熔盐电解法制备金属钛
从熔盐中电解制取金属钛
从熔盐中电解制取金属钛摘要：从电解质溶液的经典理论、半经验模型和统计学3个方面综述了电解质溶液热力学性质的研究进展，并对各种理论和模型在理论与实践方面的局限性作了相关评述。
从分子、离子角度对电解质溶液的热力学性质进行研究比较，探讨了其宏观热力学性质与微观结构的相关性。
展现了电解质溶液热力学理论研究的热点和未来的发展方向。
关键字：金属钛，熔盐电解，电渣熔炼钛的生产成本高，使其应用受到了限制。
如能从熔盐中直接电解得到钛，就可减少成本。
然而，从熔融盐中电解得到的固态钛很可能是树枝状晶，需要再经过真空电弧重熔。
如果能得到液态钛，上述问题即可迎刃而解。
但因钛的熔点高，高温活性大，保持其液态是非常困难的。
E SR（电渣熔炼）是钢的提纯工艺之一。
在该工艺中。
大电流通过电解槽时产生的热量将自耗电极熔化；电极周围温度可达2000K。
从自耗电极上得到的金属滴收集于金属熔池中。
然后凝固在基板上。
该工艺通常使用交流电，但也可用直流电。
使用直流电，可以掌握电解效果。
1.原理给ESR装置通以反向直流电，电解槽底部的金属熔池即发生阴极反应：Ti4++4e=Ti，原料为TiO2,不能用TiCl4;悬浮于电解槽中央的石墨电极作阳极，反应为:O2-+C=CO+2e；总的反应为：TiO2+2C=Ti+2CO.因此，所用的电解质在相关温度下应保持TiO2具有足够的可溶性，同时其主要成分的电化性能要比TiO2更稳定，故选CaO-CaF2。
2.实验实验装置简图1。
水冷却系统的出入口配有1个流速计和2个温度计。
两种类型的电解容器见图2.容器内为110mm、高400mm，均由铜制的边部坩埚和底座坩埚组成。
图2 两种电解容器简图用带尖头的石墨电极作阳极，直径为40mm,50mm和60mm，长度约为1m。
该电极可借助于电极驱动装置以恒定的速率上下移动。
直径110mm，厚度20mm 的薄Fe板装在底座坩埚上，为阻止与Cu坩埚反应，也可以用敷铁的Cu板代替Fe板。
熔盐电解法制备金属钛
03
适宜的电解时间应根据电极材 料、熔盐组成、电流密度和电 解温度等因素来确定。
04 熔盐电解法制备金属钛的 优缺点
优点
高效率
熔盐电解法是一种高效的制备金属钛的方法，能够在相 对较短的时间内生产大量的钛。
高纯度
通过熔盐电解法制备的金属钛纯度高，适用于高端制造 业和航空航天领域。
ABCD
低能耗
该方法使用的能源相对较低，有助于降低生产成本和减 少环境污染。
3
电解温度的选择通常根据熔盐的物理化学性质、 电极材料的耐热性和电解槽的设计等因素来确定。
电解电压
01
电解电压是熔盐电解法制备金属钛的另一个关键参数，它决 定了电解过程的能量消耗。
02
降低电解电压可以提高电解效率，减少能源消耗，同时降低 环境污染。
03
电解电压的选择与电极材料、熔盐组成、电流密度和电解温 度等因素有关。
优化。
应用前景
航空航天领域
钛合金具有高强度、低密度等优点，在航空航天领域有广 泛应用，熔盐电解法制备金属钛有望成为该领域的重要原 料来源。
能源领域
钛合金在高温和腐蚀性环境下具有优良的耐久性，可用于 制造核反应堆、太阳能热电站等能源设施的关键部件。
汽车工业
随着环保意识的提高，汽车工业正在寻求轻量化材料，钛 合金作为一种高性能材料，有望在汽车工业中得到广泛应 用。
电解过程
01
将电解熔盐加热至适宜的温度，并通入直流电进行电
解。
02
在电解过程中，阳极上二氧化钛发生氧化反应生成钛
离子，阴极上钛离子得到电子还原成金属钛。
03
控制电解参数如电流密度、电解温度和时间，以获得
高质量的金属钛。
金属钛的收集与处理
熔盐电解制备钛及钛合金研究进展_扈玫珑
图 3 T iO2 为阴极时搅 拌电解示意图 ( a)搅拌状态; ( b)无搅拌状态
热化学还原与电化学脱氧联合起来制备金属钛的 研究无论是理论上还是规模上都取得了阶段性的成 果。其优点是 T iO2 没有与阴极引线直接接触, 可以 以粉末形式加入反应器, 更有利于氧的扩散; 钙热还 原是放热反应, 电解反应是吸热反应, 在同一容器里
