CN103276241A

CN103276241A - 钛铝硅合金材料及其制备方法

Info

Publication number: CN103276241A
Application number: CN2013101749770A
Authority: CN
Inventors: 杨绍利; 李军; 吴恩辉; 侯静; 马兰
Original assignee: Panzhihua University
Current assignee: Panzhihua University
Priority date: 2013-05-13
Filing date: 2013-05-13
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2033-05-13
Also published as: CN103276241B

Abstract

本身发明涉及一种钛铝硅合金材料及其制备方法，所述合金材料包括以下质量百分比的成分：35%～60%的Ti，25%～50%的Al，5%～15%的Si，5%～10%的O，1.0%以下的Fe，1.0%以下的Mn。所述合金材料的制备方法为破碎：将50钛渣磨碎；预热：将破碎后的50钛渣与造渣剂放入烘箱里面100℃～300℃加热3小时～5小时；配料与混合：将预热后得到的物料与还原剂和发热剂按比例配料并混合后放入冶炼炉；冶炼：对配料与混合好后的物料进行冶炼，冶炼结束后进行冷却、起锭，除去合金表面的炉渣。本发明钛铝硅合金材料性能好，原料来源广泛，成本低廉。本发明钛铝硅合金材料的制备方法，工艺和设备简单、成本低，生产效率更高，能够进行大规模工业化生产。

Description

钛铝硅合金材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及钛合金制备工艺技术领域，尤其涉及一种钛铝硅合金材料及其制备方法。

背景技术

随着社会的发展，经济的发达，铸造用铝硅合金广泛应用于航空、交通运输、汽车、电力等行业；钛铝硅合金具有比重轻、强度高、耐热性好、抗蠕变能力强、高温力学性能优异和抗氧化等特点，因此钛铝硅基合金成为各国研究的重点及热点。研究表明：钛铝硅合金中含有硅形成三元合金，可以改善钛合金的高温抗氧化性能和机械性能。

以钒钛磁铁矿内配碳（煤）压力成型的球团为原料，采用转底炉煤基直接还原-电炉熔分新流程进行高温快速还原制备金属化球团，再对金属化球团进行熔化分离制得含钒生铁和含二氧化钛40%～60%的熔分钛渣，称此熔分钛渣为50钛渣。由于50钛渣中含有15%～20%的SiO₂，经铝热还原后Si部分进入Ti-Al合金中而形成Ti-Al-Si三元合金。

四川省攀枝花-西昌地区和河北省承德地区钒钛磁铁矿资源量巨大，被称为天量资源，若按全铁TFe≥15%、TiO₂≥5%或V₂O₅≥0.1%测算，攀枝花范围内拥有钒钛磁铁矿资源共计226.83亿吨，其中伴生TiO₂资源量为19.8亿吨，V₂O₅资源量为4463.81万吨；截止至2009年底，攀枝花境内钛保有资源储量(以TiO₂计)4.22亿吨，占全国储量的93%、全球的32%，居世界第一位。

传统的制备钛铝硅合金方法主要是采用纯金属钛作为原料，由于金属钛价格非常昂贵，这就使得制备钛铝硅合金的成本非常高，难以大规模生产。

上述可知，有必要对现有方法进一步完善。

发明内容

本发明是为了解决现有的钛铝硅合金材料原料来源窄、成本高、材料性能差以及制备技术缺乏有效的生产手段且成本高等问题，而提出一种成本低、工艺和设备要求简单、原料来源广且生产成本低的钛铝硅合金材料及其制备方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

上述的钛铝硅合金材料包括以下质量百分比的成分：35%～60%的Ti，25%～50%的Al，5%～15%的Si，5%～10%的O，1.0%以下的Fe，1.0%以下的Mn。

所述钛铝硅合金材料，其中：所述合金材料采用50钛渣、还原剂、造渣剂和发热剂制备，其质量百分比为：48.2%～58.7%的50钛渣，17.8%～24.5%的还原剂，11.5%～12.6%的造渣剂，12.0%～14.7%的发热剂。

