熔盐电解及铝热还原法制备金属钛/钛合金的过程研究

摘要

钛属于稀有金属，由于其密度低、强度高、抗疲劳性好、耐腐蚀性强、生物亲和力好等优异的特性，被广泛应用于航空航天、石油化工、生物医学等多个领域。目前，Kroll法是世界上唯一大规模生产金属钛的方法，但被普遍认为存在工艺过程复杂、能耗大、成本高、环境污染严重等缺陷。因此，研究开发一种流程短、成本低且环境友好的钛及其合金制备方法对于扩大钛及其合金的应用具有重要意义。本文主要针对:碳热氯化-熔盐电解新法制钛和真空铝热还原Na2TiF6制备金属钛/钛铝合金两种新工艺流程进行研究。 通过对不同电解工艺的探索实验研究，最终确定了碳热氯化-熔盐电解制取金属钛的工艺方法。在该工艺过程中，研究了电解电压、电解温度、电解时间及阳极球配碳比等工艺条件对电解产物物相的影响，并对钛的形成原理进行了研究。 结果表明:在碳热氯化-熔盐电解制取金属钛粉的过程中，首先进行的是二氧化钛的碳热氯化反应，钛元素以低价钛离子形式进入熔盐中，与熔盐中的氯化物形成复合氯盐，然后复合氯盐在电解槽的阴极被电解生成金属钛。在NaCl-CaCl2熔盐体系中，随着电解电压的升高，阴极产物中钛含量不断增加;随着电解时间增加，电解产物中金属钛的含量升高，但长时间电解会加剧TiC的生成;阳极球中C的配入量升高，有利于单质钛的生成，但过高会导致TiC的生成;在阳极球配碳比为10∶1.5，电解温度为850℃，电解电压为3.5V，电解时间为6h的条件下，可得到含有少量TiC和CaCO3杂相的Ti粉。循环伏安曲线分析结果表明:在该电解质体系中，Ti3+在阴极经两步放电(Ti3+→Ti2+→Ti)生成金属Ti，且Ti2+的还原过程为扩散控制，最小扩散系数为9.04×10-5cm2/s。在NaCl-KCl熔盐体系中，在电解温度为850℃，阳极球配碳比为10∶1.5，电解电压为4.0V，电解时间为5h的条件下，阴极可获得纯度为95.54％的Ti粉;但当电解电压升至4.5V以上后，阳极产物为纯TiC，阴极产物为Ti和TiC的混合物;循环伏安曲线分析结果表明:在该体系中，Ti3+在阴极发生一步还原反应（Ti3++3e-→Ti），直接生成金属钛。 在以Na2TiF6为原料，真空铝热还原法制备Ti及Ti-Al合金的过程中，研究了还原温度、保温时间、铝粉配入量等还原条件对还原过程的影响，并对真空铝热还原过程进行了TG-DSC热分析和热分析动力学计算，探讨了铝热还原的反应机理。 研究结果表明:铝热还原Na2TiF6制取钛的反应初始温度在660℃左右，为放热反应。采用Freeman-Carroll微分法对其进行热分析动力学计算后，得出该反应的表观活化能为3.26×103kJ/mol，反应级数0.81。随着还原温度的升高、保温时间的延长、还原剂Al过量系数的降低，还原获得的金属钛中的铝含量降低，蒸馏产物含钛冰晶石中的钛含量升高。在还原温度为1000℃，保温时间1.5h，还原剂过量系数为-3％，反应升温时间为45min，NaF化学计量数n为3的条件下，可得到氧含量低于0.4％的金属钛粉。还原后所得含钛冰晶石主要物相为冰晶石(Na3AlF6)和亚冰晶石(Na5Al3F14)，另外会含有少量Na3TiF6、低钛化合物或金属Ti等杂质相，其中钛含量为3％～10％。 对铝热还原Na2TiF6制备Ti3Al、TiAl和TiAl3三种钛铝合金粉的反应进行TG-DSC热分析，结果表明上述还原反应均为放热反应，初始反应温度均在660℃左右。采用Freeman-Carroll微分法对其进行热分析动力学计算，得出上述反应的表观活化能分别为6.32×103kJ/mol、7.85×103kJ/mol和3.28×103kJ/mol，反应级数分别为1.79、4.46和1.02。 对铝热还原含钛冰晶石过程的TG-DSC热分析结果表明:铝热还原含钛冰晶石约在780.5℃发生，随着还原剂Al配入量的增加、还原温度的升高，冰晶石中钛的还原率升高，保温时间超过30min后对钛还原率并无明显影响。在1050℃保温30min，Al还原剂与含钛冰晶石配料比为1∶4的条件下，可获得铝钛合金和钛含量低于0.01％的无钛冰晶石，其中无钛冰晶石成分可达到铝用冰晶石的国家标准（GB/T4291-2007）。 碳热氯化-熔盐电解工艺可制取钛含量约95％的金属钛粉，如需进一步提高钛粉的纯度，需要对碳热氯化阶段进行系统实验研究。而铝热还原Na2TiF6可制取氧含量低于0.4％的金属钛粉/钛铝合金粉（粒度小于74μm），该还原过程能耗低、效率高、流程短、成本低、无污染，是一种节能环保的制取金属钛粉/钛铝合金粉的新方法。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1引言

