二氧化钛熔盐电解制取钛的实验及机理研究.pdf

摘要钛是一种性能优越的结构材料和功能材料，具有密度小、比强度高、耐腐蚀、耐高温低温和适用温度范围广等特点。但是钛的制取却很困难，尤其是工业中对钛的纯度要求很高，导致钛的制备工艺更加复杂。目前，传统的ㄉ训工艺虽然已经很成熟，但仍然存在很多问题，如工艺复杂，生产周期长，不能连续化等等。自年以来，国际上掀起了电化学还原制备海绵钛的研究热潮。该方法是～种低能耗、无污染的绿色冶金新工艺。目前以这种方法为基础，研究比较多的制取钛的新工艺有：ǎ珽法，法等，其中以4淼直接电解制取钛的工艺是最具发展前景的无污染绿色冶金新工艺。本文在缃夤ひ栈∩希怨ひ展碳笆笛樽爸米隽讼嘤Φ母慕屯晟疲进行了一系列的电解实验，得到了一定纯度的钛。通过对实验装置的改进、熔盐和氩气的预处理，确保了实验的顺利进行。在阴极制备过程中，通过在二氧化钛粉末中添加碳粉的工艺，证实了二氧化钛配碳烧结可以增加二氧化钛的孔隙度，并通过相应的计算得到配碳烧结前后二氧化钛的孔隙度分别为．痙铂．％。实验所需的氧势很低，计算表明增大氩气流速和提高通氩气的时间，使得氧分压降至足够低，可以确保实验的顺利进行。通过热力学计算，得到了逐级还原各阶段的理论分解电压。计算结果表明，直接电解制取钛的理论分解电压很高，而逐级电解各阶段的理论分解电压均低于此值，因此直接电解制取钛的过程是逐级还原的过程，在电解过程中不同的阶段加载不同的电压，可以提高电流效率。实验结果表明，通过熔盐电解制备钛的实验得到了纯度较高的海绵钛，的电解是由外向内依次进行的，随着电解试样质量的增加，电解电流也随之增大。认为反应机理是阴极氧的离子化的原位还原反应。通过电化学和热力学的理论研究证实：的还原过程是由高价到低价再到金属逐级进行的，最低价钛氧化物的理论分解电压最高，是限制性环节，与电解产物的分析检测结果一致。实验过程中电流效率难以提高的主要原因是由于大量副反应的存在，研究了副反应产生的机理、有效抑制副反应的发生，有利于提高电流效率。关键词：二氧化钛，钛，热力学，电化学，反应机理中文摘要
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学位论文作者签名：聂拈备导师签名：耋脑独创性声明学位论文版权使用授权书学位论文作者签名：孤酝惫签字日期：Ⅷ阥丑月¨日不保密。中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重麽太堂重麽太堂重废太堂凇!D杲饷芎笫视帽臼谌ㄊ椤本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特另以标注和致谢的地方外，论文或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。本学位论文作者完全了解有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段本学位论文属于胫辉谏鲜鲆桓隼ê拍诖颉”签字日期：！年籞璴。日论文被查阅和借阅。本人授权保存、汇编学位论文。保密签字日期：！年显翴
言引钛元素是英国人于年发现的【俊ｎ炎魑R恢中陆鹗簦有比重小、比强度大，耐腐蚀、无毒、耐高温低温等优良性质。它是宇航工业理想的结构材料；由于其良好的抗磨性能，良好的抗海水腐蚀能力，因而是化学、船舶工业的重要材料。但是钛的制取却很困难，因为钛在高温下的化学性质极其活泼，与氧、氮、碳、氢等元素有极强的亲和力，且与绝大多数耐火材料在高温下发生反应【。工业中对钛的纯度要求很高，导致钛的制备工艺更加复杂。目前研究比较多的制取钛的新工艺有：剑桥法，ā琌等，其中以4淼腡苯拥缃庵迫☆训墓ひ帐亲罹叻⒄骨熬暗奈尬廴韭躺苯鹦鹿钛及其合金具有引人注目的机械性能和抗腐蚀性能，但是由于高的生产成本，使其很难得以广泛使用。自世纪年代以来，国内外提出了多种生产钛的工艺，其中ㄊ堑苯袷澜缙毡椴捎玫姆椒ā法是将富钛料氯化、精制为蒸汽，再用金属镁还原为海绵状金属钛，尽管国内外采用了多种方法对其进行完善，但是该工艺由于流程长、工序复杂等因素而使钛生产成本偏高，加之生产过程中的环境污染，大大制约了钛的广泛应用。最近掀起了探求一种可以取代法生产钛的工艺热潮，其中钛氧化物的阴极脱氧法引起了极大的关注。这样一种直接电化学路线将带来钛的生产以及其它活性金属的提取工艺，例如镁和铝旰惋。在该工艺中，原材料被直接还原，不需要生成。最近提出来的几种方法的共性是用作为阴极，在整个脱氧过程中以固态形式存在。除了可能节约资金和操作成本之外，通过这项工艺还可以促进合金的发展【恰目前，美国在钛的生产及应用技术方面保持着绝对领先的地位；英国在钛的提取冶金、新型焊接技术和新型高温合金的开发方面处于世界前沿；日本虽然钛产量很大，