所述钛铝硅合金材料，其中：所述造渣剂以石灰为基体与苏打、氧化钡组成的三元复合造渣剂，其质量百分比为：77.0%～83.3%的石灰，12.5%～15.4%的苏打和4.16%～7.70%的氧化钡；所述发热剂主要由氯酸钾、过氧化钡、氯酸钠中的一种或几种混合而成。

所述钛铝硅合金材料，其中：所述50钛渣的成分为40%～60%的TiO₂，10%～20%的SiO₂，5%～10%的MgO，10%～15%的Al₂O₃，10%～15%的CaO，1%～3%的FeO，1%～3%的MnO，粒度40目～100目；所述造渣剂中石灰的成分质量百分比为97%～99%的的CaO，1%～3%的SiO₂，粒度为40目～80目；所述还原剂采用铝粉，其成分质量百分比为：96%～99%的Al，0.5%～3.0%的Si，0.2%～1.5%的Fe，粒度为40目～100目；所述发热剂采用有效成分为97%～99.5%的氯酸钾，粒度为60～100目。

实施所述钛铝硅合金材料的制备方法，步骤如下：破碎：将50钛渣磨碎至粒度为40目～100目；预热：将破碎后的50钛渣与造渣剂一起放入烘箱里100℃～300℃加热3～5小时，以除去其中的水分及有机杂质；配料与混合：将预热后得到的物料与还原剂和发热剂等主要原料按一定比例配料并混合均匀后放入冶炼炉内；冶炼：将配料与混合好后的物料在所述冶炼炉内并通过点火设备点燃点火剂，进行冶炼，冶炼结束后再进行冷却、起锭，除去合金表面的炉渣，即可得到钛铝硅合金。

所述钛铝硅合金材料的制备方法，其中：所述50钛渣是采用球磨机磨碎。

所述钛铝硅合金材料的制备方法，其中：所述点火设备为调压器，其采用电点火方式点燃所述点火剂；所述点火剂采用过氧化钡和铝粉的混合物，所述过氧化钡和铝粉的质量比为1.5:1～2:1。

所述钛铝硅合金材料的制备方法，其中：所述冶炼是在敞口竖式冶炼炉中进行，所以冶炼过程中为了减少合金增氧，需要在高温熔体表面覆盖一层保护渣进行保护；所述竖式冶炼炉，炉子尺寸高径比为1.5:1～3.0:1，冶炼温度范围为1500℃～2000℃，冶炼时间为2min～3min。

所述钛铝硅合金材料的制备方法，其中：所述冷却采用的是自然冷却或急冷的方法。

有益效果：

钛铝合金具有比重轻、强度高、耐热性好，抗蠕变能力强、优异高温力学性能和抗氧化性等特点，因此钛铝合金成为各国研究的重点及热点，钛铝合金中加入适量的硅可以可以大大提高钛铝合金的抗氧化性能和机械性能，所以本发明生产的钛铝硅合金具有良好的性能。

本发明钛铝硅合金材料主要以50钛渣为主要含钛原料、铝粉为还原剂、石灰及苏打为造渣剂，原料来源广泛，成本低廉，能够有效满足市场需求。

本发明钛铝硅合金材料的制备方法工艺和设备要求更加简单，冶炼时间短、合金成分易于控制，生产效率更高，相比传统制备钛铝硅合金的方法成本大大降低，能够进行大规模工业化生产；其中，通过铝热还原制备钛铝硅合金后得到的炉渣可用于制备耐火材料的原料，适于推广与应用。

附图说明

图1为本发明钛铝硅合金材料的制备方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明钛铝硅合金材料是采用铝热还原50钛渣制备钛铝硅合金工艺路线，其制备钛铝硅合金材料的各成分的质量百分比为：Ti为35%～60%，Al为25%～50%，Si为5%～15%，O为5%～10%，Fe<1.0%，其它杂质（Mn）<1.0%。

