CN103484721A

CN103484721A - 一种制备钛铁合金的方法

Info

Publication number: CN103484721A
Application number: CN201310413509.4A
Authority: CN
Inventors: 朱福兴; 穆天柱; 穆宏波; 闫蓓蕾; 彭卫星
Original assignee: Pangang Group Panzhihua Iron and Steel Research Institute Co Ltd
Current assignee: Pangang Group Panzhihua Iron and Steel Research Institute Co Ltd
Priority date: 2013-09-12
Filing date: 2013-09-12
Publication date: 2014-01-01
Anticipated expiration: 2033-09-12
Also published as: CN103484721B

Abstract

本发明的制备钛铁合金的方法包括以下步骤：将钛精矿在电炉中冶炼钛渣；在钛渣冶炼结束后，向电炉中加入至少一种碱金属碳酸盐，通入空气或氧气并搅拌，以使钛渣中的钛氧化物转化为钛酸盐；以石墨为阳极并以电炉底部的铁水为阴极进行电解，生成金属钛，并且金属钛进入熔融的铁中形成液相钛铁合金；在惰性气体保护下排出所述铁水及所述液相钛铁合金并进行冷却，得到钛铁合金。本发明的钛铁合金采用上述制备钛铁合金的方法获得。本发明在钛渣冶炼后的熔体中加入一定量的至少一种碱金属碳酸盐并通氧使钛氧化物转化为钛酸盐，并以石墨为阳极、铁水为阴极实施电解制备出钛铁合金。本发明具有操作简单的特点，可有效降低钛铁合金的生产成本。

Description

一种制备钛铁合金的方法

技术领域

本发明涉及钛冶炼技术领域，更具体地讲，涉及一种制备钛铁合金的方法。

背景技术

钛及钛合金具有比重轻、比强度高、耐腐蚀性能好等一系列优点，被广泛应用于航空、航天、舰船、军工、冶金、化工、机械、电力、海水淡化、交通运输、轻工、环境保护、医疗器械等领域。钛铁合金作为脱氧剂、除气器、合金添加剂及电焊条涂料等，在炼钢等工艺中的脱氧能力远远高于硅、锰，并可减少钢锭偏析，改善钢锭质量，提高收得率。同时，它可增大钢的强度、抗腐蚀性和稳定性，而被广泛用于不锈钢、工具钢等中，也可改善铸铁性能，用于铸造工业以提高铸铁的耐磨性、稳定性、加工性等。

钛铁合金的制备主要有以下方法，一是以还原剂（铝、硅）还原钛氧化物和铁氧化物/铁的混合物，如：公开号为CN101225482A的中国专利申请中公开了钛铁合金感应电炉冶炼法、公开号为CN101078065A的中国专利申请中公开了一种以钛原料冶炼制取系列钛铁合金的方法、公开号为CN101451201A的中国专利申请公开了以钛原料冶炼制备系列钛铁合金的方法。二是受电脱氧工艺启示，采用石墨为阳极并以钛和铁的氧化物为阴极在熔盐体系中脱氧制备出钛铁，如公开号为CN101597774A的中国专利申请公开了一种利用钒钛磁铁矿选铁尾矿制备钛铁合金的方法、公开号为CN101509139A的中国专利申请中公开了一种由钛铁矿制备钛铁合金的方法、公开号为CN102277595A的中国专利申请中公开了一种钛铁合金脱氧精炼方法。三是在废钛料中添加金属铁进行真空熔炼制备钛铁合金，如公开号为CN1126766A的中国专利申请中公开了钛铁合金的制造方法。

以上方法各自存在不足，其中，热还原制备出的钛铁合金存在合金中氧含量偏高、产品中还原剂含量偏高等问题，且还原剂成本高，间接增加了产品的生产成本；而电脱氧工艺因其技术特点导致产品脱氧不彻底且电流效率较低，现仍处于实验室研究阶段；对于真空熔炼而言，其本身原料及冶炼成本很高，均使得钛铁合金的生产成本居高不下，不能大规模的使用。

发明内容

为了解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种能够降低钛铁合金的生产成本、缩短工艺流程并应用于实际生产的钛铁合金制备方法。

为了实现上述目的，本发明的一方面提供了一种制备钛铁合金的方法，所述方法包括以下步骤：将钛精矿在电炉中冶炼钛渣；在钛渣冶炼结束后，向电炉中加入至少一种碱金属碳酸盐，通入空气或氧气并搅拌，以使钛渣中的钛氧化物转化为钛酸盐；以石墨为阳极并以电炉底部的铁水为阴极进行电解，生成金属钛，并且金属钛进入熔融的铁中形成液相钛铁合金；在惰性气体保护下排出所述铁水及所述液相钛铁合金并进行冷却，得到钛铁合金。

