权利要求

1.基于液态金属阴极的钛矿电解-钨萃取钛硅高效分离方法，其特征在于，所述基于液态金属阴极的钛矿电解-钨萃取钛硅高效分离方法具体操作步骤如下：

S1、液态阴极、萃取剂和电解质的设置：在电解炉底部铺设工作温度下呈液态的金属作为阴极基体，准备金属钨作为萃取剂布置在阴极区;向炉内加入含二氧化钛的矿石作为电解质;

S2、加热升温并电解：在惰性气氛的保护下，将温度升至高于电解质体系液相线温度并保温，待电解质充分熔融后，下放阴极导电杆至工作温度下呈液态的金属区域，下放阳极至熔融电解质中，检查电路通路，对阳极与阴极进行通电，恒电流进行钛矿电解;

S3、钨萃取和合金回收：电解完成炉温降至室温后取出阴极，依托钨对熔融状态下硅的选择性萃取，阴极端将会获得钨-硅合金与钛-阴极基体合金，通过切割、剥离的物理方式实现钛-阴极基体合金的初步分离;随后利用两相熔点与密度差实施固液分离/真空蒸馏，实现高效纯化得到钛合金;回收阴极基体与未消耗的钨循环利用，电解质回收后作为水泥等的原料二次利用。

2.根据权利要求1所述的基于液态金属阴极的钛矿电解-钨萃取钛硅高效分离方法，其特征在于，钛矿电解-钨萃取钛硅高效分离方法设备包括电解炉，电解炉的顶部设置有上炉盖，中部设置有电解空间，底部设置有下炉盖;上炉盖在电解炉外设置有进气口和导电杆，上炉盖在电解炉内设置有多个刚玉保护套，其中一个刚玉保护套下连接有阳极;电解空间内从下到上依次盛放有合金阴极和含二氧化钛的矿石;下炉盖内设置有支撑耐火托盘的支撑杆，耐火托盘设置在电解空间的下方。

3.根据权利要求1所述的基于液态金属阴极的钛矿电解-钨萃取钛硅高效分离方法，其特征在于，S1中金属钨在阴极区的布置需要满足放置位置需保证不接触阴极和阳极且有充足离子通道的技术需求;金属钨在工作温度下累计服役每24 h应更换一次或打磨复用。

4.根据权利要求1所述的基于液态金属阴极的钛矿电解-钨萃取钛硅高效分离方法，其特征在于，S1中金属钨的布置方式包括：钨棒、钨块、钨网、自炉口插入的钨杆或其他模块化钨构件;阴极导电杆选用不与阴极合金发生反应的导电材料，阴极导电杆外套绝缘体保护;阳极采用惰性电极材料或石墨。

5.根据权利要求3所述的基于液态金属阴极的钛矿电解-钨萃取钛硅高效分离方法，其特征在于，S1中根据工况和规模选用Φ6-25 mm的钨棒，或厚度2-10 mm的钨块，或线径0.2-1.0 mm、网孔2-10 mm的钨网，或自炉口插入的Φ6-10 mm、长度为槽深的120-150%的钨杆，或其他满足技术需求的模块化钨构件。

6.根据权利要求1所述的基于液态金属阴极的钛矿电解-钨萃取钛硅高效分离方法，其特征在于，S1中液态阴极为铁系金属元素，铅金属，铜金属，锡金属，锑金属，或与钛形成稳定合金且工作温度下蒸汽压低、润湿性与扩散性好的金属。

7.根据权利要求1所述的基于液态金属阴极的钛矿电解-钨萃取钛硅高效分离方法，其特征在于，S1中含二氧化钛的矿石包括90-95% TiO2金红石、50-60% TiO2板钛矿;电解质还包括Ca2+、Mg2+或其他可使体系电导率升高、粘度降低的金属离子。

8.根据权利要求1所述的基于液态金属阴极的钛矿电解-钨萃取钛硅高效分离方法，其特征在于，S2中在惰性气氛的保护下，将温度升至高于电解质体系液相线温度50-500 ℃并保温30-60 min;钛矿电解的阴极电流密度为0.1-1.5A·cm-2的实验室尺度，或8-12 A·cm-2的工业尺度，稳态电流效率≥70%。

9.根据权利要求1所述的基于液态金属阴极的钛矿电解-钨萃取钛硅高效分离方法，其特征在于，S3中初步分离的物理方式包括切割、剥离;固液分离为结合两相熔点与密度差来进行;真空蒸馏为在 10-1-10-3 mbar 真空下于 900-1200 ℃进行减压/真空蒸馏。