1．2钛及钛合金的基本性质与应用

1．2．1钛及钛合金的基本性质

1．2．2钛及钛合金的应用

1．3钛资源分布

1．3．1全球分布概况

1．3．2我国分布概况

1．4钛及钛合金制备方法与研究现状

1．4．1金属钛的制备方法及研究现状

1．4．2钛合金制备方法及研究现状

1．5国内外钛工业现状及发展趋势

1．5．1国外钛工业现状

1．5．2中国钛工业现状

1．5．3钛工业发展趋势

1．6本论文的研究内容

1．6．1课题的提出

1．6．2主要研究内容

第2章钛的氟化物和氧化物熔盐电解制取Ti的实验研究

2．1引言

2．2熔盐体系的选择

2．3．1实验原料

2．3．2实验装置

2．3．3实验方法

2．3．4实验结果与讨论

2．4 KF-KCl-K2TiF6熔盐体系电解制取Ti的实验研究

2．4．1实验原料

2．4．2实验装置

2．4．3实验方法

2．4．4实验结果与讨论

2．5 KF-KCl-K2Ti6O13熔盐体系电解制取Ti的实验研究

2．5．1实验原料

2．5．2实验装置

2．5．3实验方法

2．5．4实验结果与讨论

2．6以TiO+C为阳极熔盐电解制取Ti的实验研究

2．6．1 TiO+C可溶性阳极的制备

2．6．2无隔板电解槽TiO+C可溶性阳极熔盐电解制取Ti的实验研究

2．6．3隔板式电解槽TiO+C可溶性阳极熔盐电解制取Ti的实验研究

2．7本章小结

第3章碳热氯化-熔盐电解制取钛的实验研究

3．1引言

3．2．1技术原理

3．2．2热力学分析

3．3碳热氯化-熔盐电解制取金属钛实验

3．3．1熔盐电解实验

3．3．2电化学分析实验

3．3．3分析检测方法

3．4电解后坩埚、阳极和阴极的形貌

3．5．1 NaCl-CaCl2熔盐体系阳极球稳定性研究

3．5．2电解电压对电解过程的影响

3．5．3阳极球配碳比对电解过程的影响

3．5．4电解温度对电解过程的影响

3．5．5电解时间对电解过程的影响

3．5．6 NaCl-CaCl2熔盐体系电解机理分析

3．6 NaCl-KCl熔盐体系的电解实验结果与讨论

3．6．1 NaCl-KCl熔盐体系阳极球稳定性研究

3．6．2电解电压对电解过程的影响

3．6．3 NaCl-KCl熔盐体系电解机理分析

3．7本章小结

第4章铝热还原Na2TiF6制取Ti的实验研究

4．1引言

4．2铝热还原Na2TiF6的热力学分析

4．2．1铝作为还原剂的可行性分析

4．2．2铝热还原Na2TiF6的热力学分析

4．2．3铝热还原Na2TiF6制取Ti过程的TG-DSC热分析

4．3铝热还原Na2TiF6制取Ti过程热分析动力学研究

4．3．1非等温热分析研究反应动力学方程的建立

4．3．2 Freeman-carroll法推算热分析动力学参数

4．3．3铝热还原Na2TiF6制取Ti过程热分析动力学计算

4．4铝热还原Na2TiF6制取Ti的实验研究

4．4．1实验

4．4．2实验结果与讨论

4．4．3铝热还原Na／TiF6过程机理

4．5本章小结

第5章铝热还原Na2TiF6制取Ti-Al合金的实验研究

5．1引言

5．2铝热还原Na2TiF6制取Ti-Al合金过程热力学分析

5．3铝热还原Na2TiF6制取Ti-Al合金的实验研究

5．3．2实验装置与实验方法

5．3．3实验结果与讨论

5．3．4铝热还原过程TG-DSC分析及热分析动力学计算

5．4本章小结

第6章含钛冰晶石二次铝热还原的实验研究

6．1引言

6．2两段铝热还原Na2TiF6制取Ti／Ti-Al合金的工艺流程

6．3含钛冰晶石二次铝热还原实验

6．3．1实验原料

6．3．2实验装置与方法

6．4含钛冰晶石二次铝热还原实验结果与讨论

6．4．2铝热还原含钛冰晶石过程TG-DSC分析

6．4．3 Al粉配入量对还原过程的影响

6．4．4还原温度对还原过程的影响

6．4．5保温时间对还原过程的影响

6．5两段铝热还原法制取Ti／Ti-Al合金技术优势

6．6本章小结

第7章结论

7．1结论

7．2展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间成果目录