[發明專利]一種基于鋁熱自蔓延-噴吹深度還原制備鈦鐵合金的方法

有效

• 申請號: 201410345901.4
• 申請日: 2014-07-21
• 公開（公告）號: CN104131128A
• 公開（公告）日: 2014-11-05
• 發明（設計）人: 豆志河;張廷安;張子木;王聰;劉燕;呂國志;赫冀成;蔣孝麗
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: C21B15/02
• 分類號: C21B15/02;C22C14/00;C22C38/14
• 代理公司: 沈陽東大知識產權代理有限公司 21109
• 代理人: 梁焱

技術領域

本發明屬于鈦鐵合金技術領域，特別涉及一種基于鋁熱自蔓延-噴吹深度還原制備鈦鐵合金的方法。

背景技術

鈦被譽為繼鐵和鋁之后的第三大金屬，鈦及鈦合金是國家經濟發展和國防建設不可替代的戰略物質，廣泛應用在航空、化工、兵器、核工業、運動器材、醫療及新能源等領域。其中，鈦鐵是經過還原或重熔而得到的含鈦在20～75％的鈦中間合金，其是冶煉特種鋼、結構鋼合特種合金的重要原材料。尤其是高鈦鐵合金是航空、航天、兵器工業中不可替代的重要原材料，而且廣泛應用于石油、化工、機械、艦船、海洋、電力、醫療器件等軍民用工業，在社會發展中具有越來越重要的地位。

目前，鈦鐵的制備方法主要是重熔法和金屬熱還原法(主要為鋁熱還原法)。重熔法是以廢鈦料為主要原料，配料時加入鐵，在中頻電爐或中頻感應爐中重熔，澆鑄，除渣，制備出高鈦鐵合金鑄錠。重熔法制備鈦鐵具有合金中氧含量低及綜合性能優良等優點，但受廢鈦原料來源限制，生產成本極高，難以滿足市場需求。金屬熱還原法是以金紅石為主要原料，金屬鋁為主要還原劑，配料中還添加CaO、CaF₂等為造渣劑，KClO₃為發熱劑等制備高鈦鐵。該方法具有原料來源廣，價格便宜，能耗低，生產成本低等優點，但制備的高鈦鐵氧含量過高(大于12.0％)，無法滿足戶需求。專利“一種基于液態鋁熱還原制備高品質高鈦鐵的方法(200810230203.4)”和“基于鋁熱還原-真空感應熔煉制備高品質高鈦鐵的方法(ZL200710011614.X)”分別提出了采用液態鋁熱強化還原和真空精煉等手段脫氧，取得了比較好的效果，氧含量控制在2.0％以下，以上兩種方法為了強化還原效果，必須配入過量的還原劑鋁，這樣導致的直接結果是合金中實際鋁殘留量顯著增加(大于7～15％)，對于對鋁含量要求嚴格的精煉領域，會導致高鈦鐵無法使用。專利“一種分步金屬熱還原制備高鈦鐵的方法(ZL201010514572.3)”提出采用分步還原的方法制備低氧、低鋁高鈦鐵合金的方法，即首先在鋁不足的條件進行爐外鋁熱熔煉得到高溫熔體，然后將高溫熔體直接澆鑄到底部裝入鎂、鈣強化還原劑的熔煉坩堝中進行二次還原精煉，同時啟動磁場攪拌。該法在一定程度上降低了鈦鐵合金中的鋁、氧殘留含量，但由于二步還原是將2000℃以上高溫熔體直接澆鑄到鈣鎂合金上，鈣鎂合金會瞬間汽化爆炸，導致熔體嚴重噴濺，進而惡化了精煉反應熱力學和動力學條件。同時由于噴濺嚴重會惡化金渣分離效果，導致合金中夾雜物升高，以及金屬收率嚴重下降。這些都使得鋁熱法生產的鈦鐵使用受到限制，嚴重制約著鈦鐵的應用和發展。

本發明針對現有鈦鐵合金制備方法存在的生產成本高、操作復雜、以及合金中氧和鋁殘留含量高等缺陷，提出了以鈦氧化物為原料，采用鋁熱自蔓延-噴吹深度還原直接制備低氧、低鋁鈦鐵合金。

發明內容

針對現有技術的不足，為解決現有以Kroll法為基礎的金屬鈦及鈦合金利用流程存在的流程長、工藝復雜、能耗高、污染大等缺陷，本發明提出了一種基于鋁熱自蔓延-噴吹深度還原制備鈦鐵合金的方法；該方法是以鈦氧化物為原料，經過鋁熱自蔓延-噴吹深度直接制備低氧、低鋁鈦鐵合金的方法，即首先在還原劑鋁不足時，采用鋁熱自蔓延還原工藝還原鈦氧化物和氧化鐵得到高溫熔體；然后將得到高溫熔體在中頻感應爐中進行保溫熔煉分離，形成上層為氧化鋁基熔渣層，下層為鈦鐵合金的金屬熔體層；以底吹方式向氧化鋁基熔渣層噴吹CaF₂-CaO預熔渣，進行渣洗精煉，然后通過惰性載氣攜帶以底吹的方式向高溫金屬熔體層中噴吹高溫鈣或鎂高溫蒸汽進行深度還原精煉；最后將高溫熔體冷卻至室溫除去上部的熔渣得到鈦鐵合金。

一種基于鋁熱自蔓延-噴吹深度還原制備鈦鐵合金的方法，具體包括以下步驟：

步驟1：物料預處理

將金紅石或高鈦渣∶鋁粉∶鐵精礦∶造渣劑∶KClO₃，按質量比1.0∶(0.55～1.15)∶(0.30～2.00)∶(0.20～0.50)∶(0.10～0.15)分別稱量，其中：

金紅石或高鈦渣，粒度≤1000μm；鋁粉粒度≤5mm；鐵精礦粒度≤2mm；造渣劑粒度≤2mm；KClO₃粒度≤2mm；

造渣劑為以下兩種中的一種：

(1)按質量比，10～25％的CaF₂，余量為CaO；

(2)按質量比，10～25％的CaF₂，5～10％的Na₂0，余量為CaO；