10.根据权利要求1所述的基于液态金属阴极的钛矿电解-钨萃取钛硅高效分离方法，其特征在于，S3中实验室典型参数下获得的钛合金的氧含量为300-600 ppm，钨对熔融状态下硅的选择性萃取的萃取效率为90-96%，最终钛回收率为82-90%，硅回收率为92-96%;工业放大并采用多孔钨块/钨网与定期更新表面时，获得的钛合金的氧含量为800-2000 ppm，钨对熔融状态下硅的选择性萃取的萃取效率为88-95%，最终钛回收率为80-88%，硅回收率为90-95%。

说明书

技术领域

[0001]本发明涉及火法冶金的技术领域，特别是指基于液态金属阴极的钛矿电解-钨萃取钛硅高效分离方法。

背景技术

[0002]钛资源广泛赋存于金红石、钛铁矿等天然矿物中，但受制于传统提取工艺流程长、能耗高、对原料品位要求严格等因素，钛的高效回收利用仍面临挑战。

[0003]目前，钛的主流提取技术依赖于高温物理冶炼或化学湿法处理，这些工艺不仅对矿石原料的品位和纯度有严格要求，还存在流程繁琐、能耗高、成本高昂等问题。即便能够得到一定纯度的钛产品，过程中的效率和资源回收率仍然较低，往往有相当比例的钛因过程损耗而随废渣排放，造成极大的资源浪费和环境压力。

[0004]针对上述问题，研究人员尝试了如酸性浸出、碳热还原-氯化等多种创新手段对废渣中的钛进行二次提取，但由于高炉渣中钛赋存形式复杂，这些方法依然很难实现钛资源的高效回收和利用。高温电化学电解提取钛的工艺为提取高纯钛和提高资源综合利用率提供了新的技术方向。该方法可以直接利用高温下金属氧化物的分解及还原电位差，高效沉积目标金属，但在以含二氧化钛矿石为电解质时，由于二氧化硅等杂质的电化学行为，钛的还原常受到抑制。

[0005]例如，中国专利CN110079836A公开了液态金属阴极熔盐电解可溶性钛酸盐制备钛合金的方法，其电解质为可溶性钛酸盐，属于恒电压电解，钛合金在阴极表面，分离得到;显然钛酸盐作为电解质不同于含硅钛矿石作为电解质，电解产生的阴极产物并不含有硅，故而不需要考虑硅和钛的分离高效回收，并且也未考虑资源的高效回收利用，成本高。

[0006]中国专利CN110284158A公开了一种液态铜阴极电解含钛炉渣梯级分离钛铜和钛硅的方法，需要考虑直流电解过程含钛炉渣中钛离子活度来进行直接电解，阴极产物以钛离子活度10%为界，从而电解获得不同的合金;然而这不仅存在含钛炉渣成分复杂、电解产物含有夹杂物使得产物纯度不高，并且存在阴极产物中钛铜合金和钛硅合金先后生成，合金的回收利用采用的梯度分离会使得钛铜合金产生后到钛硅合金产生前需要将产生的钛铜合金分离出来，但是这个界限并不好把控，故而所回收的钛铜合金中可能存在硅元素，降低产物的纯度;而所回收的钛硅合金中也可能存在铜元素，同样降低产物的纯。并且钛硅合金的应用范围较窄，主要集中在特定领域，其商业价值与硅相比不具备显著优势。

[0007]针对含二氧化钛矿石体系中杂质硅等共存元素带来的分离难题，亟需一种原料适应性强、流程可控、绿色友好的分离与富集新路径。

发明内容

[0008]本发明的主要目的是为了解决现有技术中存在的含二氧化钛矿石体系中杂质硅等共存元素带来的分离难题，包括矿石原料的品位和纯度会提高生产成本、还原的能耗和成本高、还原效率不高、无法实现资源的高效回收利用等技术问题。故而，提出了能够解决前述问题的基于液态金属阴极的钛矿电解-钨萃取钛硅高效分离方法。

[0009]基于液态金属阴极的钛矿电解-钨萃取钛硅高效分离方法，所述基于液态金属阴极的钛矿电解-钨萃取钛硅高效分离方法具体操作步骤如下：

[0010]S1、液态阴极、萃取剂和电解质的设置：在电解炉底部铺设工作温度下呈液态的金属作为阴极基体，准备金属钨作为萃取剂布置在阴极区;向炉内加入含二氧化钛的矿石作为电解质;

[0011]S2、加热升温并电解：在惰性气氛的保护下，将温度升至高于电解质体系液相线温度并保温，待电解质充分熔融后，下放阴极导电杆至工作温度下呈液态的金属区域，下放阳极至熔融电解质中，检查电路通路，对阳极与阴极进行通电，恒电流进行钛矿电解;

[0012]S3、钨萃取和合金回收：电解完成炉温降至室温后取出阴极，依托钨对熔融状态下硅的选择性萃取，阴极端将会获得钨-硅合金与钛-阴极基体合金，通过切割、剥离的物理方式实现钛-阴极基体合金的初步分离;随后利用两相熔点与密度差实施固液分离/真空蒸馏，实现高效纯化得到钛合金;回收阴极基体与未消耗的钨循环利用，电解质回收后作为水泥等的原料二次利用。

