一种Ti-Al系金属间化合物合金
技术领域
本发明涉及一种钛合金,尤其是一种以攀西地区含钛原料冶炼制取的Ti-Al系金属间化合物。
背景技术
钛合金具有强度高、中温性能好、耐腐蚀、无磁、焊接性能好等特点,是一种重要的轻质金属材料。近几年世界各国新开发的新型钛合金有宇航用钛合金、船用钛合金、生物用钛合金、金属间化合物工程合金等。已广泛应用于宇航及武器装备,包括军用和民用飞机、航空发动机、导弹、舰艇、一体化核反应堆、轻型火炮等。
含钛合金材料有高、中、低钛型合金材料和复合钛合金,生产的主要原料为富钛料、还原剂、铁原料、熔剂、助剂、附材和其它配对合金等,生产工艺多采用还原自热法和自热电还原法。低钛合金和钛多元合金材料生产技术简单,国内外已经形成一定的生产规模,但产品附加值低,技术含量低,市场处在低端用途,发展余地较小。高钛型合金材料开发代表了含钛合金生产应用技术的发展趋势,西方国家和俄罗斯均采用在低钛型合金材料冶炼过程中熔融废钛提高含钛合金的钛品位,达到高钛型合金材料的技术质量要求。近年来废钛供应短缺和部分来源废钛的放射性给该工艺带来不利影响,同时钢铁和粉末冶金的高速发展对高钛型合金材料提出了新要求,需要开发新型高钛型合金材料产业化技术。国内外相关生产厂正在从不同的方向进行新型高钛型合金材料产业化技术开发,以满足钢铁冶金对高钛型合金材料不断增长的技术经济要求。
钛是化学上极为活泼的金属元素之一,与氧、氮、碳都有极强的亲和力,钛和钛合金熔点高,化学性质活泼,在高温或熔融状态下容易与空气和耐火材料发生作用。通常国内外一般采用富钛料氯化生产四氯化钛,四氯化钛经过净化处理后采用镁还原生产海绵钛,海绵钛与合金元素混合压制成电极,在真空自耗炉熔化形成钛合金产品。该钛合金产品要求钛原料具有较高的含钛量,因而原料来源局限,且成本也相对较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种以攀西地区钛原料,采用铝热法冶炼制取的Ti-Al系金属间化合物合金产品。该产品的原料来源稳定,生产工艺安全可靠,所制取的Ti-Al系金属间化合物合金产品质量稳定,能满足现代工业对Ti-Al系金属间化合物的技术质量要求。同时本发明还解决了用含杂质高的攀西地区钒钛原料冶炼制取Ti-Al系金属间化合物合金产品的技术难题,从而改写了因攀西含钛原料杂质含量高不能生产钛合金的历史,填补了国内的空白。
本发明是通过实施如下的技术方案来实现本发明发明目的。
一种Ti-Al系金属间化合物合金,其特征在于:100Kg攀西地区含钛原料中配有如下重量配比的辅助材料:
金属铝75~115Kg、钙质冶金辅料15~25Kg、氯酸钾18~28Kg、钙-钠系处理剂1.5~3.5Kg。
所述100Kg攀西地区含钛原料中还配有以下重量配比的两种辅助材料中的任意一种或它们的组合:钒系原料3~10Kg、铌系原料12~45Kg。
所述100Kg攀西地区含钛原料中还可配有以下重量配比的任意一种辅助材料:碳原料4~6Kg、硅原料3~4Kg。
所述攀西地区钛原料的TiO2含量≥90%。
所述金属铝的含铝量≥95%。
所述钙质冶金辅料是指CaO含量≥85%的生石灰。
所述钙-钠系处理剂是碳酸钠与CaF2含量≥85%的莹石以任意比例的混合物;
所述钒系原料为V2O5含量≥98%的五氧化二钒。
所述铌系原料为Nb2O5含量≥99%的氧化铌。
所述碳原料是指C含量≥90%的无烟煤。
所述硅原料是指Si含量≥96%的金属硅。
以上含量均为重量百分比。
本发明对上述原辅材料性能指标的要求详见表1。
表1原辅材料性能指标要求 /%
名称 |
TiO2 |
Al |
V2O5 |
CaO |
KClO3 |
Nb2O5 |
Si |
C |
Na2CO3 |
CaF2 |
攀西地区钛原料 |
≥90 |
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金属铝 |
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≥95 |
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钒系原料 |
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≥98 |
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钙质冶金辅料 |
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≥85 |
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氯酸钾催化剂 |
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≥95 |
