1.本发明涉及熔盐电解法生产金属纯钛技术领域，尤其涉及一种金属钛冶炼
装置及其冶炼方法。
背景技术：
2.金属钛具有密度低、高熔点、优异的导电性能及与人体的生物相容性。但是这样一种各项性能优异的金属材料，销售价格因生产工艺的问题而比较昂贵。在地壳中元素含量的分布，钛元素比锌、铬、铜等元素含量均高很多。自20世纪40年代人类开始工业化生产金属钛开始，一直面临着钛生产工艺间歇式生产、能耗高、环境污染大的问题，这些问题直接导致金属钛生产成本较高，同时也限制了金属钛更广阔的应用。
3.现行的工业生产kroll法问世以后，包括kroll本人也认为熔盐电解法会取代kroll法制备金属钛。随后几十年间，各国冶金学家，一直主要致力于熔盐电解法对金属钛的冶炼。但是目前采用该种制备工艺存在工艺流程长，能耗大等缺点，仍制约金属钛的制备。
技术实现要素：
4.针对上述存在的问题，本发明旨在提供一种金属钛冶炼装置及其冶炼方法，其有效的解决了cl2长距离运输、输送的问题，同时避免了ticl的运输问题，能够简化工艺流程，同时节能环保，有助于金属钛加快其制备，并具有推广应用作用。
5.为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：一种金属钛新型冶炼装置，其特征在于：
所述冶炼装置包括依次连接的氧化钛熔盐氯化装置、氯化钛分离装置、氯化钛还原装置及氯化钛电解装置，在所述氯化钛电解装置与熔盐氯化装置之间还设置有冶炼循环装置。
6.优选的，所述氧化钛熔盐氯化装置包括具有电加热结构的氯化槽，其底端设置有cl2通入管；
7.所述氯化钛分离装置包括在氯化槽顶端设置的ticl4导管，在所述ticl4导管顶端一侧贯通连接有ticl4冷却室，在所述ticl4冷却室底部贯通连接有ticl4排出管；
8.所述氯化钛电解装置包括在所述ticl4排出管底部设置的
电解槽，所述电解槽内盛装有覆盖所述ticl4气室的
电解质，所述电解槽内两侧设置有插入到所述电解质中的阳极电解柱和阴极电解柱；
9.所述氯化钛还原装置为在所述电解槽内底部设置的与所述ticl4排出管贯通的ticl4气室。
10.优选的，所述冶炼循环装置为在所述阳极电解柱外套设有伸入所述电解质中且与所述氯化槽贯通的cl2循环管，在所述ticl2排出管上还设置有控制阀。
11.一种金属钛的冶炼方法，其特征在于，包括以下步骤：
12.(1)、tio2熔盐氯化
13.在氯化槽中加入定量的氯化物熔盐，并在氯化槽内添加tio2和c原料，并弥散在该氯化物熔盐中，保持氯化槽的温度为600-900℃，通过cl2通入管控制cl2的加入量，应使得其完全转化为ticl4，氯化槽内发生如下反应：
14.tio2+c+cla一ticl4+co
x
；
15.(2)、ticl4的分离
16.氯化槽中反应中得到的ticl4，通过ticl4导管逸出到达ticl4冷却室中，在ticl4冷却室中冷却富集成液态ticl4；
17.(3)、ticl4还原
18.通过控制所述控制阀，将ticl4冷却室中的ticl不断加入到电解槽中的ticl4气室中，同时液态的ticl4被加热汽化；
19.(4)、ticl4的电解
20.电解槽中加入氯化物熔盐，当ticl进入ticl4气室后，与熔体中ticl2反应，不断溶解进入电解质中；
21.电解开始后，熔体中ticl
x
(x＝2，3，4)迁移到阴极，发生反应ti+xe
→
ti(x＝2，3，4)，还原为纯钛；
22.clt迁移到阳极，发生反应2ct-2e
→
cl2(g)，生成的cl2经cl2循环管循环到氯化槽底部，继续参与tio2的氯化。
23.优选的，所述电解质采用氯化物熔盐，所述阳极电解柱为惰性阳极或碳材料，阴极电解柱为金属材料。
24.优选的，所述电解槽的电流密度范围分别为：阳极，0.05a/cm2～1.00a/cm2、阴极，0.10a/cm2～1.00a/cm2。
25.优选的，所述电解质为cacl2、licl、nacl、kcl、mgcl2、aicl3中的一种或多种及与ticl3、ticl2中的一种或两种混合而成。
26.一个电解周期结束后，将阴极产物用去离子水反复清洗以除去来自电解液的氯化物，更换新的阴极，实现连续电解。