[0013]可选地，钛矿电解-钨萃取钛硅高效分离方法设备包括电解炉，电解炉的顶部设置有上炉盖，中部设置有电解空间，底部设置有下炉盖;上炉盖在电解炉外设置有进气口和导电杆，上炉盖在电解炉内设置有多个刚玉保护套，其中一个刚玉保护套下连接有阳极;电解空间内从下到上依次盛放有合金阴极和含二氧化钛的矿石;下炉盖内设置有支撑耐火托盘的支撑杆，耐火托盘设置在电解空间的下方。

[0014]可选地，S1中金属钨在阴极区的布置需要满足放置位置需保证不接触阴极和阳极且有充足离子通道的技术需求;金属钨在工作温度下累计服役每24 h应更换一次或打磨复用。

[0015]可选地，S1中金属钨的布置方式包括：钨棒、钨块、钨网、自炉口插入的钨杆或其他模块化钨构件;阴极导电杆选用不与阴极合金发生反应的导电材料，阴极导电杆外套绝缘体保护;阳极采用惰性电极材料或石墨。阴极在液态条件下流动性更高且扩散和润湿性更好，能促成液相内部以及液相-钨表面之间的快速传质，提升萃取效率。

[0016]可选地，S1中根据工况和规模选用Φ6-25 mm的钨棒，或厚度2-10 mm的钨块，或线径0.2-1.0 mm、网孔2-10 mm的钨网，或自炉口插入的Φ6-10 mm、长度为槽深的120-150%的钨杆，或其他满足技术需求的模块化钨构件。

[0017]可选地，S1中液态阴极为铁系金属元素，铅金属，铜金属，锡金属，锑金属，或与钛形成稳定合金且工作温度下蒸汽压低、润湿性与扩散性好的金属。

[0018]可选地，S1中含二氧化钛的矿石包括90-95% TiO2金红石、50-60% TiO2板钛矿;电解质还包括Ca2+、Mg2+或其他可使体系电导率升高、粘度降低的金属离子。二氧化钛品位高、选择范围广，原料价格低廉，实现对矿产资源的二次利用，遵循绿色冶金、环境友好的生产原则。另外向电解质中添加Ca2+、Mg2+等可使体系电导率升高、粘度降低，从而提升传质与生产效率。

[0019]可选地，S2中在惰性气氛的保护下，将温度升至高于电解质体系液相线温度50-500 ℃并保温30-60 min;钛矿电解的阴极电流密度为0.1-1.5 A·cm-2的实验室尺度，或8-12 A·cm-2的工业尺度，稳态电流效率≥70%。

[0020]可选地，S3中初步分离的物理方式包括切割、剥离;固液分离为结合两相熔点与密度差来进行;真空蒸馏为在 10-1-10-3 mbar 真空下于 900-1200 ℃进行减压/真空蒸馏。

[0021]可选地，S3中基于液态金属阴极的钛矿电解—钨萃取钛硅高效分离方法步骤三中钛元素以合金形态富集并固溶于阴极基体相，减少与氧化物电解质的接触，提纯后钛合金氧含量低，产品质量高。

[0022]可选地，S3中实验室典型参数下获得的钛合金的氧含量为300-600 ppm，钨对熔融状态下硅的选择性萃取的萃取效率为90-96%，最终钛回收率为82-90%，硅回收率为92-96%;工业放大并采用多孔钨块/钨网与定期更新表面时，获得的钛合金的氧含量为800-2000ppm，钨对熔融状态下硅的选择性萃取的萃取效率为88-95%，最终钛回收率为80-88%，硅回收率为90-95%。上述范围与阴极电流密度、温度区间、阴极基体类型及钨构件布置方式等工艺参数匹配可稳定实现。

[0023]可选地，S3中阴极基体的循环回收率不低于90%，电解质回收率不低于90%，单程电流效率不低于70%，钨块质量净增不低于0.5g。

[0024]可选地，实验室典型参数下，基于液态金属阴极的钛矿电解-钨萃取钛硅高效分离方法的批次用电约32 kWh、氩气约0.42 m3，钨与阴极折损分别约0.001 kg与0.015 kg;产钛约0.020 kg。综合直接成本约95-100元/批，对应单位成本约4.8千元/kg Ti，处于实验室小试的较低水平。

[0025]可选地，工业放大并采用多孔钨块/钨网与定期更新表面，基于液态金属阴极的钛矿电解-钨萃取钛硅高效分离方法的日用电约260 kWh、氩气约14.4 m3，钨与阴极折损分别约0.18 kg/d与0.45 kg/d;日产钛约1.47 kg。综合成本约1.7-1.8千元/日，对应单位成本约1.17千元/kg Ti，主要成本项为电力、氩气与钨折损，整体体现较为经济实惠。

