[发明专利]一种连续电解制备高纯金属钛粉的装置和方法

说明书

本发明公开了一种连续电解制备高纯金属钛粉的装置和方法。本发明方法通过将一种含钛导电陶瓷阳极、回转阴极在熔盐电解槽内电解，回转阴极连续地将在阴极表面沉积的金属钛粉转移至熔盐上方，卸料刮板刮取金属钛粉后收集，再过滤回收熔盐，分离的金属钛粉冷却后使用除氧去离子水清洗，最后真空干燥得到制备好的金属钛粉。装置包括熔盐电解装置、金属钛粉连续收集装置、过滤装置、清洗装置和真空干燥装置。本发明实现了连续化制备高纯金属钛粉，并可以在线调节制备的金属钛粉的平均粒径，生产效率高，操作简单，产品纯度高。

技术领域

本发明属于有色金属冶炼领域，具体涉及一种连续电解制备高纯金属钛粉的方法和装置。

背景技术

金属钛粉末冶金提供了一种低成本地近净成形具有复杂的结构的金属部件的可能性。金属钛粉末可以先通过与其他金属元素混合或通过预合金化生产，然后通过金属注射成型、热等静压、直接粉末轧制或激光烧结等方法来固结。金属钛粉的质量及成本对其粉末冶金产品质量极为重要。

传统金属钛粉末需要以Kroll工艺制备的金属钛为原料。而Kroll工艺复杂、成本高，该工艺包括在碳存在下氯化TiO₂矿石，并使得到的TiCl₄与镁反应以生产海绵钛。Kroll工艺用于TiCl₄还原和MgCl₂分离是耗时且昂贵的间歇操作，并且纯度难以提高。制备的海绵钛为20mm至50mm的尺寸的多孔聚集体，其中的金属钛颗粒牢固地烧结在一起，在机械方式上几乎不能粉碎，因此，海绵钛不能用于粉末冶金，需要提纯后通过氢化脱氢法(HDH)、雾化法制备金属钛粉。

氢化脱氢法(HDH)是利用钛与氢的可逆特性制备钛粉的一种工艺，钛吸氢后产生脆性，经机械破碎制成氢化钛粉，再将其在真空条件下高温脱氢制取钛粉。此工艺生产的钛粉粒度范围宽、成本低、对原料要求低，目前已经成为国内外生产钛粉的主要方法，但该方法所制备钛粉的O、N含量较高。

雾化法制备金属钛粉是一种将液态金属钛或合金液流破碎成微小熔滴，随后在环境中冷却凝固得到金属态粉末的方法，目前雾化法制备钛粉主要有气体雾化法和离心雾化法，但能耗高、生产效率低。

目前，熔盐电解法制备钛粉正在开发进程中。FFC剑桥工艺(CN1268791C)是英国剑桥大学Fray、Farthing和G.Z.Chen开发的。该工艺是在熔融CaCl₂中用电化学方法直接在阴极还原TiO₂制取钛粉，FFC工艺正处于工业化放大试验中，要解决的问题有钛与盐的分离和C与Fe的污染。另外FFC工艺需要使用高纯度的TiO₂作为原料，原料成本会比较高。

专利CN102905820描述了一种连续方法生产钛粉的方法，但该方法以TiCl₄为原料，在熔盐中与液态金属镁等还原剂反应制备金属钛粉。该方法需要以高纯的TiCl₄为原料，并且需要对还原产物，如MgCl₂，进行电解回收利用。

另外一种熔盐电解法制备钛粉的方法是将含钛的导电陶瓷阳极溶解后在阴极析出金属钛粉。这类方法首先是在1950年代在US2722509、US2868703等专利被描述，2003年开始美国的MER公司持续推进开发这类方法(CN104831318B)，以钛氧化物和碳的复合物作为电解阳极。CN100415940C使用TiO和TiC的复合物原料作为阳极电解制备金属钛。CN102925930B通过两步法电解含钛物料和碳的复合物的阳极制备金属钛粉。这类金属钛粉制备工艺选择钛的氧化钛与碳化钛或者碳的复合物，将复合物烧结为阳极，将该阳极在熔盐内电解，阳极内的低价的钛溶解在熔盐内形成Ti²⁺、Ti³⁺钛离子，钛离子在阴极析出得到金属钛。

现有的电解法制备方法存在不足之处：

1、FFC工艺使用高纯度的TiO₂作为原料，原料成本高，并且阴极制备金属钛的氧含量易超标；