27.本发明的有益效果是：将tio2氯化与ticl4的还原在距离很近的区域内进行，氯化槽部分tio2氯化产物ticl，经过汽化及液化的过程达到分离、提纯的目的，且省略了ticl、cl2长距离运输、输送的问题，避免了ticl的运输问题，能够简化工艺流程，同时节能环保；在进行ticl还原电解过程，电解槽内部有专门的ticl4气室，可以保证ticl4能够有足够的时间溶解进入电解质中，从而保证电解的顺利进行。
28.本发明提供的冶炼装置及冶炼方法能够实现节能环保，并且连续的低成本生产金属钛的优点。
附图说明
29.图1为本发明冶炼装置整体结构示意图。
具体实施方式
30.为了使本领域的普通技术人员能更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的描述。
31.参照附图1所示的一种金属钛新型冶炼装置，所述冶炼装置包括依次连接的氧化钛熔盐氯化装置、氯化钛分离装置、氯化钛还原装置及氯化钛电解装置，在所述氯化钛电解装置与熔盐氯化装置之间还设置有冶炼循环装置。该冶炼装置的冶炼原理为：在所述氧化钛熔盐氯化装置中加入氯化物熔盐和氧化钛原料，将氧化钛物原料进行氯化得到ticla，将其通入到氯化钛分离装置中进行分离，形成液态氯化钛物，并将其加入至氯化钛还原装置被还原，还原物加入至氯化钛电解装置中继续电解，并最终形成金属钛。而通过冶炼循环装置将熔盐氯化装置产生的氯化气体循环到氧化钛熔盐氯化装置中，继续参与金属钛的氯化。
32.具体的，如图1所示，所述氧化钛熔盐氯化装置包括具有电加热结构的氯化槽1，其底端设置有cl2通入管2；
33.所述氯化钛分离装置包括在氯化槽1顶端设置的ticl4导管3，在所述ticl4导管3顶端一侧贯通连接有ticl4冷却室4，在所述ticl4冷却室4底部贯通连接有ticl4排出管5；
34.所述氯化钛电解装置包括在所述ticl4排出管5底部设置的电解槽6(优选的，如图1所示，其与氯化槽1为同心圆结构设置)，所述电解槽6内盛装有覆盖所述ticl4气室的电解质，所述电解槽6内两侧设置有插入到所述电解质中的阳极电解柱71和阴极电解柱72；所述氯化钛还原装置为在所述电解槽6内底部设置的与所述ticl4排出管5贯通的ticl4气室8。
35.所述冶炼循环装置为在所述阳极电解柱71外套设有伸入所述电解质中且与所述氯化槽1贯通的cl2循环管9。在所述ticl4排出管上还设置有控制阀10，以控制ticl4通入至ticl4气室8中的流速，同时在进入的过程中汽化成气态。
36.实施例一
37.根据上述冶炼装置的具体结构进行金属钛的冶炼，其具体步骤如下：
38.(1)、tio2熔盐氯化
39.在氯化槽1中加入等摩尔的氯化物熔盐(如nacl、kcl)，并在氯化槽1内添加tio2和c原料构成熔体，并弥散在该氯化物熔盐中，保持氯化槽1的温度为600℃，通过cl2通入管2控制cl2的加入量，应使得其完全转化为ticl4，氯化槽1内发生如下反应：
40.tio2+c+cl4一ticla+cox；
41.由于生成的ticl4沸点为136℃，远远低于加热后的熔体温度，所以还原后的ticl4，以气态形式从氯化物熔体中逸出。
42.(2)、ticl4的分离
43.氯化槽1中反应中得到的ticl4，通过ticl4导管3逸出到达ticl4冷却室4中，在ticl4冷却室4中冷却富集成液态ticl4；在氯化槽1顶部由于温度降低到ticl4沸点以下，ticl4冷却成液态，富集在ticl4冷却室4中。
44.(3)、ticl4还原
45.通过控制所述控制阀10，将ticl4冷却室4中的ticl不断加入到电解槽中的ticl4气室8中，同时液态的ticl4被加热汽化。其中ticl4气室8有助于ticl4溶解进入到电解液中，提高ticl4一次溶解效率。
46.(4)、ticl4的电解
47.电解槽6中加入氯化物熔盐，当ticl4进入ticl4气室8后，与熔体中ticl2反应，通过气液界面不断溶解进入电解质中。
48.电解开始后，阳极电流密度范围为0.05a/cm2、阴极电流密度范围为0.10a/cm2，熔体中ticl
x
(x＝2，3，4)迁移到阴极，发生反应ti+xe
→
ti(x＝2，3，4)，还原为纯钛；
49.clt迁移到阳极，发生反应2ct-2e
→
cl2(g)，生成的cl2经cl2循环管9循环到氯化槽1底部，继续参与tio2的氯化。