[0026]本发明的技术原理：

[0027]本发明采用高温熔盐电解基本方法，利用体系在熔融状态下金属钨对硅的萃取作用，阴极获得钨-硅合金与钛-阴极基体合金，通过物理分离-固液分离-真空精馏方法，实现产物高度纯化。剩余阴极基体和未消耗的金属钨可回收再次利用，电解质可用于生产水泥等。与现有技术相比，本发明利用液态金属阴极配合金属钨原位萃取，显著降低钛合金中硅夹杂，钛的回收率约82-90%，减少后续精炼负担;液态阴极降低极化并避免钝化，支持较高电流密度与电流效率，电解质与钨构件可循环，流程短、药剂少，单位成本低于传统氯化-还原法(Kroll)与固体阴极熔盐电解(FFC类);同时无需 TiCl4/Cl2与 Mg 等危险介质，不产生含氯废液/废气，W-Si副产可回用，便于物料闭路循环，安全与环境压力更小。

[0028]上述技术方案，与现有技术相比至少具有如下有益效果：

[0029]上述方案，本发明提出了基于液态金属阴极的钛矿电解-钨萃取钛硅高效分离方法，能够解决现有技术中存在的含二氧化钛矿石体系中杂质硅等共存元素带来的分离难题，包括矿石原料的品位和纯度会提高生产成本、还原的能耗和成本高、还原效率不高、无法实现资源的高效回收利用等技术问题。

[0030]本发明方法通过在阴极区布置金属钨，使电解质中硅优先向钨相富集并生成钨-硅合金，同时钛在电解条件下向液态阴极中扩散沉积形成钛-阴极基体合金，实现钛、硅的分离。

[0031]本发明方法采取的钨金属萃取硅原理简单、操作便捷，在阴极区布置形式灵活(棒/块/网/插入式模块等)，适配多场景与多规模生产，未消耗部分仍可打磨复用。

[0032]本发明方法使用含二氧化钛矿物作为电解质，原料来源广泛，价格低廉，实现矿产资源的二次利用;阴极金属仅需满足在工作温度下处于熔融状态且与钛形成稳定合金相即可，不再受到硅电化学行为的约束;阴极产物分离后可回收再次利用，剩余电解质也可参与水泥等的制备，提升整体循环性。

[0033]本发明方法使用惰性材料作为阳极时可减少温室气体排放，符合绿色冶金、可持续发展理念。

[0034]本发明方法在熔融电解过程中，钛溶解在液态阴极中，可以避免含钛高炉渣与钛之间的接触，有助于减少产物的氧含量，产品质量高;阴极金属与电解质之间能够完整物理分离，易于收集阴极产物。

[0035]本发明方法具有电解质原料范围广、阴极金属选择灵活、产物分离高效、产品质量高、合金种类多样的特点。

[0036]总之，本发明方法相对于传统钛矿石提取钛的方法，在阴极区引入熔点高、化学稳定性强、对于硅有较强萃取能力的金属钨作为电解体系的萃取构件，在含二氧化钛矿石电解质体系的电解过程中，阴极端将会获得钨-硅合金与钛-阴极基体合金，实现钛与硅的选择性分离。该“电解-萃取”协同思路有助于拓宽原料适配范围、简化后处理、提高分离效率与产品一致性，利于工业大规模生产和应用推广。

附图说明

[0037]为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0038]图1是本发明基于液态金属阴极的钛矿电解-钨萃取钛硅高效分离方法的装置结构图，其中，标号Ⅰ为电解炉，标号Ⅱ为阴极产物分离，标号1为进气口，标号2为导电杆，标号3为上炉盖，标号4为刚玉保护套，标号5为阳极，标号6为含二氧化钛的矿石，标号7为合金阴极，标号8为耐火托盘，标号9为支撑杆，标号10为下炉盖。

具体实施方式

[0039]下面结合附图，对本发明中的技术方案进行描述。

[0040]在本发明实施例中，“示例地”、“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本发明中被描述为“示例”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其它实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用示例的一词旨在以具体方式呈现概念。此外，在本发明实施例中，“和/或”所表达的含义可以是两者都有，或者可以是两者任选其一。

[0041]本发明实施例中，“图像”，“图片”有时可以混用，应当指出的是，在不强调其区别时，其所要表达的含义是一致的。

[0042]本发明实施例中，有时候下标如W1可能会写为非下标的形式如W1，在不强调其区别时，其所要表达的含义是一致的。

[0043]为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

[0044]基于液态金属阴极的钛矿电解-钨萃取钛硅高效分离方法，所述基于液态金属阴极的钛矿电解-钨萃取钛硅高效分离方法具体操作步骤如下：

[0045]S1、液态阴极、萃取剂和电解质的设置：在电解炉底部铺设工作温度下呈液态的金属作为阴极基体，准备金属钨作为萃取剂布置在阴极区;向炉内加入含二氧化钛的矿石作为电解质;

