电解电压及掺Mg对熔盐电解TiO2制备Ti的影响

摘要

金属钛具有熔点高、耐腐蚀、密度小、耐高温等优异特点，被称为“航天金属”。目前成熟工业化制备金属钛的Kroll法，存在生产成本高、流程时间长、污染严重、工艺复杂等问题。2000年熔盐电脱氧（FFC法）的提出，通过熔盐作为电解质，高温电解金属氧化物，实现金属和氧的固相分离，一步得到金属单质。该工艺具有生产成本低、工艺简单、周期短、绿色环保等优点。但电解效率低制约其工业发展，因此研究TiO2熔盐电脱氧过程和提高电解效率具有重要意义。　　本论文以FFC法为基础，TiO2粉末压制成型作为阴极，探究在3.2 V电解电压下CaTiO3的形成与电解过程。另外，施加不同电压，CaTiO3的颗粒尺寸变化，提出两段电压法增加电解效率。得到如下结论：　　在3.2 V电压下，TiO2直接电解过程中，短时间内CaTiO3迅速生成，颗粒团聚增大。随着电解时间增长，CaTiO3逐渐被电解，新生成的CaTiO3尺寸变小，且越容易被电解生成钛低价氧化物。电解1～4 h里，CaTiO3微观形貌和颗粒尺寸上有较大差异，Ti2O3含量逐渐增多，所以电解还原前期有CaTiO3直接还原成Ti2O3过程。电解电压越大，CaTiO3生成速率越快，越容易团聚，颗粒尺寸也越大。电压大小直接影响CaTiO3颗粒尺寸大小，因此提出两段电压法，先2.0 V电解1 h,得到小颗粒CaTiO3，然后3.2V继续电解。在15 MPa下压片，电解后阴极产物表面颗粒堆积密集，形成致密层，阻碍熔盐与阴极片内部进行电化学还原，导致内部电解缓慢。降低压片压强（5 MPa），阴极表面颗粒尺寸小，有较多孔隙。低制片压强，两段电压法电解阴极片，产物纯Ti2O3，提高熔盐电脱氧的电解效率。　　在TiO2阴极片中掺入金属Mg进行电解，探究掺Mg阴极片电解后的物相组成和微观形貌。得到以下结论：　　掺Mg质量比有一定范围，掺Mg比例过高阴极片镁热还原剧烈，不易形成完整片，掺Mg过低电解效果不佳，得到掺Mg的最佳比质量比为Mg:TiO2=0.25，阴极片能更快电脱氧得到钛低价氧化物，提高电解效率。掺Mg阴极片起初会生成镁钛矿和MgO前驱体，镁钛矿颗粒较小，孔隙大。电解初期，镁钛矿被迅速电解生成颗粒尺寸较小的CaTiO3，继续电解，小颗粒CaTiO3容易被电解生成钛低价氧化物。另外MgO易溶于CaCl2熔盐中，在阴极片内形成较好的孔隙，促进电解还原。所以掺Mg阴极片能促进整个电化学反应过程。

目录

1 绪 论

1.1 引言

1.2.1 钛的性质

1.2.2 钛的主要用途

1.3 钛金属制备工艺

1.3.1 Kroll法

1.3.2 FFC法

1.4.1 FFC法研究现状

1.4.2 CaTiO3形成研究

1.5 本论文研究目的、内容

2 实验部分

2.1.1 主要原材料

2.1.2 主要设备及仪器

2.2 实验方案

2.3 实验前期准备阶段

2.3.1 TiO2阴极片制备和组装

2.3.2 熔盐的选择

2.3.3 电解过程

2.3.4 阴极产物后处理及检测

3 结果与讨论

3.1.1 电解时间对CaTiO3的影响

3.1.2 电解过程中CaTiO3的畸形生长

3.2 电解电压对CaTiO3的影响

3.2.1 电解电压对CaTiO3形成的影响

3.2.2 电解电压对晶体生长的影响

3.2.3 两段电压法对电解的影响

3.2.4 电解电压和制片压强协同作用对电解TiO2的影响

3.3.1 前言

3.3.2 掺Mg对烧结阴极片的影响

3.3.3 掺不同含量Mg对电解TiO2影响

3.3.4 电解时间对掺Mg阴极片的影响

3.3.5 电解过程中电流的变化情况

4 结论与展望

4.1 结论

4.2 展望

参考文献

附录

A 作者在攻读学位期间发表的科研成果

B 学位论文数据集

致谢