本實(shí)用新型屬于熔鹽處理技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于清除熔鹽中金屬雜質(zhì)的凈化裝置。

背景技術(shù)：

在常用金屬中，鈦是地殼中含量最豐富的元素之一，在結(jié)構(gòu)金屬中豐度占第四位，僅次于鋁、鐵、鎂。鈦是一種性能優(yōu)越的稀有金屬材料，除了優(yōu)越的強(qiáng)度/重量比，適合作為航天零組件以外，目前已經(jīng)開發(fā)了許多非航天的用途，在石油、能源、交通、化工、生醫(yī)等民用領(lǐng)域也得到了一定應(yīng)用，并且其應(yīng)用領(lǐng)域還在不斷擴(kuò)展。近年來，隨著半導(dǎo)體技術(shù)、信息技術(shù)、生物材料等高科技領(lǐng)域的快速發(fā)展，它們對所使用的鈦金屬的純度要求也越來越高，對高純鈦的需求量也越來越大。

高純鈦的生產(chǎn)方法主要有熔鹽電解精煉法、碘化法、電子束熔煉法。用碘化法精煉時，析出速度慢，且是間歇式操作，因此生產(chǎn)率低。電子束熔煉法對一般的低熔點(diǎn)金屬雜質(zhì)元素及非金屬元素C、N、H都可去除，但氧和重金屬必須在電子束熔煉前用熔鹽電解法或碘化法除去。采用熔鹽電解法精煉鈦不僅可以有效除去導(dǎo)致集成電路誤差的放射性元素鈾和釷，而且生產(chǎn)可連續(xù)進(jìn)行，生產(chǎn)率高，消耗的能量小，生產(chǎn)成本低。

熔鹽電解精煉制備鈦的工藝，一般采用堿金屬或堿土金屬鹵化物熔鹽體系作電解質(zhì)，電解質(zhì)純度一般為工業(yè)純或分析純，其中含有一定雜質(zhì)。高溫電解時，金屬雜質(zhì)元素離子例如Fe²⁺、Cu²⁺、Ni²⁺、Cr³⁺和Mn⁴⁺等會在陰極與鈦離子同時被電化學(xué)還原為金屬，顯著降低電解鈦純度。電解質(zhì)中的水分和金屬氧化物在熔融狀態(tài)會污染電解鈦，造成電解制得的鈦的氧含量升高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于上述的分析，本實(shí)用新型目的在于：提供一種用于清除熔鹽中金屬雜質(zhì)的凈化裝置，該凈化裝置可有效去除熔鹽中的金屬雜質(zhì)。

為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種用于清除熔鹽中金屬雜質(zhì)的凈化裝置，所述凈化裝置包括電極倉11、帶有上蓋6的反應(yīng)器17、坩堝16和氣體攪拌導(dǎo)管1；

所述坩堝16置于所述反應(yīng)器17內(nèi)；

所述上蓋6連接有熔鹽導(dǎo)管2和惰性氣體/真空管3；所述熔鹽導(dǎo)管2的下端穿過所述上蓋6并延伸到所述坩堝16的下端；所述惰性氣體/真空管3的下端穿過所述上蓋6與所述反應(yīng)器17連通；所述上蓋6密封連接有液態(tài)金屬排出管8、陰極機(jī)構(gòu)和陽極機(jī)構(gòu)；

所述氣體攪拌導(dǎo)管1的下端穿過所述上蓋6并延伸到所述坩堝16的下端；

所述電極倉11包括陽極氣體收集管22、陰極倉23和陽極倉24；所述陽極氣體收集管22與所述上蓋6密封連接，下端穿過所述上蓋6后與所述陽極倉24連通；所述陰極倉23和陽極倉24均置于所述坩堝16內(nèi)的熔鹽電解質(zhì)13中，兩者之間通過石英桿10固定連接；所述陰極倉23的上端與所述液態(tài)金屬排出管8連通；

所述陰極倉23和陽極倉24分別通過所述陰極機(jī)構(gòu)和陽極機(jī)構(gòu)與外接電源的負(fù)極和正極連接。

進(jìn)一步的，所述陰極機(jī)構(gòu)包括陰極導(dǎo)桿7和石墨陰極板14；所述陰極導(dǎo)桿7與所述上蓋6密封連接，下端穿過所述上蓋6后與所述石墨陰極板14連接；所述石墨陰極板14位于所述陰極倉23內(nèi)；