[0046]S2、加热升温并电解：在惰性气氛的保护下，将温度升至高于电解质体系液相线温度并保温，待电解质充分熔融后，下放阴极导电杆至工作温度下呈液态的金属区域，下放阳极至熔融电解质中，检查电路通路，对阳极与阴极进行通电，恒电流进行钛矿电解;

[0047]S3、钨萃取和合金回收：电解完成炉温降至室温后取出阴极，依托钨对熔融状态下硅的选择性萃取，阴极端将会获得钨-硅合金与钛-阴极基体合金，通过切割、剥离的物理方式实现钛-阴极基体合金的初步分离;随后利用两相熔点与密度差实施固液分离/真空蒸馏，实现高效纯化得到钛合金，具体如图1中阴极产物分离Ⅱ所示;回收阴极基体与未消耗的钨循环利用，电解质回收后作为水泥等的原料二次利用。

[0048]特别地，钛矿电解-钨萃取钛硅高效分离方法设备如图1中电解炉Ⅰ所示，电解炉Ⅰ的顶部设置有上炉盖3，中部设置有电解空间，底部设置有下炉盖10;上炉盖3在电解炉外设置有进气口1和导电杆2，上炉盖3在电解炉Ⅰ内设置有多个刚玉保护套4，其中一个刚玉保护套4下连接有阳极5;电解空间内从下到上依次盛放有合金阴极7和含二氧化钛的矿石6;下炉盖10内设置有支撑耐火托盘的支撑杆9，耐火托盘8设置在电解空间的下方。

[0049]特别地，S1中金属钨在阴极区的布置需要满足放置位置需保证不接触阴极和阳极且有充足离子通道的技术需求;金属钨在工作温度下累计服役每24h应更换一次或打磨复用。

[0050]特别地，S1中金属钨的布置方式包括：钨棒、钨块、钨网、自炉口插入的钨杆或其他模块化钨构件;阴极导电杆选用不与阴极合金发生反应的导电材料，阴极导电杆外套绝缘体保护;阳极采用惰性电极材料或石墨。阴极在液态条件下流动性更高且扩散和润湿性更好，能促成液相内部以及液相-钨表面之间的快速传质，提升萃取效率。

[0051]特别地，S1中根据工况和规模选用Φ6-25 mm的钨棒，或厚度2-10 mm的钨块，或线径0.2-1.0 mm、网孔2-10 mm的钨网，或自炉口插入的Φ6-10 mm、长度为槽深的120-150%的钨杆，或其他满足技术需求的模块化钨构件。

[0052]特别地，S1中液态阴极为铁系金属元素，铅金属，铜金属，锡金属，锑金属，或与钛形成稳定合金且工作温度下蒸汽压低、润湿性与扩散性好的金属。

[0053]特别地，S1中含二氧化钛的矿石包括90-95% TiO2金红石、50-60% TiO2板钛矿;电解质还包括Ca2+、Mg2+或其他可使体系电导率升高、粘度降低的金属离子。二氧化钛品位高、选择范围广，原料价格低廉，实现对矿产资源的二次利用，遵循绿色冶金、环境友好的生产原则。另外向电解质中添加Ca2+、Mg2+等可使体系电导率升高、粘度降低，从而提升传质与生产效率。

[0054]特别地，S2中在惰性气氛的保护下，将温度升至高于电解质体系液相线温度50-500 ℃并保温30-60 min;钛矿电解的阴极电流密度为0.1-1.5A·cm-2的实验室尺度，或8-12A·cm-2的工业尺度，稳态电流效率≥70%。

[0055]特别地，S3中初步分离的物理方式包括切割、剥离;固液分离为结合两相熔点与密度差来进行;真空蒸馏为在 10-1-10-3 mbar 真空下于 900-1200 ℃进行减压/真空蒸馏。

[0056]特别地，S3中基于液态金属阴极的钛矿电解—钨萃取钛硅高效分离方法步骤三中钛元素以合金形态富集并固溶于阴极基体相，减少与氧化物电解质的接触，提纯后钛合金氧含量低，产品质量高。

[0057]特别地，S3中实验室典型参数下获得的钛合金的氧含量为300-600 ppm，钨对熔融状态下硅的选择性萃取的萃取效率为90-96%，最终钛回收率为82-90%，硅回收率为92-96%;工业放大并采用多孔钨块/钨网与定期更新表面时，获得的钛合金的氧含量为800-2000ppm，钨对熔融状态下硅的选择性萃取的萃取效率为88-95%，最终钛回收率为80-88%，硅回收率为90-95%。上述范围与阴极电流密度、温度区间、阴极基体类型及钨构件布置方式等工艺参数匹配可稳定实现。

