基于可控氧流技术含钛渣制备钛及其合金的杂质行为与去除机制

Aiming at the problem of containing titanium slag efficient recycling, the project can effectively control the migration of oxygen and impurity ion to produce directly titanium and titanium alloys, which uses Solid Oxygen-ion Membrane as the carrier. By studying containing titanium slag composition and phase, and the cathode microstructure to learn the behavior of producing titanium and its alloy under different electrolysis conditions (temperature, slot voltage and current density), we can realize containing titanium slag controlled electrolytic and the selective reduction of titanium. By studying the molten flux CaCl2 system and chloride of impurities binary or ternary impurities Chloride (MgCl2, AlCl3, FeCl3) molten salt and using the scanning potential, staircase, pulse, impedance and other electrochemical technology, we can reveal the rule of electrode polarization, the controlling step of electrode process and the formation mechanism of TiFe alloy. By studying the effect of separation of titanium reduction mechanism of impurities, and using the molten salt stability and the composition of exhausting gas, we can explore the dynamics of impurity removed mechanisms, and realize the short process efficient recycling of containing titanium slag. That can also help development and utilization of other lean ore resources.

针对含钛渣高效回收再利用的问题，项目以固体透氧膜为载体，在外加电场条件下实现氧及杂质离子迁移的有效控制，直接制备金属钛及其合金。研究含钛渣的成分与物相、阴极微结构对制备钛及其合金的杂质行为影响规律，在不同电解条件下（温度、槽电压、电流密度），实现含钛渣的可控电解和金属钛的选择性还原；通过研究CaCl2熔盐体系与杂质氯化物（MgCl2、AlCl3、FeCl3）的二元或三元熔盐介质的热力学性质，结合电位扫描、阶跃与脉冲、阻抗等电化学技术揭示含钛渣的电极极化规律、电极过程的控制步骤及钛铁合金化机理；研究杂质析出对钛还原机制及电流效率的影响，结合熔盐稳定性与尾气成分的变化规律，探索钛的析出动力学与杂质的去除机制，实现含钛渣短流程高效回收，也有助于其它贫矿资源的开发利用。

在TiCl4生产过程中会产生大量含钛渣或烟尘，钛含量高，但利用率低，导致钛资源浪费，污染环境。项目采用熔盐电解法电解钛渣制备金属钛及钛铁合金，主要结论：（1）以泡沫镍为集流体包裹阴极，提高阴极电化学活性，加快电脱氧速度，有利于杂质的去除；成型压力和烧结温度对阴极的孔隙率影响明显，合适的孔隙率利于氧从阴极内部转移到阴极表面，当成型压力为4MPa、烧结温度为1050℃时阴极电化学活性最佳，产物钛含量为96.92%；电脱氧效率随熔盐温度先增加而后减小，900 ℃电解12 h后钛含量最高为97.80%，由于极化现象以及欧姆电压降，二氧化钛的实际分解电压远高于理论分解电压；钛渣中含有少量Fe、Mn、Al、Si等氧化物杂质，电解过程中被还原为单质，大量进入熔盐，少量杂质与Ti形成TiFeSi2和TiAl3合金相；随着电解时间的延长和电解电压的升高，中间产物为CaTiO3、Ti2O3、TiO；电脱氧历程为：CaTiO3→Ti2O3→TiO→Ti，电解初期电化学反应在阴极表面进行，反应主要受化学反应控制，随着反应向阴极内部转移，电脱氧速率主要受到氧的离子化的控制及其在阴极氧化物中的扩散控制。（2）在制备钛铁合金的研究中，原料钛铁原子比、成型压力和烧结温度会影响产物的物相成分和形貌结构；随着熔盐温度的升高，而阴极还原电流则急剧增加且温度越高这种现象越明显，熔盐的电导率与熔盐温度存在函数关系，升高温度使得电子在熔体中的传递更加容易进行；电解还原过程中，Fe2O3优先还原成金属Fe，TiO2则与熔盐中的Ca2+结合生成了CaTiO3，CaTiO3继续电解脱氧，并优先与邻近的金属Fe相直接反应，生成Fe2Ti、FeTi合金。新生成的金属Fe相嵌布在大块颗CaTiO3粒中，形成导电性能提高的网状结构，进而增加了电子在块体内部的传输通道，促进CaTiO3在金属Fe相附近的电解还原。