熔盐电解制备高纯钛粉过程中离子价态、杂质含量及粉末特性研究

论文摘要

由于高纯钛粉具有优异的抗腐蚀、吸气性、无磁性及生物相容性,使其在各行业得到广泛应用。然而,目前高纯钛粉行业发展所面临的两个瓶颈问题是：第一,如何有效降低杂质元素含量；第二,如何控制粉末粒径与形貌。本文采用熔盐电解法制备高纯钛粉,以海绵钛为阳极原料,纯钛板为阴极,NaCl-KCl为电解质,制备过程如下：升温后加入TiCl4使之与阳极海绵钛反应,在550℃形成NaCl-KCl-TiClx混合熔盐；再在700～950℃、氩气气氛下进行直流电解,在阴极获得钛粉。本文着重从钛离子价态演变、杂质含量、钛粉粒度及形貌等因素出发,进行电解机理和工艺优化研究,最终获得了氧含量低于200ppm、平均粒径60.70μm的高纯钛粉,并得出以下主要结论：1、钛离子价态变化：（1）气相室加料使熔体中钛离子价态在垂直方向上存在差异,越靠近电解槽底部钛离子的价态越低；（2）随电解时间延长,钛离子价态逐渐降低,电解前期主要以四价钛为主,后期主要以二价钛为主。2、杂质元素变化：（1）随着电解的进行,与钛电极电位相近的杂质元素Mn. V、Cr、Al的含量在电解前后变化不大,0、N、C等元素在熔盐中含量逐渐增加；（2）以Fe为代表的杂质会在预电解过程中在阴极沉积,可通过预电解脱除Fe等杂质；（3）电解钛的杂质主要存在于枝晶相交处以及晶体内部“坑道”结构中,随着离边界或者内部“坑道”距离越远,杂质含量逐渐降低。其中枝晶边界相交处的杂质元素主要为0、Fe、V、Cl。晶体内部的杂质除O、Fe、V外还夹有熔盐KC1、NaCl。3、粉末形貌与粒度：（1）靠近阴极内层的钛粉形貌为致密块状,存在一定的烧结现象,杂质含量相对较高。外层则是枝晶状,纯度高,具有明显的金属光泽。这种结构影响了单炉产量及质量；（2）电流密度和可溶钛浓度降低,可获得细颗粒钛粉。可溶钛浓度对粉末粒度的影响大于电流密度及温度影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 钛冶金发展历程
• 1.3 高纯钛的性质及运用
• 1.3.1 高纯钛的性质
• 1.3.2 高纯钛的应用
• 1.4 高纯钛的制备方法
• 1.4.1 金属热还原法
• 1.4.2 碘化法
• 1.4.3 电子束精炼和区域熔炼法
• 1.4.4 熔盐电解精炼法
• 1.4.5 其他方法
• 1.5 课题的选题意义及主要研究内容
• 第二章 实验设备及方法
• 2.1 主要的实验设备及原料
• 2.2 熔盐选择
• 2.3 实验流程
• 2.4 实验原理
• 2.4.1 阳极反应过程
• 2.4.2 钛离子迁移
• 2.4.3 阴极金属的析出
• 2.5 检测手段与分析方法
• 第三章 电解精炼过程钛离子价态及杂质演变
• 3.1 熔盐中钛离子的转变
• 3.1.1 钛与钛离子间的平衡反应
• 3.1.2 电解时钛离子价态转变一
• 3.1.3 熔盐中钛离子价态对结晶过程的影响
• 3.2 杂质含量的变化及存在形式
• 3.2.1 熔盐中杂质含量变化
• 3.2.2 晶体中杂质存在形式
• 3.2.3 其他因素对杂质含量的影响
• 3.3 本章小结
• 第四章 电解条件对钛粉形貌与粒度的影响
• 4.1 熔融盐组分对电解钛粉的影响
• 4.2 电解工艺参数对形貌和粒度的影响
• 4.2.1 温度
• 4.2.2 时间
• 4.2.3 电流密度与可溶钛浓度
• 4.2.4 其他因素
• 4.3 本章小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间主要研究成果