释仍存在分歧: 一种解释是金属钙在阴极还原金属氧 化物 或化合 物制备 金属 或合 金, 早在 1993年 T H O kabe等人就提出了 CaC l2 熔盐电解脱除金属钛中氧 的研究 [ 13] , 其实质就是利用电解 CaC l2 熔盐中 CaO 得 到金属 Ca来还原钛中的氧, 从而达到降低金属钛中 氧含量的目的; 另外, D J F ray等人在熔盐 CaC l2 中 电解 T iO 2 制备金属钛的研究过程中提出 T iO2 在得到 外界提供的电子后, 电解产生氧负离子通过扩散达到
收稿 日期: 2009- 02- 18 基金 项目: 973计划 资助项目 ( 2007CB613801) 作者 简介: 扈玫 珑 ( 1980 ), 女, 博 士 生, 主 要 从 事 钛 及 二 氧 化 钛 的 研 究 工 作。 通 讯 作 者: 白 晨 光, 教 授, 电 话:
023- 65112631。
第 26卷 第 3期 2009年 6月
Vol 26 No 3 June 2009
熔盐电解制备钛及钛合金研究进展
扈玫珑 1, 2, 白晨光1, 杜继红 3, 邱贵宝 1, 吕学伟 1, 施瑞盟 1
( 1 重庆大学材料科学与工程学院, 重庆 400030) ( 2 清华大学核能与新技术研究院, 北京 100084)
熔盐电解钛酸钙短流程制备金属钛及钛合金的
金属钛的性质与用途
金属钛的性质
金属钛具有轻质、高强度、耐腐蚀等特性，是航空、航天、医疗等领域的重要材料。
金属钛的用途
金属钛主要用于制造飞机、火箭、卫星等航空器，以及医疗器械、化工设备等领域。此外，钛合金也 是一种重要的钛基材料，具有更高的强度和更好的耐腐蚀性能，广泛应用于航空、海洋等领域。
03
熔盐电解钛酸钙制备钛合金
增加设备投入
采用先进的设备和工艺技术可以大幅提高产品质 量和产量。例如，引入现代化的熔盐电解设备和 技术可以增加产能、提高产品质量以及降低生产 成本等。
05
熔盐电解技术的前景及挑战
熔盐电解技术的优势与不足
优势
不足
高效节能：熔盐电解技术能够在较低的温度下进行，相比 传统的高温熔炼方法，具有更高的能源利用效率。
工业化应用
目前，熔盐电解技术已经在工业化生产中得到应用，特别是在钛及钛合金的生 产中。与传统的工艺相比，熔盐电解技术具有更高的生产效率和更低的成本。
熔盐电解应用领域
航空航天领域
医疗领域
由于金属钛具有优异的力学性能和耐 腐蚀性能，因此在航空航天领域得到 了广泛应用。通过熔盐电解技术制备 的金属钛及钛合金可以用于制造飞机 、火箭和卫星等高性能产品。
熔盐电解的电解质通常由多种盐类组成，这些盐类的比例 会对电解过程产生影响。通过优化电解质组成可以改善电 解效率，降低能耗和减少杂质。
优化电解电流
提高电解电流可以增加生产效率，但过高的电流可能会导 致能耗增加和电极腐蚀。因此，需要根据设备条件和生产 要求进行合理设置。
优化电极材料
电极材料的选取对熔盐电解过程的影响至关重要。通过选 用耐腐蚀、导电性能良好的电极材料可以延长电极使用寿 命，提高电解效率。
mer法制备金属钛
mer法制备金属钛以Mer法制备金属钛引言：金属钛具有优异的机械性能和化学稳定性，广泛应用于航空航天、化工、医疗等领域。
而Mer法（Molten Salt Electrolysis Reduction，熔盐电解还原法）是一种重要的金属钛制备方法。
本文将介绍Mer法的基本原理、工艺流程以及该方法的特点和应用。
一、Mer法的基本原理Mer法是一种通过电解熔盐来制备金属的方法。
其基本原理是将钛矿石加入熔盐中，通过电解的方式将钛离子还原为金属钛。
具体过程如下：1. 准备熔盐电解池：将适量的氯化钠（NaCl）和氯化钙（CaCl2）加入容器中，加热至高温使其熔化，形成熔盐电解池。
2. 准备钛矿石：将钛矿石研磨成粉末状，并进行预处理，如酸浸、氧化等。
3. 电解还原：将钛矿石粉末加入熔盐电解池中，通过电流作用下，钛矿石中的钛离子（Ti4+）被还原为金属钛（Ti）。