所述陽極機(jī)構(gòu)包括陽極導(dǎo)桿9和石墨陽極板15；所述陽極導(dǎo)桿9與所述上蓋6密封連接，下端穿過所述上蓋6后與所述石墨陽極板15連接；所述石墨陽極板15位于所述陽極倉24內(nèi)；

所述陰極導(dǎo)桿7和陽極導(dǎo)桿9的上端分別外接電源的負(fù)極和正極。

進(jìn)一步的，所述陰極導(dǎo)桿7和陽極導(dǎo)桿9的表面均鍍有陶瓷絕緣層25。

進(jìn)一步的，所述陶瓷絕緣層25的厚度為10～30微米。

進(jìn)一步的，所述陰極導(dǎo)桿7和陽極導(dǎo)桿9的材料為鎳；

進(jìn)一步的，所述陰極倉23的個數(shù)為2；2個陰極倉23對稱分布在所述陽極倉24的兩側(cè)。

進(jìn)一步的，所述上蓋6上還設(shè)置有惰性氣體出口閥4；所述惰性氣體出口閥4用于控制惰性氣體充入所述反應(yīng)器17的流量。

進(jìn)一步的，所述密封連接是采用聚四氟絕緣密封機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的；

所述聚四氟絕緣密封機(jī)構(gòu)包括聚四氟絕緣密封套18、弓形緊固螺帽19、O型圈20和不銹鋼外螺紋管21；

所述不銹鋼外螺紋管21固定在所述上蓋6上，并通過緊固螺帽19擠壓所述聚四氟絕緣密封套18和O型圈(20)的方式，與連接件密封連接；

所述連接件包括陰極導(dǎo)桿7、液態(tài)金屬排出管8、陽極導(dǎo)桿9和陽極氣體收集管22。

進(jìn)一步的，所述反應(yīng)器17和上蓋6的材料為304不銹鋼；所述氣體攪拌導(dǎo)管1、坩堝16和熔鹽導(dǎo)管2的材料為鎳；所述電極倉11的材料為石英。

本實(shí)用新型有益效果如下：

1、本實(shí)用新型采用電解法，有效地去除熔鹽中的金屬鹽、氧化物形式存在的金屬雜質(zhì)，可有效提高電解鈦的純度。

2、本實(shí)用新型熔鹽凈化純度高，具有可連續(xù)化生產(chǎn)特點(diǎn)。

附圖說明

附圖僅用于示出具體實(shí)施例的目的，而并不認(rèn)為是對本實(shí)用新型的限制，在整個附圖中，相同的參考符號表示相同的部件。

圖1為本實(shí)用新型的熔鹽凈化裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本實(shí)用新型的電極倉結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本實(shí)用新型的陰極機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本實(shí)用新型的陽極機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本實(shí)用新型的聚四氟絕緣密封機(jī)構(gòu)示意圖。

圖中：1-氣體攪拌導(dǎo)管、2-熔鹽導(dǎo)管、3-惰性氣體/真空管、4-氣體出口閥、5-弓形緊固件、6-上蓋、7-陰極導(dǎo)桿、8-液態(tài)金屬排出管、9-陽極導(dǎo)桿、10-石英桿、11-電極倉、12-陽極氣泡(Cl₂)、13-熔鹽電解質(zhì)、14-石墨陰極板、15-石墨陽極板、16-坩堝、17-反應(yīng)器、18-聚四氟絕緣密封套、19-緊固螺帽、20-O型圈、21-不銹鋼外螺紋管、22-陽極氣體收集管、23-陰極倉、24-陽極倉、25-陶瓷絕緣鍍層。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖來具體描述本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例，其中，附圖構(gòu)成本申請一部分，并與本實(shí)用新型的實(shí)施例一起用于闡釋本實(shí)用新型的原理。

本實(shí)施例給出了用于清除熔鹽中金屬雜質(zhì)的凈化裝置，其結(jié)構(gòu)參考圖1，該凈化裝置包括電極倉11、帶有上蓋6的反應(yīng)器17、坩堝16和氣體攪拌導(dǎo)管1。