制备本发明钛铝硅合金材料采用的主要原料成分的质量百分比及粒度：

50钛渣40%～60%的TiO₂，10%～20%的SiO₂，5%～10%的MgO，10%～15%的Al₂O₃，10%～15%的CaO，1%～3%的FeO，1%～3%的MnO，粒度40目～100目；

造渣剂以石灰为基体与苏打、氧化钡组成的三元复合造渣剂，其质量百分比为：77.0%～83.3%的石灰，12.5%～15.4%的苏打和4.16%～7.70%的氧化钡，该造渣剂中石灰的化学成分百分比：97%～99%的CaO，1%～3%的SiO₂，粒度为40目～80目。

发热剂主要由氯酸钾、过氧化钡、氯酸钠中的一种或几种混合而成；该发热剂中氯酸钾有效成分为97%～99.5%，粒度60～100目；

还原剂采用铝粉，其成分质量百分比为：96%～99%的Al，0.5%～3.0%的Si，0.2%～1.5%的Fe，粒度为40目～100目；

本发明钛铝硅合金材料的制备方法，其步骤如下：

S001、破碎：采用球磨机将50钛渣磨碎至粒度为40目～100目；

S002、预热：将步骤S001中得到物料与造渣剂一起放入烘箱里面100℃～300℃加热3～5小时，以除去其中的水分及有机杂质，以提高炉料的单位热效应；

S003、配料与混合：将步骤S002预热后得到的物料与还原剂和发热剂等主要原料按质量百分比：48.2%～58.7%的50钛渣，17.8%～24.5%的还原剂，11.5%～12.6%的造渣剂，12.0%～14.7%的比例混合均匀后放入冶炼炉内；

S004、冶炼：将步骤S003配料与混合好后的物料在敞口竖式冶炼炉中并通过点火设备即调压器以电点火方式点燃点火剂，以利用还原反应放出的化学热自蔓延进行还原冶炼，冶炼结束后再通过自然冷却或急冷的方法冷却，起锭，除去合金表面的炉渣，即可得到钛铝硅合金。

点火剂采用的是过氧化钡和铝粉的混合物，过氧化钡和铝粉的质量比为1.5:1～2:1。

其中，竖式冶炼炉的尺寸高径比为1.5:1～3.0:1，冶炼温度范围为1500℃～2000℃，冶炼时间为2min～3min。由于冶炼过程中是在敞口竖式冶炼炉中进行，所以冶炼过程中为了减少合金增氧，需要在高温熔体表面覆盖一层保护渣进行保护。通过铝热还原制备钛铝硅合金后得到的炉渣可用于制备耐火材料的原料。

下面结合具体实施例，对本发明做进一步详述，但本发明不仅仅局限于以下实施例。

实施例1

实施本实施例1所选用的主要原料的成分及其质量百分比：

50钛渣成分中47.17%的TiO₂，15.2%的SiO₂，8.2%的MgO，13.2%的Al₂O₃，13.5%的CaO，1.5%的FeO，1.23%的MnO；

造渣剂中CaO为97%，SiO₂为3.0%；发热剂中氯酸钾有效成分为98%；还原剂采用98%的Al，1.5%的Si，0.5%的Fe；

实施本实施例1选用的主要原料的粒度为：

50钛渣40目～60目，铝粉40目～60目，造渣剂40目～60目，氯酸钾60目～80目。

实施本实施例1钛铝硅合金材料的制备方法，其步骤如下：

S101、破碎：采用球磨机将50钛渣磨碎至粒度为40目～100目；

S102、预热：将步骤S101中得到物料与造渣剂一起放入烘箱里面100℃加热3小时，以除去其中的水分及有机杂质，以提高炉料的单位热效应；

S103、配料与混合：将步骤S102预热后得到的物料与还原剂和发热剂等主要原料按质量百分比为：55.1%的50钛渣，19.3%的还原剂，11.8%的造渣剂，13.8%的发热剂的比例混合均匀后放入冶炼炉内；