4. 分离提取：通过特定的分离技术，将金属钛从熔盐中提取出来。
二、Mer法的工艺流程Mer法制备金属钛的工艺流程主要包括钛矿石的预处理、电解还原和分离提取三个步骤。
1. 钛矿石的预处理：将钛矿石进行破碎、研磨等物理处理，以便提高钛矿石的反应性和表面积。
同时，还可以进行酸浸、氧化等化学处理，去除杂质和氧化物，提高钛矿石的纯度。
2. 电解还原：将预处理后的钛矿石粉末加入熔盐电解池中，设置阳极和阴极，并施加电流。
阳极上的氯化钠（NaCl）被氧化为氯气（Cl2），而阴极上的钛离子（Ti4+）则被还原为金属钛（Ti）。
电解过程中，钛矿石的纯度和电流密度等因素会影响金属钛的产率和质量。
3. 分离提取：经过电解还原后，金属钛以固体形式存在于熔盐中。
通过特定的分离技术，如过滤、离心、溶解等，将金属钛从熔盐中提取出来。
此过程中，还需进行一系列的后处理步骤，如洗涤、干燥等，以获得纯度较高的金属钛产物。
三、Mer法的特点和应用Mer法制备金属钛具有以下特点：1. 高效节能：相比于传统的还原法，Mer法在电解过程中不需要额外加热，能够节约能源和成本。
熔盐电脱氧法制备金属Ti的最新研究进展(1)
3国家自然科学基金项目(50374030) 胡小锋:男,1982年生,硕士研究生 许茜:联系人 Tel :024********* E 2mail :qianxu201@熔盐电脱氧法制备金属Ti 的最新研究进展3胡小锋,许 茜,李海滨,马青梅,任东琦(东北大学材料与冶金学院,沈阳110004) 摘要 介绍了熔盐电脱氧法制备金属Ti 的基本原理,分析了熔盐电脱氧法(FFC 法)的优点,并指出了目前该方法遇到的主要问题,评述了FFC 法目前发展的动态,简要介绍了利用FFC 法制备其它金属或合金的情况,并综述了该方法将来的发展前景。
关键词 Ti 熔盐 电脱氧 FFC 法 合金N e w Development of the FFC C ambridge Process for Preparation of TitaniumHU Xiaofeng ,XU Qian ,L I Haibin ,MA Qingmei ,R EN Dongqi(School of Materials and Metallurgy ,Northeastern University ,Shenyang 110004)Abstract The principle of electro 2deoxidation in molten salts is introduced briefly ,which called FFC cam 2bridge process.The advantages and disadvantages of the method are both discussed in detail ,and the new progress on preparation of other metals and alloys by this process is overviewed.At last ,the outlook of the process is presented.K ey w ords Ti ,molten salt ,electro 2deoxidization ,FFC cambridge process ,alloys0 引言自从20世纪40年代Kroll 成功开发熔炼金属Ti 以来,人们一直想尝试用电解法生产金属Ti 。
高温熔融盐法炼钛的工艺
高温熔融盐法炼钛工艺具有技 术创新性，能够推动相关产业
的技术进步和产业升级。
经济性评价
投资回报率
01
高温熔融盐法炼钛工艺的投资回报率较高，能够在较短时间内
实现盈利。
市场竞争
02
高温熔融盐法炼钛产品在市场上具有较强的竞争力，能够获得
较高的市场份额。
可持续发展
Hale Waihona Puke 03高温熔融盐法炼钛工艺具有可持续发展的特点，能够实现资源
反应时间的确定
总结词
反应时间的长短对高温熔融盐法炼钛过程的 影响显著，它决定了反应的充分性和产物的 纯度。
