單質(zhì)的產(chǎn)物的元素組成如下=Ti的含量為97. 08重量％、Fe的含量為1. 45重量％、O的含量為O. 57重量％、H的含量為O. 48重量％。
權(quán)利要求
1.一種金屬鈦的制備方法，其特征在于，該方法包括以下步驟 (1)將熔融態(tài)的含鈦原料與碳質(zhì)還原劑接觸，接觸的條件使得所述含鈦原料中的二氧化鈦還原成低價(jià)鈦，并得到熔融態(tài)的含有低價(jià)鈦的還原產(chǎn)物鈦渣； (2)將步驟(I)得到的熔融態(tài)的含有低價(jià)鈦的還原產(chǎn)物鈦渣冷卻成型，得到具有多孔結(jié)構(gòu)的含鈦材料；所述具有多孔結(jié)構(gòu)的含鈦材料的平均孔直徑為Imm-lOmm，孔隙率為20% -60% ； (3)以步驟(2)得到的含鈦材料為陽極，金屬為陰極，熔鹽為電解質(zhì)，在電解條件下進(jìn)行電解，得到金屬鈦單質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，步驟(I)中，所述接觸的條件包括接觸的溫度為1650-2000°C ;接觸的壓力為-1OOPa至IOOPa ;接觸的時(shí)間為2_10小時(shí)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，步驟(I)中，以二氧化鈦計(jì)，所述含鈦原料中的四價(jià)鈦與碳質(zhì)還原劑中的碳的摩爾比為1: 1-3。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的方法，其中，步驟(I)中，所述含鈦原料為鈦精礦和/或含鈦爐渣。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的方法，其中，步驟(I)中，所述碳質(zhì)還原劑選自無煙煤、煙煤、木炭、焦炭和石油焦中的一種或多種。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，步驟(2)中，所述具有多孔結(jié)構(gòu)的含鈦材料的平均孔直徑為3mm-7mm，孔隙率為40% -60%。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，步驟(3)中，作為陰極的金屬選自碳鋼、鑰、銅和鎳中的一種或多種。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，步驟(3)中，所述熔鹽為熔融態(tài)的堿金屬氯化物和/或堿土金屬氯化物。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，步驟(3)中，所述電解條件包括陽極電流密度為O.05-2A/cm2 ;陰極電流密度為O. 05_2A/cm2 ;電解溫度為600_900°C。
10.權(quán)利要求1-9中任意一項(xiàng)所述的方法制備得到的金屬鈦。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種金屬鈦的制備方法，其中，該方法包括以下步驟(1)將熔融態(tài)的含鈦原料與碳質(zhì)還原劑接觸，接觸的條件使得所述含鈦原料中的二氧化鈦還原成低價(jià)鈦，并得到熔融態(tài)的含有低價(jià)鈦的還原產(chǎn)物鈦渣；(2)將步驟(1)得到的熔融態(tài)的含有低價(jià)鈦的還原產(chǎn)物鈦渣冷卻成型，得到具有多孔結(jié)構(gòu)的含鈦材料；所述具有多孔結(jié)構(gòu)的含鈦材料的平均孔直徑為1mm-10mm，孔隙率為20％-60％；(3)以步驟(2)得到的含鈦材料為陽極，金屬為陰極，熔鹽為電解質(zhì)，在電解條件下進(jìn)行電解，得到金屬鈦單質(zhì)。采用本發(fā)明提供的方法工藝簡單，陽極電阻率小、不易極化，電解容易，且最終陰極產(chǎn)物金屬鈦的純度較高。
文檔編號C25C3/26GK103031577SQ20111029365
公開日2013年4月10日 申請日期2011年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月30日
發(fā)明者周玉昌, 穆天柱, 閆蓓蕾, 趙三超, 楊仰軍 申請人:攀鋼集團(tuán)攀枝花鋼鐵研究院有限公司