S104、冶炼：将步骤S103配料与混合好后的物料在敞口竖式冶炼炉中并通过点火设备即调压器以电点火方式点燃点火剂，点火剂用过氧化钡和铝粉按1.5:1比例混合进行冶炼，冶炼结束后再通过自然冷却或急冷的方法冷却，起锭，除去合金表面的炉渣，即可得到钛铝硅合金。

实施本实施例1得到的钛铝硅合金材料的化学成分的质量百分比：Ti为52%，Al为28%，Si为10%，Fe为1.0%，O为8%，其它杂质（Mn）为1.0%。

实施例2

实施本实施例2所选主要原料的成分及其质量百分比为：

50钛渣成分中TiO₂为50.2%，SiO₂为16.78%，7.2%的MgO，13.2%的Al₂O₃，10.2%的CaO，1.0%的FeO，1.42%的MnO；造渣剂中CaO为98%，SiO₂为2%；氯酸钾有效成分为99%；铝粉中98.5%的Al，1.0%的Si，0.5%的Fe。

实施本实施例2所选主要原料的粒度为：

50钛渣粒度60目～100目，铝粉60目～100目，造渣剂60目～80目，氯酸钾80目～100目。

实施本实施例2钛铝硅合金材料的制备方法，其步骤如下：

S201、破碎：采用球磨机将50钛渣磨碎至粒度为60目～100目；

S202、预热：将步骤S201中得到物料与造渣剂一起放入烘箱里面200℃加热4小时，以除去其中的水分及有机杂质，以提高炉料的单位热效应；

S203、配料与混合：将步骤S202预热后得到的物料与还原剂和发热剂等主要原料按质量百分比为：53.5%的50钛渣，22.5%的还原剂，13.4%的造渣剂，10.6%的发热剂的比例混合均匀后放入冶炼炉内；

S204、冶炼：将步骤S203配料与混合好后的物料在敞口竖式冶炼炉中并通过点火设备即调压器以电点火方式点燃点火剂，点火剂用过氧化钡和铝粉按1.8:1比例混合，进行冶炼，冶炼结束后再通过自然冷却或急冷的方法冷却，起锭，除去合金表面的炉渣，即可得到钛铝硅合金。

实施本实施例2得到的钛铝硅合金材料的化学成分的质量百分比：

Ti为45.3%，Al为35.6%，Si为12.6%，Fe为0.5%，O为5%，其它杂质（Mn）为1%。

实施例3

实施本实施例3所选主要原料的成分及其质量百分比为：

50钛渣成分中TiO₂为54.2%，SiO₂为17.5%，6.5%的MgO，10.2%的Al₂O₃，10.2%的CaO，1.0%的FeO，1.4%的MnO；造渣剂中CaO为99%，SiO₂为1%；氯酸钾有效成分为99.5%；铝粉中99%的Al，0.7%的Si，0.3%的Fe。

实施本实施例3所选主要原料的粒度为：

50钛渣为40目～60目，铝粉为60目～100目，造渣剂为60目～80目，氯酸钾80目～100目。

实施本实施例3钛铝硅合金材料的制备方法，其步骤如下：

S301、破碎：采用球磨机将50钛渣磨碎至粒度为40目～60目；

S302、预热：将步骤S301中得到物料与造渣剂一起放入烘箱里面300℃加热5小时，以除去其中的水分及有机杂质，以提高炉料的单位热效应；

S303、配料与混合：将步骤S302预热后得到的物料与还原剂和发热剂等主要原料按质量百分比为：48.2%的50钛渣，24.3%的还原剂，12.8%的造渣剂，14.7%的发热剂的比例混合均匀后放入冶炼炉内；