详细描述
在高温熔融盐法炼钛过程中，反应时间的长 短直接影响到反应的进行程度和产物的纯度 。较短的反应时间可能导致反应不充分，降 低钛的提取率；而较长的反应时间可能导致 过度反应和产物的分解，同样降低钛的提取 率。因此，需要根据实际情况选择合适的反 应时间，以保证反应的充分性和产物的纯度
高温熔融盐法炼钛需要专业的操作人员和 技术支持，这些人力成本也是总成本的一 部分。
效益分析
产品品质
高温熔融盐法炼钛能够生产出 高品质的钛产品，具有较高的
附加值和市场竞争力。
生产效率
高温熔融盐法炼钛工艺具有较 高的生产效率，能够实现大规 模、连续化的生产。
资源利用
高温熔融盐法炼钛能够充分利 用原材料和能源，降低资源浪 费和环境污染。
产品检测
对精制后的钛进行化学成分、物理性能等方面的检测，确保产品 质量符合标准要求。
04
高温熔融盐法炼钛的工艺 参数与控制
温度的控制
总结词
温度是高温熔融盐法炼钛过程中的重要参数，它直接影响着反应速率和产品的纯度。
一种熔盐电解制备钛及其合金的装置[实用新型专利]
![一种熔盐电解制备钛及其合金的装置[实用新型专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/b3371e1f7c1cfad6185fa7cc.png)
专利名称：一种熔盐电解制备钛及其合金的装置
专利类型：实用新型专利
发明人：刘战伟,刘瑛鑫,颜恒维,马文会,谢克强,徐宝强,魏奎先,李绍元,秦博,吕国强,陈正杰,雷云,伍继君,于洁,吴
丹丹
申请号：CN202022193281.0
申请日：20200929
公开号：CN213113544U
公开日：
20210504
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本实用新型涉及一种熔盐电解制备钛及其合金的装置，属于熔盐电解技术领域。
该装置包括高温加热炉和熔盐电解槽、阴极和阳极，高温加热炉包括炉体和炉盖，炉盖设置在炉体中心的炉管顶端，熔盐电解槽的底部为双室电解槽，熔盐电解槽的顶部为电解质腔体，电解质腔体内填充有熔盐电解质，熔盐电解槽设置在炉体中心的炉管加热区内，双室电解槽包括阴极室和TiO溶解室，阴极设置在双室电解槽的阴极室内，TiO设置在双室电解槽的TiO溶解室内，阳极设置在熔盐电解质内且位于阴极的正上方。
本装置把二氧化钛溶质和液态金属阴极分开放置，有效避免二氧化钛在液态金属阴极上的沉积，具有电解过程中电流电压稳定，电解产物纯度高的特点。
申请人：昆明理工大学
地址：650093 云南省昆明市五华区学府路253号
国籍：CN
代理机构：天津煜博知识产权代理事务所(普通合伙)
代理人：朱维
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阳极：
2.4
OS法
OS法工艺原理示意图
2.5 EMR／MSE工艺
2.5.1 EMR／MSE工艺 EMR (Electronically MediatedReaction) ／MSE(Molten Salt Electrolysis) 为金属热还原工艺，其实质仍是熔盐电解。 EMR槽为钛还原槽，MSE槽为还原剂生产 槽。 原料可以是TiCl4，也可以是TiO2，
2.3
FFC—剑桥法
2.3.4 FFC法示意流程如下图 ：
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2.3
FFC—剑桥法
在实验中发现，像二氧化钛这样的绝 缘体，也能够有效地起到电解阴极的作用。 这是因为只要有少量的氧气从阴极上开始 迁移，它马上就变成为一个良导体。
2.3
FFC—剑桥法
2.3.5 FFC—剑桥法的优点
(1)可以直接得到纯净钛，甚至用它直接生产出半 成品的钛产品。 （2）制备钛合金所需原材料不是钛盐TiCl4，而 是TiO2。因此可简化原料制造工序，工艺过程可 实现连续化，直接把金属和氧分开而得到合金， 避免了金属重熔过程的能量消耗和烧损。 (3)将绝缘体的氧化物作为电化学电池的阴极，整 个工艺过程中不存在活性强的液态或离子态金属， 可解决合金生产中的氧化和偏析、活性金属的合 金化等问题。
