一种钛铁复合矿·碳硫化—电解制备金属钛的方法与流程

本发明涉及有色金属提取技术领域，尤其涉及一种钛铁复合矿·碳硫化—电解制备金属钛的方法。

背景技术：

金属钛因其优异的物理化学性能，而被广泛应用于航空、航天、石油、化工、汽车、医疗器械、民用建筑等领域，而且素有“未来金属”、“战略金属”等美誉。

钛原料主要为钛铁矿和金红石精矿，其次是白钛矿、锐钛矿和红钛矿。根据国际权威机构公开的2018年数据统计：全球钛铁矿储量9.7亿吨，金红石储量6200万吨。我国钛资源（tio2）非常丰富，主要是钒钛磁铁矿和钛铁矿，其中钒钛磁铁矿占我国钛资源（tio2）的94.3%（品位低不能直接利用）。目前，我国攀西地区钛矿的资源利用率仅为6%～8%，钒钛磁铁矿主要通过炼钢工艺将钛元素富集到钛渣中。综上所述，我国钛矿资源分选难度大，回收效率低，生产成本高，资源综合利用率太低。

而金属钛工业化生产工艺主要以kroll法为主，即金属镁还原四氯化钛法。其核心工艺是先将金属镁放入到反应器中，并加热到800～900℃，然后以一定的速度加入四氯化钛与熔融的金属镁进行反应而制备海绵钛，其纯度约为99.7%。其冶金生产过程复杂、能耗大、成本高，并且需要高纯四氯化钛。为此，由于这些原因而造成金属钛的生产价格昂贵，从而大大限制了其在民间市场的应用。

为了寻找一种能够有效代替kroll法的工艺，广大科研工作对tio2在熔体中的性能进行相关研究。2000年英国剑桥大学d.f.fray教授课题组提出以压制烧结后的tio2为阴极，石墨棒为阳极，在cacl2电解质中进行电脱氧工艺,该工艺被称为ffc剑桥法（wo09963638）。目前，该工艺尚未工业化应用生产，主要是由于以下因素的影响：（1）电流效率较低；（2）阴极脱氧过程较为复杂；（3）tio2的纯度需要较高。相比于ffc工艺，2002年日本京都大学的okabe和ono研究组在氯化钙熔盐中，将tio2用电解得到的活性ca还原tio2为钛金属。该工艺是通过阴极电解分解出的金属钙进一步还原tio2而得到。目前该工艺也没有工业化应用，其主要原因是存在电流效率低、产品含氧量较高以及对二氧化钛原料的要求较高等问题。麻省理工学院的sadoway教授课题在1700℃下电解含tio2氧化物的溶体，成功得到了液态金属钛。虽然该工艺简单，可连续生产，同时在阳极得到o2；但是该工艺的电解温度巨高，对使用的坩埚和阳极材料需要极大的挑战，造成高昂的生产成本。并且阴极得到的钛在熔盐渣的底部，造成较高的氧含量，难于对氧化物渣进行分离。因此，目前仍然无法工业化生产电解金属钛。日本学者y.hashimoto在tio2和c过量的混合物中，采用电弧熔炼制备氧掺杂碳化钛，并以其为阳极在熔盐中长时间电解，在阴极制备出了金属钛。但是其阳极制备过程中仍然依赖于高温（1700℃）的还原条件下，并且如果c含量过高，长时间电解将会造成阴阳极间的短路以及阳极泥的产生。美国mer公司开发了一种全新的电解还原工艺（wo2005/019501）。该工艺是以tio2和c按化学计量比混合，在1100℃～1300℃热还原的钛低价氧化物和碳的混合物，再以此为复合阳极在氯化物熔盐电解质中电解成功获取金属钛。该工艺复合阳极为碳和低价氧化物的混合材料，在电化学溶解的过程中会有阳极泥和残余的碳产生，长时间电解同样存在电极短路等问题。

四川攀钢集团有限公司2009年申请了一种钛循环熔盐电解制取金属钛的方法（cn101519789a），该方法是以ticl4为原料，用金属钛还原低价钛的氯化物，然后通过熔盐电解获得金属钛。该方法存在以下问题：原材料的成本较高，均采用四氯化钛和金属钛，并且四氯化钛的还原反应速率较低。并且该公司2010年申请了一种制备金属钛的方法（cn101914788），以钛精矿熔炼钛渣后直接配入过量的c，在通入n2下制备碳化钛或碳氮化钛。该方法存在以下问题：配入的碳过量，电解过程中仍然会存在碳的残余以及产物中碳含量的超标。