S304、冶炼：将步骤S303配料与混合好后的物料在敞口竖式冶炼炉中并通过点火设备即调压器以电点火方式点燃点火剂，点火剂用过氧化钡和铝粉按2:1比例混合，进行冶炼，冶炼结束后再通过自然冷却或急冷的方法冷却，起锭，除去合金表面的炉渣，即可得到钛铝硅合金。

实施本实施例3得到的钛铝硅合金材料的化学成分的质量百分比：

Ti为39.5%，Al为41.5%，Si为13.5%，Fe为0.6%，O为4.2%，其它杂质（Mn）为0.7%。

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。

Claims

1.一种钛铝硅合金材料，其特征在于：所述合金材料包括以下质量百分比的成分：35%～60%的Ti，25%～50%的Al，5%～15%的Si，5%～10%的O，1.0%以下的Fe，1.0%以下的Mn。

2.如权利要求1所述的钛铝硅合金材料，其特征在于：所述合金材料采用50钛渣、还原剂、造渣剂和发热剂制备，其质量百分比为：48.2%～58.7%的50钛渣，17.8%～24.5%的还原剂，11.5%～12.6%的造渣剂，12.0%～14.7%的发热剂。

3.如权利要求2所述钛铝硅合金材料，其特征在于：所述造渣剂以石灰为基体与苏打、氧化钡组成的三元复合造渣剂，其质量百分比为：77.0%～83.3%的石灰，12.5%～15.4%的苏打和4.16%～7.70%的氧化钡；所述发热剂主要由氯酸钾、过氧化钡、氯酸钠中的一种或几种混合而成。

4.如权利要求2或3所述钛铝硅合金材料，其特征在于：所述50钛渣的成分质量百分比为40%～60%的TiO₂，10%～20%的SiO₂，5%～10%的MgO，10%～15%的Al₂O₃，10%～15%的CaO，1%～3%的FeO，1%～3%的MnO，粒度40目～100目；

所述造渣剂的成分质量百分比为：97%～99%的CaO，1%～3%的SiO₂，粒度为40目～80目；

所述还原剂采用铝粉，其成分质量百分比为：96%～99%的Al，0.5%～3.0%的Si，0.2%～1.5%的Fe，粒度为40目～100目；

所述发热剂采用有效成分为97%～99.5%的氯酸钾，粒度为60～100目。

5.一种实施如权利要求1至4任一所述的钛铝硅合金材料的制备方法，其特征在于，步骤如下：

破碎：将50钛渣磨碎至粒度为40目～100目；

预热：将破碎后的50钛渣与造渣剂一起放入烘箱里100℃～300℃加热3～5小时，以除去其中的水分及有机杂质；

配料与混合：将预热后得到的物料与还原剂和发热剂等主要原料按一定比例配料并混合均匀后放入冶炼炉内；

冶炼：将配料与混合好后的物料在所述冶炼炉内并通过点火设备点燃点火剂，进行冶炼，冶炼结束后再进行冷却、起锭，除去合金表面的炉渣，即可得到钛铝硅合金。

6.如权利要求5所述的钛铝硅合金材料的制备方法，其特征在于：所述50钛渣是采用球磨机磨碎。

7.如权利要求5所述的钛铝硅合金材料的制备方法，其特征在于：所述点火设备为调压器，其采用电点火方式点燃所述点火剂；

所述点火剂采用过氧化钡和铝粉的混合物，所述过氧化钡和铝粉的质量比为1.5:1～2:1。

8.如权利要求5所述的钛铝硅合金材料的制备方法，其特征在于：所述冶炼是在敞口竖式冶炼炉中进行，所以冶炼过程中为了减少合金增氧，需要在高温熔体表面覆盖一层保护渣进行保护；所述竖式冶炼炉，炉子尺寸高径比为1.5:1～3.0:1，冶炼温度范围为1500℃～2000℃，冶炼时间为2min～3min。

9.如权利要求5所述的钛铝硅合金材料的制备方法，其特征在于：所述冷却采用的是自然冷却或急冷的方法。