[0058]特别地，S3中阴极基体的循环回收率不低于90%，电解质回收率不低于90%，单程电流效率不低于70%，钨块质量净增不低于0.5g。

[0059]特别地，实验室典型参数下，基于液态金属阴极的钛矿电解-钨萃取钛硅高效分离方法的批次用电约32 kWh、氩气约0.42 m3，钨与阴极折损分别约0.001 kg与0.015kg;产钛约0.020 kg。综合直接成本约95-100元/批，对应单位成本约4.8千元/kg Ti，处于实验室小试的较低水平。

[0060]特别地，工业放大并采用多孔钨块/钨网与定期更新表面，基于液态金属阴极的钛矿电解-钨萃取钛硅高效分离方法的日用电约260 kWh、氩气约14.4 m3，钨与阴极折损分别约0.18 kg/d与0.45 kg/d;日产钛约1.47 kg。综合成本约1.7-1.8千元/日，对应单位成本约1.17千元/kg Ti，主要成本项为电力、氩气与钨折损，整体体现较为经济实惠。

[0061]实施例1

[0062]基于液态金属阴极的钛矿电解-钨萃取钛硅高效分离方法，所述基于液态金属阴极的钛矿电解-钨萃取钛硅高效分离方法具体操作步骤如下：

[0063]S1、液态阴极、萃取剂和电解质的设置：在电解炉高纯刚玉坩埚底部铺设工作温度下呈液态的120 g钴金属粉末作为阴极基体，同时斜放一根Φ4×20 mm的钨棒，钨棒下端插入钴粉末之中，并保证钨棒与体系绝缘;300 g含钛的硅酸盐矿石配渣(25.24wt%CaO -16.00wt%Al2O3-8.00wt%MgO-25.00wt%TiO2-25.76wt%SiO2)作为电解质添加在阴极上方;阴极导电杆选用石墨材料并外套刚玉管保护，10×40 mm的铱片作为阳极;

[0064]S2、加热升温并电解：在氩气气氛的保护下，将温度升至1600 ℃并保温30 min，待电解质充分熔融后，下放阴极导电杆至工作温度下呈液态的金属区域，下放阳极至熔融电解质中，检查电路通路，对阳极与阴极进行通电，恒电流电解3 h，阴极电流密度0.3 A·cm-2;

[0065]S3、钨萃取和合金回收：电解完成炉温降至室温后取出阴极，依托钨对熔融状态下硅的选择性萃取，阴极端将会获得钨-硅合金与钛-钴合金，钨-硅合金较大密度较小分布于靠近钴基体表面浅层，钛-钴合金密度较大位于其下方。基于合金分布位置初步进行物理分离，后再进行固液分离与减压精馏提纯，具体如图1中阴极产物分离Ⅱ所示;阴极钴的循环回收率≥92%，钨棒质量变化 0.6-1.2 g，单程电流效率75-82%，经称量与成分分析，钛回收率为88.0%，硅回收率为93.5%。电解质经过滤干燥后作为水泥原料二次利用。

[0066]实施例2

[0067]基于液态金属阴极的钛矿电解-钨萃取钛硅高效分离方法，所述基于液态金属阴极的钛矿电解-钨萃取钛硅高效分离方法具体操作步骤如下：

[0068]S1、液态阴极、萃取剂和电解质的设置：在电解炉高纯刚玉坩埚底部放置60 g钨块(50×25×8 mm)，其上方均匀铺设镍粉150 g作为阴极基体;300 g含钛矿渣(17.67wt%CaO-11.20wt%Al2O3-5.60 wt%MgO-17.50wt%TiO2-18.32wt%SiO2-30.00wt%CaF2)作为电解质添加在阴极上方;阴极导电杆选用石墨材料并外套刚玉管保护，Φ10×50 mm的石墨棒作为阳极;

[0069]S2、加热升温并电解：在氩气气氛的保护下，将温度升至1550℃并保温30 min，待电解质充分熔融后，下放阴极导电杆至工作温度下呈液态的镍金属区域，下放阳极至熔融电解质中，检查电路通路，对阳极与阴极进行通电，恒电流电解2.5 h，阴极电流密度0.2A·cm-2;

[0070]S3、钨萃取和合金回收：电解完成炉温降至室温后取出阴极，依托钨对熔融状态下硅的选择性萃取，阴极端将会获得钨-硅合金与钛-镍合金，钨-硅合金较大密度较小分布于靠近镍基体表面浅层，钛-镍合金密度较大位于其下方。基于合金分布位置初步进行物理分离，后再进行固液分离与减压精馏提纯，具体如图1中阴极产物分离Ⅱ所示;阴极钴的循环回收率≥90%，钨块质量净增0.5-0.8 g，单程电流效率70-80%，经称量与成分分析，钛回收率为85.6%，硅回收率为92.4%。

