基于液态金属阴极的熔融含钛高炉渣直接电解制备液态钛合金

Ti-bearing blast furnace slag is a valuable secondary resource of titanium. However, it is difficult to extract via traditional pyrometallurgical or hydrometallurgical processes because of the complicated forms and chemically active character of titanium existing in slag. The project is focusing on the molten Ti-bearing blast furnace slag electrolysis based on novel liquid metal cathodes. Liquid titanium alloys are prepared via a selective depolarization electro-deposition process. Based on obtaining the liquid titanium alloys, some of electro-analytical, chemical analytical techniques and theoretic calculation will be carried out in molten slag to illustrate the forms of titanium existing in slag, the mechanism of depolarization electro-deposition process and the diffusion kinetics mechanism of titanium in molten copper. It is reasonable believed that the achievements of this project not only provides a novel idea for the efficiently recycle of Ti-bearing blast furnace slag, but also affords a new strategy for the extraction of transitional metal elements and preparation of liquid alloys in other melts.

含钛高炉渣是一种有价值的钛二次资源，然而传统火法、湿法难以从本质上克服渣中钛元素以多种矿相弥散分布和钛化学性质活泼而不易提炼的难点。对此，本项目拟采用熔融含钛高炉渣直接电解的方法，创新引入液态金属阴极，实现熔渣中钛元素在液态金属阴极上选择性去极化电还原，并原位制备出液态钛合金。在此基础上，弄清熔融含钛高炉渣结构，明确熔渣中钛的存在形式，揭示电解过程中钛选择性电还原的机理，解析钛在液态金属阴极上去极化沉积的基础理论，明晰电解所得钛在液态金属内部的扩散动力学机制。所得研究成果不但为含钛高炉渣的高效提钛提供新思路；同时对其他熔体中过渡金属元素的选择性去极化电沉积及液态合金的制备提供理论指导。

含钛高炉渣是一种钛二次资源，但因为渣中钛赋存状态复杂且钛化学性质活泼而难以提炼，其大量堆积不仅造成了钛资源的严重浪费，同时也对环境造成了极大污染。针对含钛高炉渣传统提钛工艺流程复杂、环境污染大、成本高昂的问题，本项目提出了基于液态金属阴极的熔融含钛高炉渣直接电解制备液态钛合金新方法。采用熔融含钛高炉渣为电解质，以液态金属为阴极，实现熔渣中钛在液态金属阴极上选择性去极化沉积，并原位制备出液态钛合金。围绕上述研究内容，解析了熔融含钛高炉渣中全氧化物体系高温熔体结构及渣中钛的存在形式，揭示了电解过程中钛元素选择性去极化沉积机理，明确了熔渣中钛、液态金属阴极及还原所得钛三者间的作用机制，阐明了钛金属在液态金属阴极内部的扩散动力学机制，解析了电场-浓度场-重力场-温度场耦合作用下钛在液态金属阴极中的扩散动力学行为，获得了原位电解制备液态钛合金的各项工艺参数。本项目为工业化短流程处理含钛高炉渣提取钛合金提供了理论依据，同时对其它熔体中过渡金属元素的选择性去极化电沉积及液态合金的制备提供理论指导。本项目在Sciences Advances等期刊上总计发表SCI论文6篇，EI论文1篇，在国内外学术会议上以邀请、口头报告或海报等形式做汇报6次，申请专利9项（美国专利2项）。借助本项目的实施，项目申请人提升为副教授。