50.在电解槽6中，ticla、ticl3、ticla被还原成为ti和cl2，cl2被cl2循环管9通入到氯化槽1中，重复利用在tio2氯化环节，达到节能环保的目的。
51.优选的，所述电解质采用氯化物熔盐，包括如cacl2、licl和ticl3、混合而成。
52.所述阳极电解柱71为惰性阳极，阴极电解柱72为金属材料(优选为铜)。
53.实施例二
54.一种金属钛的冶炼方法，其特征在于，包括以下步骤：
55.(1)、tio2熔盐氯化
56.在氯化槽中加入定量的氯化物熔盐，并在氯化槽内添加tio2和c原料，并弥散在该氯化物熔盐中，保持氯化槽的温度为700℃，通过cl2通入管控制cl2的加入量，应使得其完全转化为ticl4，氯化槽内发生如下反应：
57.tio2+c+cla一ticl4+co
x
；
58.(2)、ticl4的分离
59.氯化槽中反应中得到的ticl4，通过ticl4导管逸出到达ticl4冷却室中，在ticl4冷却室中冷却富集成液态ticl4；
60.(3)、ticl4还原
61.通过控制所述控制阀，将ticl4冷却室中的ticl不断加入到电解槽中的ticl4气室中，同时液态的ticl4被加热汽化；
62.(4)、ticl4的电解
63.电解槽中加入氯化物熔盐，当ticl4进入ticl4气室后，与熔体中ticl2反应，不断溶解进入电解质中；
64.电解开始后，熔体中ticl
x
(x＝2，3，4)迁移到阴极，发生反应ti+xe
→
ti(x＝2，3，4)，还原为纯钛；
65.clt迁移到阳极，发生反应2ct-2e
→
cl2(g)，生成的cl2经cl2循环管循环到氯化槽底部，继续参与tio2的氯化。
66.优选的，所述电解质采用氯化物熔盐，所述阳极电解柱为碳材料(如石墨)，阴极电解柱为金属材料(优选为钛)。
67.优选的，所述电解槽的电流密度范围分别为：阳极，0.5a/cm2、阴极，0.60a/cm2。
68.优选的，所述电解质为nacl、kcl和ticl2混合而成。
69.实施例三
70.一种金属钛的冶炼方法，其特征在于，包括以下步骤：
71.(1)、tio2熔盐氯化
72.在氯化槽中加入定量的氯化物熔盐，并在氯化槽内添加tio2和c原料，并弥散在该氯化物熔盐中，保持氯化槽的温度为900℃，通过cl2通入管控制cl2的加入量，应使得其完全转化为ticl4，氯化槽内发生如下反应：
73.tio2+c+cla一ticl4+co
x
；
74.(2)、ticl4的分离
75.氯化槽中反应中得到的ticl4，通过ticl4导管逸出到达ticl4冷却室中，在ticl4冷却室中冷却富集成液态ticl4；
76.(3)、ticl4还原
77.通过控制所述控制阀，将ticl4冷却室中的ticl不断加入到电解槽中的ticl4气室中，同时液态的ticl4被加热汽化；
78.(4)、ticl4的电解
79.电解槽中加入氯化物熔盐，当ticl4进入ticl4气室后，与熔体中ticl2反应，不断溶解进入电解质中；
80.电解开始后，熔体中ticl
x
(x＝2，3，4)迁移到阴极，发生反应ti+xe
→
ti(x＝2，3，4)，还原为纯钛；
81.clt迁移到阳极，发生反应2ct-2e
→
cl2(g)，生成的cl2经cl2循环管循环到氯化槽底部，继续参与tio2的氯化。
82.优选的，所述电解质采用氯化物熔盐，所述阳极电解柱为碳材料，阴极电解柱为金属材料(优选为碳钢)。
83.优选的，所述电解槽的电流密度范围分别为：阳极，1.00a/cm2、阴极，1.00a/cm2。
84.优选的，所述电解质为mgcl2、aicl3和ticl3混合而成。
85.本发明的原理是：该冶炼方法使用c及cl2将tio2在氯化槽1内加热氯化还原得到ticl4，气态ticl4通过ticl4导管3，到ticl4冷却室4中冷却和富集，再通过控制阀10到ticl4气室8，在ticl4气室8中ticl4不断溶解到电解质中，并与电解质中的低价钛反应生成ticl2和ticl3，生成的ticl2和ticl3及未反应的ticl4的在电解槽6阴极附近通过电解沉积，得到金属钛，阳极得到通过cl2循环管9进入熔盐氯化环节，实现整个装置的闭路。
86.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
技术特征：
