熔盐电解制备高纯钛粉过程中离子价态、杂质含量及粉末特性研究

摘要

由于高纯钛粉具有优异的抗腐蚀、吸气性、无磁性及生物相容性，使其在各行业得到广泛应用。然而，目前高纯钛粉行业发展所面临的两个瓶颈问题是:第一，如何有效降低杂质元素含量;第二，如何控制粉末粒径与形貌。
　　 本文采用熔盐电解法制备高纯钛粉，以海绵钛为阳极原料，纯钛板为阴极， NaCl-KCl为电解质，制备过程如下:升温后加入TiCl4使之与阳极海绵钛反应，在550℃形成NaCl-KCl-TiClx混合熔盐;再在700～950℃、氩气气氛下进行直流电解，在阴极获得钛粉。本文着重从钛离子价态演变、杂质含量、钛粉粒度及形貌等因素出发，进行电解机理和工艺优化研究，最终获得了氧含量低于200ppm、平均粒径60.70μm的高纯钛粉，并得出以下主要结论:
　　 1、钛离子价态变化:(1)气相室加料使熔体中钛离子价态在垂直方向上存在差异，越靠近电解槽底部钛离子的价态越低;(2)随电解时间延长，钛离子价态逐渐降低，电解前期主要以四价钛为主，后期主要以二价钛为主。
　　 2、杂质元素变化:(1)随着电解的进行，与钛电极电位相近的杂质元素Mn、V、Cr、Al的含量在电解前后变化不大，0、N、C等元素在熔盐中含量逐渐增加;(2)以Fe为代表的杂质会在预电解过程中在阴极沉积，可通过预电解脱除Fe等杂质;(3)电解钛的杂质主要存在于枝晶相交处以及晶体内部“坑道”结构中，随着离边界或者内部“坑道”距离越远，杂质含量逐渐降低。其中枝晶边界相交处的杂质元素主要为O、Fe、V、Cl。晶体内部的杂质除0、Fe、V外，还夹有熔盐KCl、NaCl。
　　 3、粉末形貌与粒度:(1)靠近阴极内层的钛粉形貌为致密块状，存在一定的烧结现象，杂质含量相对较高。外层则是枝晶状，纯度高，具有明显的金属光泽。这种结构影响了单炉产量及质量;(2)电流密度和可溶钛浓度降低，可获得细颗粒钛粉。可溶钛浓度对粉末粒度的影响大于电流密度及温度影响。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 钛冶金发展历程

1．3 高纯钛的性质及运用

1．3．1 高纯钛的性质

1．3．2 高纯钛的应用

1．4 高纯钛的制备方法

1．4．1 金属热还原法

1．4．2 碘化法

1．4．3 电子束精炼和区域熔炼法

1．4．4 熔盐电解精炼法

1．4．5 其他方法

1．5 课题的选题意义及主要研究内容

第二章 实验设备及方法

2．1 主要的实验设备及原料

2．2 熔盐选择

2．3 实验流程

2．4 实验原理

2．4．1 阳极反应过程

2．4．2 钛离子迁移

2．4．3 阴极金属的析出

2．5 检测手段与分析方法

第三章 电解精炼过程钛离子价态及杂质演变

3．1 熔盐中钛离子的转变

3．1．1 钛与钛离子问的平衡反应

3．1．2 电解时钛离子价态转变

3．1．3 熔盐中钛离子价态对结晶过程的影响

3．2 杂质含量的变化及存在形式

3．2．1 熔盐中杂质含量变化

3．2．2 晶体中杂质存在形式

3．2．3 其他因素对杂质含量的影响

3．3 本章小结

第四章 电解条件对钛粉形貌与粒度的影响

4．1 熔融盐组分对电解钛粉的影响

4．2 电解工艺参数对形貌和粒度的影响

4．2．1 温度

4．2．2 时间

4．2．3 电流密度与可溶钛浓度

4．2．4 其他因素

4．3 本章小结

第五章 结论

参考文献

致谢

攻读学位期间主要研究成果