[0071]经济性说明：本批次用电约32 kWh、氩气约0.42 m3，钨与阴极折损分别约0.001kg与0.015 kg;产钛约0.020 kg。综合直接成本约95–100元/批，对应单位成本约4.8千元/kg Ti，处于实验室小试的较低水平。

[0072]实施例3

[0073]基于液态金属阴极的钛矿电解-钨萃取钛硅高效分离方法，所述基于液态金属阴极的钛矿电解-钨萃取钛硅高效分离方法具体操作步骤如下：

[0074]S1、液态阴极、萃取剂和电解质的设置：在电解炉高纯刚玉坩埚底部铺设工作温度下呈液态的130 g铁金属粉末作为阴极基体，同时自炉口垂直插入一根Φ6×1000 mm的钨杆，钨杆下端距坩埚底3-6 mm;300 g含钛氧化渣(12.30wt%CaO-23.80wt%Al2O3-8.80wt%MgO-31.40 wt%TiO2-23.70wt%SiO2)作为电解质添加在阴极上方;阴极导电杆选用石墨材料并外套刚玉管保护，Φ10×50 mm的石墨棒作为阳极;

[0075]S2、加热升温并电解：在氩气气氛的保护下，将温度升至1600 ℃并保温30 min，待电解质充分熔融后，下放阴极导电杆至工作温度下呈液态的金属区域，下放阳极至熔融电解质中，检查电路通路，对阳极与阴极进行通电，恒电流电解3 h，阴极电流密度0.5 A·cm-2;

[0076]S3、钨萃取和合金回收：电解完成炉温降至室温后取出阴极，依托钨对熔融状态下硅的选择性萃取，阴极端将会获得钨-硅合金与钛-铁合金，钨-硅合金较大密度较小分布于靠近铁基体表面浅层，钛-铁合金密度较大位于其下方。基于合金分布位置初步进行物理分离，后再进行固液分离与减压精馏提纯，具体如图1中阴极产物分离Ⅱ所示;铁基体循环回收率≥95%，单程电流效率72-80%，经称量与成分分析，钛回收率为89.1%，硅回收率为94.0%。电解质可作为水泥熟料调配原料再利用。

[0077]实施例4

[0078]基于液态金属阴极的钛矿电解-钨萃取钛硅高效分离方法，所述基于液态金属阴极的钛矿电解-钨萃取钛硅高效分离方法具体操作步骤如下：

[0079]S1、液态阴极、萃取剂和电解质的设置：在电解炉高纯刚玉坩埚底部铺设工作温度下呈液态的110g锡金属粉末作为阴极基体，同时插入一根Φ6×30 mm的钨棒，钨棒下端插入锡粉末之中中部位置;300g(30.00wt%CaO-15.00wt%Al2O3-20.00wt%TiO2-10.00wt%SiO2-25.00wt%CaF2)作为电解质添加在阴极上方;阴极导电杆选用石墨材料并外套刚玉管保护，Φ10×50 mm的石墨棒作为阳极;

[0080]S2、加热升温并电解：在氩气气氛的保护下，将温度升至1500 ℃并保温30 min，待电解质充分熔融后，下放阴极导电杆至工作温度下呈液态的金属区域，下放阳极至熔融电解质中，检查电路通路，对阳极与阴极进行通电，恒电流电解3 h，阴极电流密度0.3 A·cm-2;

[0081]S3、钨萃取和合金回收：电解完成炉温降至室温后取出阴极，依托钨对熔融状态下硅的选择性萃取，阴极端将会获得钨-硅合金与钛-锡合金，钨-硅合金较大密度较小分布于靠近锡基体表面浅层，钛-锡合金密度较大位于其下方。基于合金分布位置初步进行物理分离，后再进行固液分离与减压精馏提纯，具体如图1中阴极产物分离Ⅱ所示;锡基体循环回收率≥94%，单程电流效率70-76%，经称量与成分分析，钛回收率为87.2%，硅回收率为91.8%，电解质回收率≥90%。

[0082]实施例5

[0083]基于液态金属阴极的钛矿电解-钨萃取钛硅高效分离方法，所述基于液态金属阴极的钛矿电解-钨萃取钛硅高效分离方法具体操作步骤如下：

[0084]S1、液态阴极、萃取剂和电解质的设置：在电解炉高纯刚玉坩埚底部中央布置多孔钨块单元3块，总质量3600 g钨块，单块1200 g，尺寸120×80×20 mm，孔径0.8-1.2 mm、孔隙率10-15%，装配可更换托架，其上方均匀铺盖铜粉 8000-10000 g形成大面积阴极基体，有效面积约 900-1100 cm2;阳极采用石墨板3-4片并联(单片200×12×450 mm)，阴极导电母排为水冷铜排并在熔盐接触段外套刚玉/氮化硅陶瓷护套;在阴极上方加入以板钛矿为TiO2来源的配渣电解质18-22 kg(27.00wt%CaO-15.00wt%Al2O3-20.00wt%TiO2-10.00wt%SiO2 -28.00wt%CaF2);

