技术领域
[0001] 本
发明涉及一种火法处理熔盐电解阴极沉积物的装置，该装置主要用于处理熔盐电解还原及精炼难熔金属的阴极沉积物，脱除阴极沉积物中夹杂的熔盐
电解质，得到阴极沉积金属并将分离的电解质返回电解工序循环使用，属于电化学
冶金技术领域。
背景技术
[0002] 熔盐电解及熔盐
电解精炼法是制备和提纯稀有高熔点金属的重要方法，特别适用于制备金属
钛、锆、铪等。高纯金属钛主要应用于大规模集成
电路、航空航天、医疗
合金等高科技领域。金属锆、铪由于其自身的核特性被分别用做
核反应堆最理想的结构材料和控制材料，高纯金属锆铪的化合物被用于
镀膜材料和集成电路高K材料，随着传统
能源对环境的污染，作为清洁能源的核电需求的增加对锆铪材料的需求也日益增加。
[0003] 目前工业上钛、锆、铪的生产方法主要采用镁热还原法，但熔盐电解精炼法具有流程短、设备操作简单的特点，具有一定的应用，特别是熔盐电解精炼法可以回收在材料加工过程中产生的大量锆和铪的废屑，并且能够提纯制备高纯金属锆、铪，具有较好的应用前景。
[0004] 熔盐电解还原及电解精炼制备金属钛、锆、铪的
电解质体系主要有氟-氯化物体系和氯化物体系两种。采用氯化物体系进行电解时，可以直接将氯化提纯后得到的金属氯化物(TiCl4、ZrCl4、HfCl4)作为原料，而氟-氯化物体系中以氟化物(K2TiF6、K2ZrF6和K2HfF6)为原料。无论以何种电解质进行电解或者电解精炼制备金属，其电解阴极产品中总会有部分熔盐电解质夹杂，以氟化物电解质为原料其电解质夹杂约为20-30％，以氯化物电解质为原料其电解质夹杂约为10-20％。采用连续熔盐电解时，随着阴极产品的不断取出，
电解池内的电解质由于夹杂带出需要不断的添加。
[0005] 而阴极沉积物中夹杂的熔盐电解质一般通过
水洗将电解质溶解到水溶液中的
湿法工艺进行分离。采用湿法工艺处理阴极沉积物存在的问题如下：由于金属M(M＝Ti、Zr、Hf)与M离子之间存在的一定的歧化反应，导致了阴极沉积物中存在“黑粉”(金属M的低价化合物)。“黑粉”在水洗过程中不溶于水，不能通过水洗与金属M分离，必须通过
酸洗工序才能获得较高纯度的金属M。
[0006] 以金属铪为例，由于铪是经过了高成本的锆铪分离后得到的，必须对包含在阴极沉积物中的铪元素进行回收(阴极沉积物中除铪粉外含有的铪元素约占沉积物总重量的12wt％)。将水洗液和酸洗液加入
氨水得到氢
氧化铪沉淀，经过
煅烧得到氧化铪，氧化铪再进入
硅氟酸
钾烧结工艺转化为可以加入的K2HfF6熔盐电解质，或者氧化铪进行氯化得到HfCl4。采用湿法工艺处理阴极沉积物在分离获得铪粉和回收铪元素方面均造成了资源和能源的浪费，增加了工序和生产成本，不适合连续化生产。
[0007] 因此，提供一种成本低，可连续化生产的火法处理熔盐电解阴极沉积物的装置就成为技术领域急需解决的技术难题。
发明内容
[0008] 本发明的目的在于提供一种成本低，可连续化生产的火法处理熔盐电解阴极沉积物的装置。
[0009] 本发明的上述目的是通过以下技术方案达到的：
[0010] 一种火法处理熔盐电解阴极沉积物的装置，该装置包括：
电阻炉、
热电偶、上盖、保温层、
密封圈、连接
螺栓、
真空过滤罐、水冷套、抽空充氩管、
支架、上
坩埚和下坩埚；所述的真空过滤罐放置于所述的电阻炉中，所述的支架放置于所述的真空过滤罐中，所述的上坩埚和下坩埚放置于所述的支架上，所述的热电偶位于真空过滤罐上部外表面处，所述的真空过滤罐的上部设有端口与所述的抽空充氩管相连接，所述的真空过滤罐的上端设有冷水套，所述的上盖通过连接螺栓和密封圈与所述的真空过滤罐密封连接，所述保温层位于所述上盖下部。
[0011] 所述的电阻炉为坩埚式电阻炉；所述热电偶的测温端紧贴在真空过滤罐上部外表面、对应上坩埚的
位置。
[0012] 所述的上坩埚为多孔陶瓷坩埚，具有一定孔隙率，用于盛放阴极沉积物；陶瓷坩埚的孔隙率范围可为70～90％，熔融状态下的电解质可以透过陶瓷坩埚。
[0013] 所述的下坩埚的材质为不锈
钢、镍或
热解石墨，用于盛接过滤熔盐电解质。
[0014] 所述的热电偶为精确控温的热电偶。
[0015] 本发明的主要优点：
[0016] 本发明针对采用湿法工艺处理熔盐电解阴极沉积物存在的问题，提出采用火法工艺处理熔盐电解得到的阴极沉积物，将阴极沉积物