1.一种金属钛新型冶炼装置，其特征在于：所述冶炼装置包括依次连接的氧化钛熔盐氯化装置、氯化钛分离装置、氯化钛还原装置及氯化钛电解装置，在所述氯化钛电解装置与熔盐氯化装置之间还设置有冶炼循环装置。2.根据权利要求1所述的一种金属钛新型冶炼装置，其特征在于：所述氧化钛熔盐氯化装置包括具有电加热结构的氯化槽(1)，其底端设置有cl2通入管(2)；所述氯化钛分离装置包括在氯化槽(1)顶端设置的ticl4导管(3)，在所述ticl4导管(3)顶端一侧贯通连接有ticl4冷却室(4)，在所述ticl4冷却室(4)底部贯通连接有ticl4排出管(5)；所述氯化钛电解装置包括在所述ticl4排出管(5)底部设置的电解槽(6)，所述电解槽(6)内盛装有覆盖所述ticl4气室的电解质，所述电解槽(6)内两侧设置有插入到所述电解质中的阳极电解柱(71)和阴极电解柱(72)；所述氯化钛还原装置为在所述电解槽(6)内底部设置的与所述ticl4排出管(5)贯通的ticl4气室(8)。3.根据权利要求2所述的一种金属钛新型冶炼装置，其特征在于：所述冶炼循环装置为在所述阳极电解柱(71)外套设有伸入所述电解质中且与所述氯化槽(1)贯通的cl2循环管(9)，在所述ticl2排出管上还设置有控制阀(10)。4.根据权利要求3所述的冶炼装置的冶炼方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)、tio2熔盐氯化在氯化槽(1)中加入定量的氯化物熔盐，并在氯化槽(1)内添加tio2和c原料，并弥散在该氯化物熔盐中，保持氯化槽(1)的温度为600-900℃，通过cl2通入管(2)控制cl2的加入量，应使得其完全转化为ticl4，氯化槽(1)内发生如下反应：tio2+c+cl
a
一ticl4+co
x
；(2)、ticl4的分离氯化槽(1)中反应中得到的ticl4，通过ticl4导管(3)逸出到达ticl4冷却室(4)中，在ticl4冷却室(4)中冷却富集成液态ticl4；(3)、ticl4还原通过控制所述控制阀(10)，将ticl4冷却室(4)中的ticl不断加入到电解槽中的ticl4气室(8)中，同时液态的ticl4被加热汽化；(4)、ticl4的电解电解槽(6)中加入氯化物熔盐，当ticl进入ticl4气室(8)后，与熔体中ticl2反应，不断溶解进入电解质中；电解开始后，熔体中ticl
x
(x＝2，3，4)迁移到阴极，发生反应ti+xe
→
ti(x＝2，3，4)，还原为纯钛；clt迁移到阳极，发生反应2ct-2e
→
cl2(g)，生成的cl2经cl2循环管(9)循环到氯化槽(1)底部，继续参与tio2的氯化。5.根据权利要求4所述的冶炼方法，其特征在于：所述电解质采用氯化物熔盐，所述阳极电解柱(71)为惰性阳极或碳材料，阴极电解柱(72)为金属材料。6.根据权利要求5所述的冶炼方法，其特征在于：所述电解槽(6)的电流密度范围分别为：阳极，0.05a/cm2～1.00a/cm2、阴极，0.10a/cm2～1.00a/cm2。
7.根据权利要求6所述的冶炼方法，其特征在于：所述电解质为cacl2、licl、nacl、kcl、mgcl2、aicl3中的一种或多种及与ticl3、ticl2中的一种或两种混合而成。
技术总结
本发明公开了一种金属钛冶炼装置及其冶炼方法，其中装置包括氯化槽、Cl2通入管、TiCl4导管、TiCl4冷却室、TiCl4排出管、电解槽、TiCl4气室等。冶炼方法包括TiO2熔盐氯化、TiCl4的分离、TiCl4还原、TiCl4的电解四部分。该冶炼方法使用C及Cl2将TiO2在氯化槽内加热氯化还原得到TiCl4，气态TiCl通过TiCl4导管，到TiCl4冷却室中冷却和富集，再通过控制阀到TiCl4气室，在TiCl4气室中TiCl4不断溶解到电解质中，并与电解质中的低价钛反应生成TiCl2和TiCl3，生成的TiCl2和TiCl3及未反应的TiCl4的在电解槽阴极附近通过电解沉积，得到金属钛。其将TiO2氯化与TiCl4还原在距离很近的区域内进行，避免了TiCl4的运输问题，能够简化工艺流程，同时节能环保。电解槽内部有专门的TiCl4气室，可以保证电解的顺利进行。电解的顺利进行。电解的顺利进行。
技术研发人员：
李佳雯 赵荣周 崔俊超
受保护的技术使用者：
陕西诺威驰科技有限公司
技术研发日：
2022.11.01
技术公布日：
2023/3/28