在熔盐中电解制备金属钛工艺中，均基于钛的氧化物，由于钛与氧较强的亲和力，且ti-o很容易形成固溶体，造成生产的钛中氧含量偏高，如果能避免使用氧化物，将有益于制备低氧量的钛。然而，硫在钛中的溶解度很低（约为0.02at.%）,且不会形成固溶体，更容易分离。因此，通过硫化钛熔盐电解法制备金属钛将可最大限度的减少氧的含量。日本北海道大学r.o.suzuki教授课题组将tis2应用于os工艺的阴极底部，在cacl2-cas电解质中进行电解，电解中阴极析出的ca将对tis2进行还原而在电解质底部成功获得金属钛，硫以气体的形式从阳极区域排出。武汉大学金先波课题组采用tis2代替ffc工艺中的tio2阴极，在cacl电解质中电脱硫而制备金属钛。从上可知，硫化钛应用在电解质熔盐中可以获得金属钛，但是其均在阴极区域使用而未作为阳极进行可溶性。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种钛铁复合矿·碳硫化—电解制备金属钛的方法，将硫化物作为熔盐电解钛的新型阳极提取金属钛，能够使用该阳极实现能源资源的高效循环利用和高纯钛的连续化生产。

一方面，本发明提供一种电解制备金属钛的方法，其特征在于，制备步骤包括：

s1、将含钛物料、含碳还原剂、硫还原剂混合制成混合料，对所述混合料进行硫化，制备出硫化钛产物；

s2、将所述硫化钛产物制备成固溶体；

s3、在碱金属或碱土金属的卤化物熔盐中通过电解的方法提取金属钛，电解时阳极为所述固溶体，在阴极上获得金属钛。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述混合料具体为：所述含钛物料、所述含碳还原剂和所述硫还原剂以摩尔比1:2.0:2.0～1:2.5:3.0的比例均匀混合。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述阴极为金属钛、不锈钢、碳钢、金属钼和金属镍中的一种或多种。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述s3中电解时，所述阴极和所述阳极的极间距范围为1cm～50cm，电解的槽电压范围为0.5v～10.0v，阳极电流密度范围为0.05a/cm²～1.50a/cm²，阴极电流密度范围分别为0.05a/cm²～1.50a/cm²。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述s3中电解温度范围为70℃～1600℃。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述s3中电解时的电解质为：cscl2、cacl2、licl、nacl、kcl、mgcl2、alcl3、caf、naf、kf、lif中的一种或多种和ticl3、ticl2、k2tif6、na2tif6中的一种或多种所组成的混合盐。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述电解质中钛离子质量百分比为1%～10%。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述含钛物料为金红石型钛白、锐钛矿型钛白、偏钛酸、钛铁矿、钒钛磁铁矿、高炉型高钛渣、高钛渣和钛的低价氧化物中的一种或者几种。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述含碳还原剂为碳、活性碳、石墨粉、木炭、石油焦、沥青、煤焦粒中的一种或者几种。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，当所述含钛物料的制备原料为钛铁复合矿时，所述含钛物料的制备步骤包括：s01、对所述钛铁复合矿进行高温硫化，获得含有钛元素的混合粉末；s02、将所述混合粉末在稀盐酸中进行浸泡处理，并进行真空过滤；s03、将过滤后的混合物在烘箱中进行烘干得到所述含钛物料。

与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：较现有的可溶性阳极相比，该硫化钛阳极具有电解效率高、中间产物少、直接获得高纯金属钛，连续化生产且不产生阳极泥，可实现能源矿物的高效循环利用等特点。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明一个实施例提供的钛铁复合矿·c/s处理及电解制备流程图；

图2是本发明一个实施例提供的合成制备的硫化钛阳极x射线衍射图；

图3是本发明一个实施例提供的电解过程中的电压时间曲线图；

图4是本发明一个实施例提供的阴极钛产物的xrd示意图；

图5是本发明一个实施例提供的阴极产物钛的sem示意图。

【具体实施方式】

为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

图1是本发明一个实施例提供的钛铁复合矿·c/s处理及电解制备流程图。如图1所示，一种钛铁复合矿·c/s化—电解制备金属钛的方法，其步骤包括：

s1、将含钛物料、碳和硫还原剂以摩尔比为1:2.0:2.0～1:2.5:3.0比例均匀混合，以该混合料为原料，在密闭耐压耐高温容器中进行灼烧反应，使其彻底完全硫化，制备出导电性良好的硫化钛产物。其中，所述含钛物料包括金红石型钛白、锐钛矿型钛白、偏钛酸、钛铁矿、钒钛磁铁矿、高炉型高钛渣、高钛渣和钛的低价氧化物中的一种或者几种；所述的含碳还原剂包括碳、活性碳、石墨粉、木炭、石油焦、沥青、煤焦粒中的一种或者几种；所述的硫为工业使用的硫粉。制备出的硫化钛为二硫化钛及微量其它硫化物。并对该硫化钛进行高温烧结或电弧炉熔炼成固溶体，将该固溶体作为为阳极，以便进行电化学电解制备金属钛。涉及到的相关反应机理为：