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钙-钠系处理剂 |
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铌系原料 |
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≥99 |
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硅原料 |
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≥96 |
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碳原料 |
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≥90 |
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上述合金制备的具体工艺步骤如下:
以含钛原料为基准,按上述重量配比称取原料及各种辅助材料,将攀西地区钛原料加入旋转炉中,经50~80min加热至800~850℃后,再经连接仓送入混料器中充分混合均匀,然后从配料仓加入钙质冶金辅料、钙-钠系处理剂、金属铝、钒系原料、氯酸钾及铌系原料等。混料器中的原料及辅助材料混合均匀后,经对接仓卸入已预热至150~300℃的冶炼炉及高位料仓内,按下部点火工艺冶炼,反应结束后加入10~15Kg缓凝剂。合金按用户要求浇注成型,产品经检验、包装、入库。
所述缓凝剂是以冶金石灰为基础,即95%以上为生石灰,其余为镁粉。
下面对本发明的化学反应原理及工艺设备说明如下:
1、系列合金生产使用的钛原料主要由TiO2、SiO2、MnO等组成,钒、铌原料主要由V2O5、Nb2O5组成,在满足相关热平衡、物料平衡和金属Al还原剂的条件下,原料中的不同氧化物组元与铝发生还原反应,主要的化学反应式如下,反应依照自由能和活度相系变化次序进行,反应结束后在Ti-Al-V-Nb合金系和SiO2-MgO-CaO-TiO2-Al2O3渣系间形成平衡,冷却分离后得到合金产品和合金渣。温度和催化剂决定反应速度,C、S和P等杂质依据活度系数、温度和平衡常数在渣及合金间梯级分配。
TiO2+4/3Al→Ti+2/3Al2O3 (1)
ΔG0=-167472+12.1T
2TiO2+4/3Al→2TiO+2/3Al2O3 (2)
ΔG0=-452655+14.36T
2TiO+4/3Al→2Ti+2/3Al2O3 (3)
ΔG0=-11784588+9.92T
3MnO+2Al→3Mn+Al2O3 (4)
ΔGT 0=-103495-4.5T
3Fe2O3+2/3Al=2Fe3O4+1/3Al2O3 (5)
ΔGT 0=-115700+14.85T
Fe3O4+2/3Al=3FeO+1/3Al2O3 (6)
ΔGT 0=-17000-29.25T
3FeO+2Al=3Fe+Al2O3 (7)
3SiO2+4Al→3Si+2Al2O3 (8)
3V2O5+10Al→6V+5Al2O3 (9)
3Nb2O5+10Al→6Nb+5Al2O3 (10)
2、由于合金冶炼过程有大量的Al2O3产生,Al2O3和CaO结合形成CaO·Al2O3,CaO既调整渣的酸碱度平衡,同时增加炉渣的硫容和磷容,提高硫磷脱除能力,抑制逆反应发生,因此要求含S和P水平低。CaO加入量高于计算值,影响炉渣熔点,不利于P和S的传质,部分CaO原料还会带入少量P和S,因此本发明选用钠钙系处理剂综合脱除硫磷杂质。钛铁产品的杂质控制问题,主要是对原料进行预处理,削减杂质带入水平,同时采取综合冶金方式提高渣脱除S、P等杂质能力,以满足用户要求。
3、实施本发明方法的“钛铁系列产品冶炼成套设备”已于2009年2月18日公告授予专利权,专利号为ZL200710049215.2,该成套装置包括加热设备、混料设备、反应装置、除尘设备、输送设备、精整设备和计量设备等,加热设备使用煤基燃料,中心温度>900℃,出口温度>700℃。物料采用钢质管路系统输送,配备振动泵。烟尘输送配备大功率风机,与除尘布袋以及水淋系统连接。反应设备由铸钢浇铸成型,内衬整体浇注耐火材料,确保盛装2~8t的物料,耐高温能力超过1800℃以上。用远程测温进行物料测温,电子称、磅秤和地磅对物料进行计量。生产过程采用自动测温、远程监控、电子点火全套装备及系列软件,实现了Ti3Al基、TiAl基系列合金冶炼的半自动生产线。
本发明的优点和积极效果表现在:
A、本发明原料来源稳定,生产工艺安全可靠,所制取的合金系列产品质量稳定,达到了国内对Ti3Al基、TiAl基系列合金的技术质量标准要求。