[0085]S2、加热升温并电解：在氩气气氛的保护下，将温度升至1630 ℃并保温90 min，待电解质充分熔融后，下放阴极导电杆至工作温度下呈液态的铜金属区域，下放阳极至熔融电解质中，检查电路通路，对阳极与阴极进行通电，恒电流电解，阴极电流密度8 A·cm-2;电解连续运行每24 h更换钨块与电解质;

[0086]S3、钨萃取和合金回收：电解完成按程序冷却至≤150 ℃ 后拆取阴极，依托钨对熔融状态下硅的选择性萃取，阴极端将会获得钨-硅合金与钛-镍合金，钨-硅合金较大密度较小分布于靠近铜基体表面浅层，钛-铜合金密度较大位于其下方。多孔钨块内表面与孔道形成均匀 钨-硅层厚度 80-150 μm、通道阻塞率<10%，基于合金分布位置初步进行物理分离，后再进行固液分离与减压精馏提纯，具体如图1中阴极产物分离Ⅱ所示;铜基体回收率≥95%、电解质回收率≥90%、单程电流效率68-75%，连续稳定运行条件下，单釜周期的钛回收率为84.3%，硅回收率为93.0%。钨构件可打磨后循环复用。

[0087]经济性说明：日用电约260 kWh、氩气约14.4 m3，钨与阴极折损分别约0.18 kg/d与0.45 kg/d;日产钛约1.47 kg。综合成本约1.7-1.8千元/日，对应单位成本约1.17千元/kg Ti，主要成本项为电力、氩气与钨折损，整体体现较为经济实惠。

[0088]上述方案，本发明提出了基于液态金属阴极的钛矿电解-钨萃取钛硅高效分离方法，能够解决现有技术中存在的含二氧化钛矿石体系中杂质硅等共存元素带来的分离难题，包括矿石原料的品位和纯度会提高生产成本、还原的能耗和成本高、还原效率不高、无法实现资源的高效回收利用等技术问题。

[0089]本发明方法通过在阴极区布置金属钨，使电解质中硅优先向钨相富集并生成钨-硅合金，同时钛在电解条件下向液态阴极中扩散沉积形成钛-阴极基体合金，实现钛、硅的分离。

[0090]本发明方法采取的钨金属萃取硅原理简单、操作便捷，在阴极区布置形式灵活(棒/块/网/插入式模块等)，适配多场景与多规模生产，未消耗部分仍可打磨复用。

[0091]本发明方法使用含二氧化钛矿物作为电解质，原料来源广泛，价格低廉，实现矿产资源的二次利用;阴极金属仅需满足在工作温度下处于熔融状态且与钛形成稳定合金相即可，不再受到硅电化学行为的约束;阴极产物分离后可回收再次利用，剩余电解质也可参与水泥等的制备，提升整体循环性。

[0092]本发明方法使用惰性材料作为阳极时可减少温室气体排放，符合绿色冶金、可持续发展理念。

[0093]本发明方法在熔融电解过程中，钛溶解在液态阴极中，可以避免含钛高炉渣与钛之间的接触，有助于减少产物的氧含量，产品质量高;阴极金属与电解质之间能够完整物理分离，易于收集阴极产物。

[0094]本发明方法具有电解质原料范围广、阴极金属选择灵活、产物分离高效、产品质量高、合金种类多样的特点。

[0095]总之，本发明方法相对于传统钛矿石提取钛的方法，在阴极区引入熔点高、化学稳定性强、对于硅有较强萃取能力的金属钨作为电解体系的萃取构件，在含二氧化钛矿石电解质体系的电解过程中，阴极端将会获得钨-硅合金与钛-阴极基体合金，实现钛与硅的选择性分离。该“电解-萃取”协同思路有助于拓宽原料适配范围、简化后处理、提高分离效率与产品一致性，利于工业大规模生产和应用推广。

[0096]应理解，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况，其中A,B可以是单数或者复数。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系，但也可能表示的是一种“和/或”的关系，具体可参考前后文进行理解。

[0097]本发明中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a,b,或c中的至少一项(个)，可以表示：a, b, c, a-b, a-c, b-c, 或a-b-c，其中a,b,c可以是单个，也可以是多个。

[0098]应理解，在本发明的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

[0099]以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

说明书附图(1)