fetio3+s→fes+tio2+o2△g=-43.459kj/mol（1100℃）（矿石的硫化）

tio2+c+s→tis2+co△g=-35.891kj/mol(800℃)（钛白粉的硫化）

tio2+c+s→tis2+co2△g=-18.365kj/mol(800℃)（钛白粉的硫化）

tis2+ti=tis

tio2+2c+s→tis+2co△g=-17.949kj/mol（1100℃）

tio2+c+s→tis+co2△g=-24.451kj/mol（1600℃）

s2、以s1得到的含钛化合物为原料制备成电极在碱金属或碱土金属的卤化物熔盐中通过电解的方法提取金属钛，其阳极由制得的含钛化合物形成，在阴极上获得金属钛。

采用含钛化合物，本实施例中即为硫化钛，为可溶性阳极具有以下鲜明特点：

（1）能够低成本的制备合成具有金属导电性的硫化钛（tis2，tis、ti2s、ti3s、ti6s和ti4s5等）；

（2）该硫化钛可通过处理含钛精矿进行制备，有效解决了钒钛磁铁矿、等含钛矿石的堆弃问题；

（3）硫化钛作为可溶性阳极，在电解过程中钛以离子形式溶解在电解质中，而硫以硫气的形式从阳极排出回收利用，有效实现资源能源的高效综合利用；

（4）由于钛和硫的亲和力较弱，能够较高的获得金属钛而不存在再次污染的情况；

（5）在电解质中直接电解，能够在阴极沉积氧含量较低的金属钛。

在s2中，阴极由金属钛、不锈钢、碳钢、金属钼、金属镍中的一种或多种形成。阴阳极的极间距控制在1cm～50cm之间，槽电压控制在0.5v～10.0v，阳极电流密度范围为：0.05a/cm²～1.50a/cm²，阴极电流密度范围分别为：0.05a/cm²～1.50a/cm²。优化工艺参数后，阴阳极的极间距控制在3cm～40cm之间，槽电压控制在1.5v～6.0v，阳极电流密度范围为：0.05a/cm²～1.0a/cm²，阴极电流密度范围为：0.05a/cm²～1.0a/cm²。

电解温度范围在70℃～1600℃，进一步优化的电解温度范围为400℃～900℃，该温度范围内电解的钛品质和效率最高。

电解质盛放在电解容器中，电解容器为不锈钢坩埚、碳钢坩埚、钛坩埚、钛合金坩埚、石墨坩埚、钼坩埚或镍坩埚中的一种。熔盐电解质体系由碱金属或碱土金属卤化物组成；具体的，电解质包括cscl2、cacl2、licl、nacl、kcl、mgcl2、alcl3、caf、naf、kf、lif中的一种或一种以上和ticl3、ticl2、k2tif6、na2tif6中的一种或一种以上所组成的混合盐。其中，熔盐电解质体系中ti离子质量百分比浓度为1%～10%。

具体实施例1：

将钛白粉（tio2，99.5wt%），石墨粉（99.95），硫粉（99%）按照摩尔比为1:2:2.1进行配制，共100g。

在球形球磨机中混合研磨12h，并称取5g在10mpa压力下压制成直径为5mm*5mm的小片，并置于一端密闭的玻璃管中，采用耐高温有机胶对其进行密封处理，保证玻璃管在高温下不漏气。

然后将该玻璃管置于马弗炉中，在1000℃下灼烧反应10h，然后温度降至室温，切开玻璃管取出合成的tis2材料。合成的tis2材料的xrd衍射图如附图2所示。

然后采用真空高温（1100℃）对tis2材料进行烧结，得到直径为10mm*15mm的圆柱体阳极。

用刚玉坩埚盛有150g的nacl-kcl共晶熔盐在750℃下进行相关电解实验。其中阴极采用直径2mm的镍杆，参比电极为nacl-kcl-agcl（0.04wt%）的agcl/ag电极，制备好的tis2为阳极。施加0.4v（vs.ag/agcl）的恒电位电解12000s，电流时间曲线如附图3所示。从图中可以看出，阳极发生稳定的电化学溶解反应。