根据本发明的制备钛铁合金的方法，所述碱金属碳酸盐的加入量能够满足将钛渣中的钛氧化物全部转化为钛酸盐。

根据本发明的制备钛铁合金的方法，所述碱金属碳酸盐为Na₂CO₃或K₂CO₃。

根据本发明的制备钛铁合金的方法，所述空气或氧气的通入量为200～250Nm³/min，通入时间为2～10min。

根据本发明的制备钛铁合金的方法，所述电炉底部的铁水的量等于或大于所生成的钛铁合金的量。

根据本发明的制备钛铁合金的方法，电解时的电位大于钛的分解电位且小于所述至少一种碱金属碳酸盐所对应的碱金属中分解电位较小的碱金属的分解电位。

根据本发明的制备钛铁合金的方法，采用酸洗将所述钛铁合金上多余的铁去除，得到最终的钛铁合金产品。

根据本发明的制备钛铁合金的方法，制备过程中的温度控制在所述钛酸盐的熔点以上并且小于所述钛酸盐的沸点。

根据本发明的制备钛铁合金的方法，所述惰性气体为氦气或氩气。

本发明的另一方面提供了一种钛铁合金，所述钛铁合金采用上述制备钛铁合金的方法获得，以重量百分比计，所述钛铁合金包括Ti35～75%、C＜0.15%、Si＜1.0%、P＜0.07%、S＜0.04%、Al＜1.0%、Mn＜1.0%、Cu＜0.2%以及余量的Fe。

本发明通过在钛渣冶炼后的熔体中加入一定量的碱金属的碳酸盐并通氧使钛氧化物转化为钛酸盐，并以石墨为阳极、底部的铁水为阴极实施电解制备得到钛铁合金。本发明的方法具有操作简单的特点，可有效降低钛铁生产成本并适合于实际工业应用。

具体实施方式

在下文中，将结合示例性实施例具体描述本发明的制备钛铁合金的方法及其所制备的钛铁合金。

根据本发明的示例性实施例，所述制备钛铁合金的方法包括以下步骤：将钛精矿在电炉中冶炼钛渣；在钛渣冶炼结束后，向电炉中加入至少一种碱金属碳酸盐，通入空气或氧气并搅拌，以使钛渣中的钛氧化物转化为钛酸盐；以石墨为阳极并以电炉底部的铁水为阴极进行电解，生成金属钛，并且金属钛进入熔融的铁中形成液相钛铁合金；在惰性气体保护下排出所述铁水及所述液相钛铁合金并进行冷却，得到钛铁合金。

采用冶炼钛渣后的体系直接进行钛铁合金的制备，较好地利用了钛渣冶炼过程的高温热量进行固液或液液反应，反应生成钛酸盐的转化率高。同时，电脱氧熔融的钛酸盐的电流效率较固体脱氧制备钛铁合金的电流效率高，生成的液相合金易于排出，可实现连续化生产作业，极大缩短了制备钛铁合金工艺流程和降低了生产能耗。

首先，在钛渣冶炼结束后将一定量的至少一种碱金属碳酸盐加入电炉中，通入氧气或空气使二氧化钛转化为钛酸盐，反应式为：3TiO₂+2M₂CO₃=M₄Ti₃O₈+2CO₂↑。其中，可以加入一种碱金属碳酸盐，也可以加入两种以上碱金属碳酸盐的混合物。通入氧气或空气的目的是将钛渣中的低价钛氧化物全部转化为二氧化钛从而生成钛酸盐。加入碱金属碳酸盐的作用主要是使钛渣中的钛氧化物转化为钛酸盐，钛酸盐在熔体中解离出含钛离子，从而实现电解功能。钛酸盐电解后的主要产物为碱金属氧化物和钛，碱金属氧化物可以在二氧化碳的作用下又转化为碱金属碳酸盐，从而使得碱金属碳酸盐实现内部循环，继续促进二氧化钛转化为钛酸盐的反应。碱金属碳酸盐的加入量应能够满足将钛渣中的钛氧化物全部转化为钛酸盐，以提高钛铁合金的收得率。优选地，碱金属碳酸盐为Na₂CO₃或K₂CO₃，但本发明不限于此。