其中，坩堝16置于反應(yīng)器17內(nèi)，反應(yīng)器17與上蓋6采用弓形緊固件5密封固定。上蓋6連接有熔鹽導(dǎo)管2、惰性氣體/真空管3和惰性氣體出口閥4。熔鹽導(dǎo)管2的下端穿過上蓋6并延伸到坩堝16的下端；惰性氣體/真空管3和惰性氣體出口閥4的下端均穿過上蓋6與反應(yīng)器17連通。上蓋6上密封連接有液態(tài)金屬排出管8、陰極機(jī)構(gòu)和陽極機(jī)構(gòu)(圖中未標(biāo)記)。氣體攪拌導(dǎo)管1的下端穿過上蓋6并延伸到坩堝16的底部，下端部分帶有噴嘴。

本實(shí)施例的電極倉11的材料優(yōu)選為石英，其結(jié)構(gòu)參考圖2，包括包括陽極氣體收集管22、陰極倉23和陽極倉24。陽極氣體收集管22與上蓋6密封連接，下端穿過上蓋6后與陽極倉24連通。陰極倉23的上端與液態(tài)金屬排出管8連通。陰極倉23和陽極倉24均置于坩堝16內(nèi)的熔鹽電解質(zhì)13中，兩者之間通過石英桿10固定連接。本實(shí)施例的陰極倉23的個數(shù)為2。2個陰極倉23對稱分布在陽極倉24的兩側(cè)。陰極倉23和陽極倉24分別通過陰極機(jī)構(gòu)和陽極機(jī)構(gòu)與外接電源的負(fù)極和正極連接。

本實(shí)施例的陰極機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參考圖3，包括陰極導(dǎo)桿7和石墨陰極板14。陰極導(dǎo)桿7與上蓋6密封連接，下端穿過上蓋6后與與石墨陰極板14連接。石墨陰極板14位于陰極倉23內(nèi)。

本實(shí)施例的陽極機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參考圖4，包括陽極導(dǎo)桿9和石墨陽極板15。陽極導(dǎo)桿9與上蓋6密封連接，下端穿過上蓋6與石墨陽極板15連接。石墨陽極板15位于陽極倉24內(nèi)。

本實(shí)施例的陰極導(dǎo)桿7和陽極導(dǎo)桿9的上端分別與外接電源的負(fù)極和正極連接，其表面均鍍有陶瓷絕緣層25，其厚度為10～30微米。

本實(shí)施例采用聚四氟絕緣密封機(jī)構(gòu)(圖中未顯示)實(shí)現(xiàn)密封連接。該聚四氟絕緣密封機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參考圖5，包括聚四氟絕緣密封套18、弓形緊固螺帽19、O型圈20和不銹鋼外螺紋管21。不銹鋼外螺紋管21固定在所述上蓋6上，并通過緊固螺帽19擠壓所述聚四氟絕緣密封套18和O型圈20的方式，與連接件密封連接。本實(shí)施例中的連接件包括陰極導(dǎo)桿7、液態(tài)金屬排出管8、陽極導(dǎo)桿9和陽極氣體收集管22。

本實(shí)施例的反應(yīng)器17和上蓋6的材料為304不銹鋼。陰極導(dǎo)桿7、陽極導(dǎo)桿9、坩堝16、熔鹽導(dǎo)管2和氣體攪拌導(dǎo)管1的材料均優(yōu)選為鎳。電極倉11的材料為石英。本實(shí)施例的熔鹽為鹵化物熔鹽，優(yōu)選為氯化物熔鹽和氟化物熔鹽。

本實(shí)施例能夠有效地去除熔鹽中的金屬鹽、氧化物形式雜質(zhì)，從而有效地提高電解鈦的純度；本實(shí)施例制得的熔鹽凈化純度高，具有可連續(xù)化生產(chǎn)特點(diǎn)。

本實(shí)施例的操作過程為：

1、洗氣：關(guān)閉所有導(dǎo)管閥門，打開惰性氣體/真空管3的真空閥門抽真空，直至反應(yīng)器17內(nèi)的絕對壓力≤100Pa，維持20～40分鐘。

2、關(guān)閉惰性氣體/真空管3的真空閥門，打開惰性氣體/真空管3的氣體閥門充入惰性氣體(如氬氣)，進(jìn)行洗氣。

本實(shí)施例中的洗氣的次數(shù)一般為2～4次，優(yōu)選為3次。

為了保證反應(yīng)倉內(nèi)充滿氬氣,同時維持微弱正壓，防止外界空氣進(jìn)入。在洗氣過程中，當(dāng)反應(yīng)器17內(nèi)的壓力大于大氣壓10kPa時，通過調(diào)節(jié)惰性氣體出口閥4，控制惰性氣體(如氬氣)流量，使氬氣以微弱流量從氣體輸出管穩(wěn)定流出，尾氣通過緩沖瓶鼓入液體石蠟，氣泡均勻?yàn)橐?，維持反應(yīng)器17內(nèi)的正壓為300～800Pa。