2.3
FFC—剑桥法
2.3.6 FFC—剑桥法需解决的问题
钛与盐的分离 C和Fe的污染
2.4
OS法
由Kyoto大学的Ono和Suzuki在2002年钛协会 年会上首次提出。其实质仍为CaCl2熔盐电解， 是一种在CaCl2熔盐中Ca热还原TiO2的工艺。
其反应可表示为： 阴极： Ca2+ +2e=Ca TiO2 +2Ca=Ti+2Ca2++2O2-
金属钛制备的新工艺-熔盐电解法
刘仁柱、李军良、何庆波、 张辉、周龙飞、温海明、王家平
一、钛金属的基本知识
1、钛的原子序数是22，在元素周期表的 第4周期ⅣB族。 2、钛的性质： 密度小、比强度高 熔点高、优异的耐高温性能 优良的耐蚀性能 良好的低温性能 导热系数及线胀系数较低
3、钛及其合金的应用
钛合金已经成为优异的轻型结构材料、 新型功能材料和重要医学生物材料。 广泛应用于航空航天工业，并逐步向 民用领域开拓，如化工、船舶、汽车、体 育娱乐器材、医疗器械、轻工业、建筑业 等，显示出巨大发展潜力。
钛被誉为“未来金属”和“第三金属”
4、钛在地壳中的含量及存在形式
钛在地壳中的丰度为0．61％ ，其在地壳 中的含量在金属元素中仅次于Al、Fe、Ca、 Na、K、Mg居第七位。 钛矿的存在形式是金红石（TiO2）及钛铁 共生矿（FeO-TiO2）。 我国钛资源极为丰富，已探明的钛资源储 量近9亿t，居世界首位。攀枝花的二氧化 钛储量占全国94%，世界15%。
2.3
FFC—剑桥法
(4)产品适于粉末冶金成形，取消了铸造、 机加工和其他昂贵的加工过程，因此可节 省大量的生产成本，缩短生产周期等。 (5)适用于许多金属氧化物的直接还原，如 Ti，A1，B，Cr，Fe等。尤其适合于那些 加工难、成本高、活性强的金属。
(6)属新型无污染绿色冶金新技术。
5、钛的成本
长期以来，钛的高成本成为扩大民用市场 的瓶颈。钛的成本比钢和铝的高得多：矿的 成本，钛是钢的15倍，铝的3倍；而板材成 本，钛是钢的5O～83倍，铝的1O～25倍
钛与其它金属价格比较
二、钛合金制备的新方法
2.1 钛合金的制备方法
1、Hunter钠还原工艺(钠法)
2、Kroll镁还原工艺(镁法)
2.5 EMR／MSE工艺
2.5.2 EMR／MSE工艺原理图
2.5 EMR／MSE工艺
2.5.3 电化学反应 还原槽发生钛的还原： 阴极 TiO2+4e =Ti+202阳极 Ca =Ca2+ +2e 电解槽生产还原剂： 阴极 C+20 = CO2+4e 阳极 Ca2+ +2e=Ca
2.5 EMR／MSE工艺
2.3
FFC—剑桥法
2.3.2 FFC—剑桥法的原理
该方法是一个固相的电解过程，以多孔粒 状TiO2固体为阴极，碳质材料为阳极，熔 融的CaCl2为电解质。 电解时， 阴极TiO2被分解为海绵状的金属 钛和氧离子，后者溶解于电解质中并到阳 极放电析出氧气，而纯钛则留在阴极上， 海绵钛经轻度破碎研磨，再经水洗即得到 可销售的钛粉。
3、熔盐电解法
FFC一剑桥工艺
OS工艺
EMR／MSE工艺
2.2 当今海绵钛工业发展的两大趋势：
一是镁热法的进一步完善，包括大型化、 机械化、自动化等； 二是新的钛生产方法的研究。
2.3
FFC—剑桥法
2.3.1 FFC—剑桥法的提出
FFC—Cambridge Process，由英国 剑桥大学的金属科学与冶金系的三位科研 人员（ Derek Fary、George Chen、 Tom Farthin）于1997年提出
2.3
FFC—剑桥法
FFC—剑桥法原理如下图所示
作业温度在 900 ℃左右， 电解的槽电压 是3V。
2.3
FFC—剑桥法
2.3.3 电化学反应 整个过程为Ti02(固)电化学脱氧的过程
还原出的纯钛留在阴极，而阳极放电析出 氧气。
2.3
FFC—剑桥法
2.3.4 FFC—剑桥法工艺原则流程如下图所示