为了提高转化效率，优选地通入氧气。空气或氧气的通入量和通入时间以能够确保钛渣中的低价钛氧化物全部转化为二氧化钛为准，例如通入量为200～250Nm³/min，通入时间为2～10min。

其次，以石墨为阳极并以电炉底部的铁水为阴极进行电解，生成的金属钛在铁溶液中形成钛铁合金，阳极放出一氧化碳，总反应式为：M₄Ti₃O₈+6C=3Ti+2M₂O+6CO↑。其中，电炉炉底的铁水的量需等于或大于所生成的钛铁合金的量，以保证生成的钛铁合金较均匀。当铁水量不足时，会造成合金的局部钛含量升高，使得制备的合金不均匀；而当铁水量过多时，会导致酸洗时酸的用量增加，废水处理难度增大，极大增加了生产成本和能耗。优选地，按所需制备的特定牌号的钛铁合金中铁质量的1.05～1.2倍计算所需的电炉炉底的铁水的量。生产时，根据钛精矿中全铁含量的80％计算钛渣冶炼结束后电炉炉底的铁水的量并根据钛精矿中的含钛量计算所生产的钛铁合金的量，然后根据所需制备的特定牌号的钛铁合金具体配加或排出电炉中的铁水以达到生产所需牌号的钛铁合金的目的。

之后，在惰性气体保护下排出铁水及液相钛铁合金，并也在惰性气体保护下进行冷却得到钛铁合金。由于制备所得的液相钛铁合金可以随着铁水的流出通过出铁口而排出，因此可以实现连续化生产。在钛铁合金冷却之后，采用酸洗将钛铁合金上多余的铁去除，得到最终的钛铁合金产品。其中，惰性气体可以为氦气或氩气等不参与反应的惰性气体。

具体地，电解时的电位应大于钛的分解电位且小于所述至少一种碱金属碳酸盐所对应的碱金属中分解电位较小的碱金属的分解电位，电解时的电位大于钛的分解电位以确保钛酸盐中的钛能在阴极析出，而电位不应大于所述至少一种碱金属碳酸盐所对应的碱金属中分解电位较小的碱金属的分解电位以防止碱金属析出破坏电解体系和降低电流效率。随着电解的进行，阳极将逐渐消耗变小，根据钛铁合金的生成量可计算出阳极的消耗量并及时对阳极进行更换。同时，制备过程中的温度应控制在钛酸盐的熔点以上并小于钛酸盐的沸点，例如可以控制在1600～2000℃。当制备温度低于钛酸盐的熔点时，钛酸盐将变为不导电的固体而使电解无法进行；当制备温度过高，使得生产能耗偏高和对设备装置要求增高，增加生产成本。

本发明的另一方面提供了一种钛铁合金，所述钛铁合金采用上述制备钛铁合金的方法获得，以重量百分比计，所述钛铁合金包括Ti35～75%、C＜0.15%、Si＜1.0%、P＜0.07%、S＜0.04%、Al＜1.0%、Mn＜1.0%、Cu＜0.2%以及余量的Fe。并且，可以参照国家标准GB/T3282-2006对所生产的钛铁合金进行检测。

下面结合示例对本发明的具体实施方式做进一步描述，并不因此将本发明限制在所描述的示例范围内。本说明书中所涉及的百分比均为重量百分比。

其中，示例1至示例3中所使用的钛精矿的主要成分为：TiO₂46～52％、T_Fe28～35％、SiO₂1～3％、CaO0.5～2％、MgO2～5％、MnO0.5～1％、S0.1～0.5％、P0.001～0.005％等。但本发明不限于此。

示例1：

将2t钛精矿在1600℃的电炉中进行熔炼，结束时，向炉子中加入1.15t碳酸钾，并通入250Nm³/min氧气搅拌10min后，加入100kg铁，插入石墨阳极并接通底部的铁水阴极，以3V恒压实施电解2h后，在氩气保护气氛下，热态排出铁水和液相钛铁合金进行冷却，最后采用浓度为2％的稀盐酸洗去钛铁合金中多余的铁得到钛铁合金产品1.25t，分析其成分为：Ti：41.5％、C：0.12％、Si：0.5％、P：0.03％、S：0.02％、Al：0.5％、Mn：0.8％、Cu：0.05％以及余量的Fe，完全达到FeTi-40B标准。