破碎后与一定比例的熔盐电解质充分混合，然后装入到一定孔隙率的多孔陶瓷坩埚中，并放入真空过滤罐中，在一定
温度下保温使熔盐电解质
熔化滴落与金属M分离，冷却后将收集的熔盐电解质返回到连续电解工序使用，同时获得金属。该装置采用真空熔融过滤将夹杂在阴极沉积物中的熔盐电解质与金属分离，将电解质返回电解工序，降低了处理成本，实现了工艺生产的连续化。
[0017] 本发明装置可为连续熔盐电解和精炼制备稀有高熔点金属降低生产成本，回收的电解质保证了连续生产工序的进行，避免了湿法处理阴极沉积物造成的资源和能源浪费，具有十分重要的现实意义。
附图说明
[0018] 图1为本发明火法处理熔盐电解阴极沉积物的装置的结构示意图。
[0019] 主要附图标记说明：
[0020] 1 坩埚电阻炉 2 上段控温热电偶
[0021] 3 真空过滤罐上盖 4 保温层
[0022] 5 密封圈 6 连接螺栓
[0023] 7 真空过滤罐 8 水冷套
[0024] 9 抽空充氩管 10 支架
[0025] 11 上坩埚 12 下坩埚
具体实施方式
[0026] 下面结合附图和具体
实施例对本发明进行进一步详细说明。
[0027] 如图1所示，是本发明火法处理熔盐电解阴极沉积物的装置的结构示意图，该装置包括坩埚电阻炉1、上段控温热电偶2、真空过滤罐上盖3、保温层4、密封圈5、连接螺栓6、真空过滤罐7、水冷套8、抽空充氩管9、支架10、上坩埚11和下坩埚12等；真空过滤罐7位于坩埚电阻炉1中，支架10，上坩埚11和下坩埚12位于真空过滤罐7之中，上坩埚11和下坩埚12位于支架10上，上段控温热电偶2的测温端紧贴真空过滤罐7上部外表面对应上坩埚11的位置，真空过滤罐7的上部设有端口与抽空充氩管9相连接，真空过滤罐7的上端设有冷水套8，真空过滤罐上盖3通过连接螺栓6和密封圈5与真空过滤罐7紧固密封连接，保温层4位于真空过滤罐上盖3的下部。
[0028] 上坩埚11是具有一定孔隙率的多孔陶瓷坩埚，用于盛放阴极沉积物。上坩埚11的孔隙率范围为70～90％，熔融状态下的电解质可以透过陶瓷坩埚。下坩埚12的材质为
不锈钢、镍或热解石墨等，用于盛接过滤熔盐电解质。上段控温热电偶2为精确控温的热电偶。
[0029] 坩埚电阻炉1，包含精确控温的上段控温热电偶2用于控制上坩埚11的温度。上坩埚11用于盛放破碎熔盐电解阴极沉积物产品和加入的电解质，通过控温使熔盐电解质熔化，从具有一定孔隙率的上坩埚11中滴落，夹杂在阴极沉积物中的电解质与沉积的金属分离。下坩埚12用于接收从上坩埚11中滴落的熔盐电解质产品，冷却后取出来返回到电解工序使用。
[0030] 采用本发明装置，将熔盐电解阴极沉积物破碎后与一定量的
氯化钠、
氯化钾、氟化钠混合，装入一定孔隙率的上坩埚11内，再将上坩埚11放入真空过滤罐7内，先抽真空到-310 Pa，逐渐升温到750℃，保温，然后向真空过滤罐7充入一定量的氩气。氟化物的加入抑制了歧化反应，原有夹杂的含有低价
金属化合物(“黑粉”)的熔盐电解质在重
力的作用下滴落，冷却收集后返回到电解工序中使用。冷却后将金属取出，实现了电解产品与夹杂的熔盐电解质之间的分离。
[0031] 首先，将电解及电解精炼铪得到的阴极沉积物破碎成一定颗粒度与一定摩尔比的NaCl-KCl-NaF电解质混合，然后装入一定孔隙率的上坩埚11中。
[0032] 然后，在真空过滤罐7中的支架10上依次放入下坩埚12和上坩埚11，上坩埚11中装入混合好的阴极沉积物和一定摩尔比的NaCl-KCl-NaF电解质。
[0033] 待装罐完毕后，盖上真空过滤罐上盖3，通过密封圈5，保温层4和连接螺栓6将真空过滤罐7密封。进行抽真空，然后通过抽空充氩管9充氩气到微
正压，在氩气气氛下加热控制上坩埚11的温度约为250℃，在氩气流动气氛下，通
过冷水套8进行保温脱水2小时，然后再抽真空，充入氩气保持微正压。
[0034] 通过控温将上坩埚11的
温度控制在700-750℃，使阴极沉积物中夹杂的熔盐电解质熔化，通过上坩埚11内的孔隙滴落，实现与沉积物中的金属分离的效果，下坩埚12用于接收从上坩埚11中滴落的电解质。冷却后收集的电解质返回到电解工序使用，上坩埚11中得到分离后的金属铪。
[0035] 该装置处理过程操作简单、安全，避免了采用湿法处理带来的资源和能源的浪费，回收的电解质保证了连续生产工序的进行，降低了生产成本，降低了金属中的氧含量、具有较好的应用价值。
