Fray-Farthing-Chen Cambridge Process 工藝制備金屬及合金研究綜述

周忠仁

（昆明理工大學 冶金與能源工程學院，云南 昆明650093）

新型固態化合物熔鹽電解FFC 工藝自成功從電解還原固態TiO2制備出單質Ti 以來[1]，受到研究人員的廣泛關注。此法最初是為了除去金屬Ti 中溶解的氧，后來此法得到完善，并發展成為直接電解固態TiO2制備海綿鈦的冶金工藝。

本文對熔鹽電解金屬氧化物制備金屬及合金相關研究進行了綜述，分析了熔鹽電解方法在高溫冶金電化學方面的應用。

1 熔鹽電解法簡介

熔鹽電解工藝又稱Fray-Farthing-Chen Cambridge Process（FFC）電解工藝。該工藝的典型創新是取代了傳統熔鹽電解采用可溶性鹽作為初始物料，采用價格低廉的固態金屬氧化物及混合物作為原料，在高溫熔鹽、通電情況下，固態金屬氧化物能實現原位電解還原得到單質。從氧化物固態晶格中脫離的陽離子擴散至熔鹽并在陽極放電生成氣體。

2 熔鹽電解法在提取金屬單質方面的應用

加拿大魁北克鈦鐵公司（Quebec Iron&Titanium Inc）以CaF2為熔鹽電解質，實現了金屬鈦及鈦合金錠連續生產。

在難熔金屬方面，MA 等人[2-3]電解不同富鈦原料制取了金屬鈦。中科院過程所劉美鳳、郭占成等人、昆明理工大學的郭勝惠等人對熔鹽電解制備海綿鈦進行了詳細研究。王淑蘭等人通過研究直接電解還原TiO2，發現TiO2的還原經歷TiO、Ti 的分步還原過程。YAN 等人電解還原Nb2O5制備得到金屬鈮。許茜等人研究了孔隙和焙燒后Ta2O5的形貌對電脫氧速度和產物的純度影響顯著，在還原過程中擴散是反應的控制性環節。王淑蘭等人[4]通過研究SiO2電脫氧反應的交流阻抗譜發現，陰極電脫氧反應速度控制步驟是電荷傳遞過程。WANG 等人[5]通過熔鹽電解Tb2O7制備得到重稀土金屬Tb。

3 熔鹽電解法在制備合金方面的應用

日本學者PANIGRAHI 等人[6]從鈦鐵礦中直接電解還原，成功制取了FeTi、β-Ti（FeTi4）合金。JACKSON 等人[7-8]用FFC 冶煉工藝制得了NiTi、TiMo 合金。科研人員還利用熔鹽電化學還原混合氧化物的方法制備鋯基的多相儲氫合金ZrCr0.7Ni1.3和Zr0.5Ti0.5V0.5Cr0.2Ni1.3[9]，發現電解合金結節狀的多孔結構，有利于提高合金的比表面活性，從而提高電極的儲氫性能。

4 熔鹽電解法在新能源方面應用

SHI 等人[10]以低溫混鹽中制備出的鈦基中間價態氧化物為載體，搭載Pt 催化CO 和甲醇，將熔鹽電解應用延伸至電催化領域。WANG 等人[11]在NaCl-KCl 混鹽中以大于90%的電流效率制得了納米金屬W，陽極產物為S2，無污染氣體排除實現了綠色冶金，并且能耗低于1.23 kWh/kg。XIAO等人[12]以SiO2/GeO 為原料制備出了SiGe 納米復合材料，將SiGe 納米管制作成鋰離子電池負極，在200 mA/g 的放電電流密度下，循環100 圈后仍有590 mAh/g 的可逆比容量。

5 結束語

熔鹽電解法在直接電解金屬氧化物制備金屬方面的成功應用表明，難熔金屬氧化物能夠通過短流程、低能耗的方式得到精煉，為制備相應的單質及合金提供了新思路，體現出了該方法的巨大優越性。