B、本发明冶炼制取的系列合金产品,硫磷水平低,有效降低了可能带入的杂质的危害。
C、本发明解决了用含杂质高的攀西地区含钛原料冶炼钛基合金的技术难题,开发出了符合国家标准的新产品。
具体实施方式
实施例1
一种Ti3Al基合金Ti-22Al-20Nb-5V,其特征在于:100Kg攀西地区含钛原料中配有如下重量配比的辅助材料:
金属铝75Kg,生石灰25Kg,氯酸钾20Kg,钙-钠系处理剂3Kg,含Nb2O5为99%的氧化铌45kg,含V2O5为99%的五氧化二钒10kg。
所述钙-钠系处理剂为1∶1重量比的莹石与碳酸钠的混合物。
所述合金制备的具体工艺步骤如下:
以2吨含钛原料为基准,按上述重量配比称取原料及各种辅助材料,将攀西地区钛原料加入旋转炉中,经50~80min快速加热至800~850℃后,再经连接仓送入混料器中充分混合均匀,然后从配料仓依次加入生石灰、钙-钠系处理剂、氧化铌和五氧化二钒、金属铝、氯酸钾,混料器中的原料及辅助材料混合均匀后,经对接仓卸入已预热至150~300℃的冶炼炉及高位料仓内,按下部点火工艺冶炼,反应结束后加入10~15Kg缓凝剂,合金经保护浇注成型,产品检验、包装、入库。
经检测,Ti-22Al-20Nb-5V产品的化学成分及含量(%)如下:
Ti:50.19 Al:23.85 P:0.201 S:0.048
Nb:21.3 Cu:0.042 V:4.23
实施例2
一种Ti3Al基合金Ti-25Al-17Nb,其特征在于:100Kg攀西地区含钛原料中配有如下重量配比的辅助材料:
金属铝95Kg,生石灰25Kg,氯酸钾20Kg,钙-钠系处理剂3Kg,含Nb2O5为99%的氧化铌40kg。
所述钙-钠系处理剂为1∶1重量比的莹石与碳酸钠的混合物。
所述合金制备的具体工艺步骤如下:
以2吨含钛原料为基准,按上述重量配比称取原料及各种辅助材料,将攀西地区钛原料加入旋转炉中,经50~80min快速加热至800~850℃后,再经连接仓送入混料器中充分混合均匀,然后从配料仓依次加入氧化铌、生石灰、钙-钠系处理剂、金属铝、氯酸钾,混料器中的原料及辅助材料混合均匀后,经对接仓卸入已预热至150~300℃的冶炼炉及高位料仓内,按下部点火工艺冶炼,反应结束后加入10~15Kg缓凝剂,合金经保护浇注成型,产品检验、包装、入库。
经检测,Ti-25Al-17Nb产品的化学成分及含量(%)如下:
Ti:56.10 Al:24.13 P:0.180 S:0.023
Nb:18.23 Cu:0.042
实施例3
一种TiAl基合金Ti-46Al-5Nb-2V-2Si,其特征在于:100Kg攀西地区含钛原料中配有如下重量配比的辅助材料:
金属铝115Kg,生石灰25Kg,氯酸钾22Kg,钙-钠系处理剂3Kg,含Nb2O5为99%的氧化铌12kg,含V2O5为99%的五氧化二钒5kg、硅原料3kg。
所述钙-钠系处理剂为1∶1重量比的莹石与碳酸钠的混合物。
所述合金制备的具体工艺步骤如下:
以2吨含钛原料为基准,按上述重量配比称取原料及各种辅助材料,将攀西地区钛原料加入旋转炉中,经50~80min快速加热至800~850℃后,再经连接仓送入混料器中充分混合均匀,然后从配料仓依次加入氧化铌和五氧化二钒、钙质冶金辅料、钙-钠系处理剂、硅原料、金属铝、氯酸钾。混料器中的原料及辅助材料混合均匀后,经对接仓卸入已预热至150~300℃的冶炼炉及高位料仓内,按下部点火工艺冶炼,反应结束后加入10~15Kg缓凝剂,合金经保护浇注成型,产品检验、包装、入库。
经检测,Ti-46Al-5Nb-2V-2Si产品的化学成分及含量(%)如下:
Ti:42.13 Al:45.6 P:0.15 S:0.038
Nb:4.73 Cu:0.042 V:2.23 Si:1.86
实施例4
一种TiAl基合金Ti-48Al-1V-2C,其特征在于:100Kg攀西地区含钛原料中配有如下重量配比的辅助材料:
金属铝106Kg,生石灰20Kg,氯酸钾28Kg,钙-钠系处理剂2Kg,含V2O5为99%的红钒2.5kg,碳原料4kg。
所述钙-钠系处理剂为30%莹石与70%碳酸钠的重量比混合物。
所述合金制备的具体工艺步骤如下:
以2吨含钛原料为基准,按上述重量配比称取原料及各种辅助材料,将攀西地区钛原料加入旋转炉中,经50~80min快速加热至800~850℃后,再经连接仓送入混料器中充分混合均匀,然后从配料仓依次加入生石灰、钙-钠系处理剂、金属铝、五氧化二钒、碳原料、氯酸钾。混料器中的原料及辅助材料混合均匀后,经对接仓卸入已预热至150~300℃的冶炼炉及高位料仓内,按下部点火工艺冶炼,反应结束后加入10~15Kg缓凝剂,合金经保护浇注成型,产品检验、包装、入库。
经检测,Ti-48Al-1V-2C产品的化学成分及含量(%)如下:
Ti:46.13 Al:47.6 P:0.16 S:0.048
Cu:0.042 V:1.13 C:2.15