3、加熱升溫和導(dǎo)入熔鹽：對凈化裝置進(jìn)行加熱，溫度控制在750～800℃。使用熔鹽泵或者增加壓力的方法，將真空脫水后的熔鹽(NaCl，KCl或NaCl-KCl)沿著熔鹽導(dǎo)管2導(dǎo)入坩堝16內(nèi)，導(dǎo)鹽完成后，關(guān)閉熔鹽導(dǎo)管2。

熔鹽導(dǎo)入過程中，一直保持反應(yīng)器17內(nèi)的正壓維持在300～800Pa，尾氣持續(xù)鼓泡。

4、電解凈化：將電極倉11的陰極倉23和陽極倉24分別通過陰極導(dǎo)桿7和陽極導(dǎo)桿9與外接電源的正極和負(fù)極連接，通入5～10A直流電，電解4～5小時，將液態(tài)金屬通過液態(tài)金屬排出管8排出，從而制得凈化后的熔鹽。

本實(shí)施例的每通電50～70分鐘(優(yōu)選為60分鐘)時，由惰性氣體攪拌導(dǎo)管1通入氬氣攪拌5～15分鐘(優(yōu)選為10分鐘)，這樣可保證熔鹽電解質(zhì)混合均勻，促進(jìn)雜質(zhì)元素擴(kuò)散。

本實(shí)施例的熔鹽一般為鹵化物熔鹽。其凈化原理為：在電解過程中，堿金屬陽離子及雜質(zhì)金屬陽離子在陰極被還原為金屬，堿金屬密度低于氯化物熔鹽且具有較低的熔點(diǎn)，在電解溫度下呈液態(tài)，漂浮于電解質(zhì)上方。其他高熔點(diǎn)金屬陽離子在陰極得電子被還原為金屬，附著在陰極表面或者脫落在陰極倉里。Cl^-在陽極失去電子，被氧化成Cl₂。Cl₂在上浮的過程中與熔鹽充分接觸，熔鹽中的金屬雜質(zhì)氧化物，氫氧化物與Cl₂反應(yīng)生成金屬氯化物和O₂，所生成的金屬氯化物遷移至陰極，被還原為金屬，從而實(shí)現(xiàn)熔鹽凈化。

陰極反應(yīng)：M²⁺+2e^-＝M(M代表金屬雜質(zhì)元素)；

在陰極，Na⁺、K⁺被還原為金屬液體(液態(tài)鈉為主)，漂浮于陰極室上方，F(xiàn)e²⁺、Cu²⁺、Ni²⁺、Cr³⁺和Mn⁴⁺等金屬雜質(zhì)離子同時被還原為金屬附著于陰極表面或脫落于石英陰極倉底部。

陽極電化學(xué)反應(yīng)：

2Cl^-＝Cl₂+2e^-

化學(xué)反應(yīng)：2MO+2Cl₂＝2MCl₂+O₂↑(M代表金屬雜質(zhì)元素)

4AOH+2Cl₂＝2H₂O↑+4ACl+O₂↑(A代表堿金屬或堿土金屬)

在陽極，Cl^-失去電子，被氧化成Cl₂。Cl₂在上浮的過程中與熔鹽充分接觸，熔鹽中的金屬雜質(zhì)氧化物，氫氧化物與Cl₂反應(yīng)生成金屬氯化物和O₂，所生成的金屬氯化物遷移至陰極，被還原為金屬，從而實(shí)現(xiàn)熔鹽凈化。

5、排鹽：在負(fù)壓條件下，將凈化后的熔鹽通過熔鹽導(dǎo)管2吸入電解槽中或?qū)С觥?/p>

電解凈化完成后，利用負(fù)壓將凈化后的鹵化物熔鹽通過熔鹽導(dǎo)管2吸入電解槽中或?qū)С觥榱朔乐雇饨缈諝膺M(jìn)入，在排鹽過程中，反應(yīng)器17內(nèi)一直通入足量的惰性氣體(如氬氣)。

以上所述，僅為本實(shí)用新型較佳的具體實(shí)施方式，但本實(shí)用新型的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本實(shí)用新型揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。