[发明专利]一种基于液态阴极-可溶性含钛阳极直接电解制备钛合金的方法

说明书

本发明公开了一种基于液态阴极‑可溶性含钛阳极直接电解制备钛合金的方法，属于有色金属提取技术领域。该方法包括以下步骤：将阴极金属放置于盛有熔盐电解质体系的密闭电解槽中，升温熔化制备液态阴极和熔盐电解质；将采用碳热还原高钛渣、钛铁矿等制备的Ti‑C‑O、Ti‑C‑O‑N或硫热还原制备的Ti‑S及Ti‑C‑S化合物悬浮熔炼制备结构致密大尺寸成型阳极；在无低价钛离子熔盐电解质体系中，采用0.1‑0.5A cm^‑2的电流密度直接进行电解制备钛合金。本发明工艺流程短、操作简便，无浓硫酸、氯气等腐蚀性及污染性化学试剂的使用，整个制备过程环境友好，无废水及废气的产生，且对设备要求较低，首次提出直接采用阳极钛源联合液态阴极制备钛合金的方法。

技术领域

本发明属于有色金属提取技术领域，特别涉及钛合金的熔盐制备技术。

背景技术

钛及钛合金因其优异的物理化学性能而被广泛应用于航空、航天、化工、医疗器械、体育器材等领域。钛金属制备全流程主要包括钛精矿提取二氧化钛、Kroll法氯化-镁热还原TiCl₄、钛与其它合金的配料三个流程；且每个流程均存在多单元操作及整个流程中存在氯气、硫酸的使用等缺点。目前，真空自耗熔炼技术为制备钛合金的主要熔炼方法，主要流程包括原料制备→压制制备电极→形成自耗电极→熔炼→铸锭处理→检验等工艺。该工艺存在流程长、设备要求高、能耗高、成本高等缺点。因此，开发低成本钛合金制备工艺已经成为急需解决的问题。

熔盐电解技术近年来被广泛应用于稀土金属、钛精炼、铝电解等领域，存在节能环保、流程短等优势。钛提取工艺中，目前主要有FFC、OS、MER以及USTB等熔盐电解工艺；其中FFC及OS工艺的钛源均来源于阴极，而MER和USTB均是以可溶性阳极为钛源提取金属钛。MER工艺采用氧化钛与碳(Ti_xO_y/C)的混合物阳极，电解过程中存在不同程度的碳残留以及不同氧化物的残留；而USTB工艺是采用碳氧比例为1:1的钛碳氧固溶体(TiC_0.5O_0.5)，整个过程中非金属元素以气体形式排出且无阳极泥的产生。因此，USTB工艺被认为是最具潜力制备金属钛的方法。

利用可溶性阳极制取金属钛的技术方案在中国发明专利申请CN103451682A和CN1712571均有公开，采用TiC和TiO或TiO₂在氩气或氮气气氛环境进行碳热还原制备Ti₂CO或TiC_xO_yN_z固溶体粉末。采用成型的固溶体阳极，利用固态金属电极在非低价钛离子电解质体系中成功制备金属钛。同时，CN109811370A和CN109280941A公开了采用S热还原制备Ti_xS_1-x或TiC_xS_1-x等化合物，该阳极在没有低价钛离子电解质体系中，均可实现固态电极上金属钛的提取。然而，低价钛离子电解质往往采用金属钛还原四氯化钛制备，该过程存在成本高、还原时间长，环境污染、设备腐蚀等缺点。液态金属电极目前广泛应用于稀土合金的制备，存在制备工艺简单、能耗低、电流效率高等优点。

基于可溶性含钛阳极资源化高效利用和钛合金短流程制备的需求，实现一步电解制备短流程、清洁高效的钛合金具有重要的现实意义。本专利首次提出了一种液态阴极-可溶性阳极联合一步电解制备钛合金的工艺。

发明内容

本发明的目的是提供一种液态阴极-可溶性含钛阳极在没有低价钛离子电解质体系中一步电解制备钛合金的方法。所述方法以低熔点金属或合金为液态阴极，电解溶解含钛阳极，实现一步法制备钛合金，有效替代传统长流程熔兑制备钛合金的复杂冶金过程。该方法有效避免废气、废酸及废水的产生，对环境友好；且液态阴极对钛离子还原具有去极化作用，可稳定高效制备。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：