随后，对阴极镍杆上的产物进行蒸馏水浸泡超声波清洗和1wt%hcl盐酸清洗，最终得到金属钛粉末。其中图4为产品的xrd衍射图谱。图5为阴极钛的sem电镜图谱。

具体实施例2：

对500g的钛精矿fetio3在1200℃下进行硫化处理，处理后的产品为fes和tio2混合粉末。

对该混合粉末在1mol/l的稀盐酸中进行浸泡处理，并进行真空过滤，然后在80℃下烘箱烘干得到钛白粉（tio2）。

将钛白粉（tio2，99.5wt%），石墨粉（99.95），硫粉（99%）按照摩尔比为1:2:2.2进行配制，共10g。

在球形球磨机中混合研磨12h，并称取2g在10mpa压力下压制成直径为5mm*5mm的小片，并置于一端密闭的玻璃管中，采用耐高温有机胶对其进行密封处理，保证玻璃管处于密封状态在高温下不漏气。

然后将该玻璃管置于马弗炉中，在1000℃下灼烧反应10h然后温度降至室温，切开玻璃管取出合成的tis2材料。合成的tis2材料的xrd衍射图如附图2所示。

采用真空电弧炉对tis2的化合物进行熔炼，其电弧炉真空度低至5×10^-3pa以下。熔炼后的tis2留放备用。

用刚玉坩埚盛有150g的nacl-kcl-ticl2共晶熔盐在750℃下进行相关电解实验。其中阴极采用直径2mm的镍杆，参比电极为nacl-kcl-agcl（0.04wt%）的agcl/ag电极，制备好的tis2为阳极。进行电流密度为0.1a/cm²的恒电流电解4h，然后对阴极产物进行蒸馏水超声波清洗和1wt%hcl盐酸清洗，最终产物经xrd检测得到物相单一的金属钛粉末。

具体实施例3：

将500g的高钛渣在1200℃下进行硫化处理，处理后的产品为fes和tio2混合粉末。

将该混合粉末在1mol/l的稀盐酸中进行浸泡处理，并进行真空过滤，然后在80℃下烘箱烘干得到钛白粉（tio2）。

将钛白粉（tio2，99.5wt%），石油焦（c含量89%），硫粉（99%）按照摩尔比为1:2.3:2.2进行配制，共10g。

在星型球磨机中混合研磨12h，并称取2g在10mpa压力下压制成直径为5mm*5mm的小片，并置于一端密闭的玻璃管中，采用耐高温有机胶对其进行密封处理，保证玻璃管处于密封状态在高温下不漏气。

然后将该玻璃管置于马弗炉中，在1000℃下灼烧反应10h，然后温度降至室温，切开玻璃管取出合成的tis材料。将该tis进行压制，并真空烧结为直径为10mm*3mm的圆柱体阳极。

用刚玉坩埚盛有150g的caf2-kf-naf-na2tif6共晶熔盐在850℃下进行相关电解实验。以烧制成型的tis为阳极。阳极电流密度为0.5a/cm²，进行恒电流电解。阴阳极间距为5cm，电解4小时后在阴极镍棒上得到钛粉产物。将该阴极产物采用蒸馏水浸泡和1wt%的稀盐酸进行清洗、烘干。最终产物为物相均匀的钛粉。

具体实施例4：

将500g攀西地区的钒钛磁铁矿在1300℃下进行硫化处理，处理后的产品在1mol/l的稀盐酸中进行浸泡处理，并进行磁选和真空抽滤，最终产物在80℃下烘箱烘干得到钛白粉（tio2）。

将钛白粉（tio2，99.5wt%），木炭（c含量75%），硫粉（99%）按照摩尔比为1:2.5:2.3进行配制，共10g。

在星型球磨机中混合研磨24h，并称取5g在10mpa压力下压制成直径为10mm*10mm的小片，并置于一端密闭的耐高温玻璃管中，采用耐高温有机胶对其进行密封处理，保证玻璃管处于密封状态在高温下不漏气。

在氩气气氛保护条件下置于马弗炉中，在1200℃下灼烧反应10h然后温度降至室温获得物相以tis为主和微量的碳。该tis进行压制真空烧结成直径为10mm*3mm的圆柱体。

用刚玉坩埚盛有150g的caf2-kf-naf-na2tif6共晶熔盐在850℃下进行相关电解实验。以烧制成圆柱体的tis为阳极，阴极电流密度为0.05a/cm²下进行恒电流电解，阴阳极间距为10cm，电解4小时后在阴极镍棒上得到钛粉产物。阴极产物采用蒸馏水浸泡和1wt%的稀盐酸进行清洗、烘干。最终产物为物相均匀的钛粉。

综上所述，较现有的可溶性阳极相比，该硫化钛阳极具有电解效率高、中间产物少、直接获得高纯金属钛，连续化生产且不产生阳极泥，可实现能源矿物的高效循环利用等特点。

以上对本申请实施例所提供的一种钛铁复合矿·c/s化—电解制备金属钛的方法，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。