示例2：

将2t钛精矿在1650℃电炉中进行熔炼，结束时，向炉子中加入1.2t碳酸钠，并通入200Nm³/min氧气搅拌10min后，插入石墨阳极并接通底部的铁水阴极，以3.2V恒压实施电解2h后，在氩气保护气氛下，热态排出铁水和液相钛铁合金进行冷却，最后采用浓度为2％的稀盐酸洗去钛铁合金中多余的铁得到钛铁合金产品1.10t，分析其成分为：Ti：43.5％、C：0.08％、Si：0.5％、P：0.03％、S：0.02％、Al：0.5％、Mn：0.8％、Cu：0.05％以及余量的Fe，完全达到FeTi-40A标准。

示例3：

将2t钛精矿在1600℃电炉中进行熔炼，结束时，先排除铁水400kg后，向炉子中加入1.15t碳酸钾，并通入250Nm³/min氧气搅拌10min后，插入石墨阳极并接通底部的铁水阴极，以3V恒压实施电解2h后，在氩气保护气氛下，热态排出铁水和液相钛铁合金进行冷却，最后采用浓度为2％的稀盐酸洗去钛铁合金中多余的铁得到钛铁合金产品750kg，分析其成分为：Ti：72.5％、C：0.12％、Si：0.5％、P：0.03％、S：0.02％、Al：0.5％、Mn：0.8％、Cu：0.05％以及余量的铁，完全达到FeTi-70B标准。

示例4：

将2t钛精矿在1800℃电炉中进行熔炼，结束时，先排除铁水400kg后，向炉子中加入0.5t碳酸钾和0.7t碳酸钠，并通入250Nm³/min氧气搅拌10min后，插入石墨阳极并接通底部的铁水阴极，以3V恒压实施电解2h后，在氩气保护气氛下，热态排出铁水和液相钛铁合金进行冷却，最后采用浓度为2％的稀盐酸洗去钛铁合金中多余的铁得到钛铁合金产品700kg，分析其成分为：Ti：66.3％、C：0.21％、Si：0.4％、P：0.05％、S：0.06％、Al：0.8％、Mn：0.4％、Cu：0.07％以及余量的铁，完全达到FeTi-70C标准。

本发明通过在钛渣冶炼后的熔体中加入碱金属的碳酸盐，通氧使钛氧化物转化为钛酸钾，并以石墨为阳极及底部的液态铁为阴极实施电解制备出钛铁合金。本发明具有操作简单的特点，可有效降低钛铁合金的生产成本。

Claims

1.一种制备钛铁合金的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

将钛精矿在电炉中冶炼钛渣；

在钛渣冶炼结束后，向电炉中加入至少一种碱金属碳酸盐，通入空气或氧气并搅拌，以使钛渣中的钛氧化物转化为钛酸盐；

以石墨为阳极并以电炉底部的铁水为阴极进行电解，生成金属钛并且所述金属钛进入熔融的铁中形成液相钛铁合金；

在惰性气体保护下排出所述铁水及所述液相钛铁合金并进行冷却，得到钛铁合金。

2.根据权利要求1所述的制备钛铁合金的方法，其特征在于，所述碱金属碳酸盐的加入量能够满足将钛渣中的钛氧化物全部转化为钛酸盐。

3.根据权利要求1所述的制备钛铁合金的方法，其特征在于，所述碱金属碳酸盐为Na₂CO₃或K₂CO₃。

4.根据权利要求1所述的制备钛铁合金的方法，其特征在于，所述空气或氧气的通入量为200～250Nm³/min，通入时间为2～10min。

5.根据权利要求1所述的制备钛铁合金的方法，其特征在于，所述电炉底部的铁水的量等于或大于所生成的钛铁合金的量。

6.根据权利要求1所述的制备钛铁合金的方法，其特征在于，电解时的电位大于钛的分解电位且小于所述至少一种碱金属碳酸盐所对应的碱金属中分解电位较小的碱金属的分解电位。

7.根据权利要求1所述的制备钛铁合金的方法，其特征在于，采用酸洗将所述钛铁合金上多余的铁去除，得到最终的钛铁合金产品。

8.根据权利要求1所述的制备钛铁合金的方法，其特征在于，制备过程中的温度控制在所述钛酸盐的熔点以上并且低于所述钛酸盐的沸点。

9.根据权利要求1所述的制备钛铁合金的方法，其特征在于，所述惰性气体为氦气或氩气。

10.一种钛铁合金，其特征在于，所述钛铁合金采用权利要求1至9中任一项所述的制备钛铁合金的方法获得，以重量百分比计，所述钛铁合金包括Ti35～75%、C＜0.15%、Si＜1.0%、P＜0.07%、S＜0.04%、Al＜1.0%、Mn＜1.0%、Cu＜0.2%以及余量的Fe。