CN104131178B - 一种基于铝热自蔓延-喷吹深度还原制备金属钛的方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于铝热自蔓延-喷吹深度还原制备金属钛的方法，属于金属钛冶炼技术领域。采用铝热自蔓延还原工艺还原金红石或高钛渣得到高温熔体；然后将得到高温熔体在中频感应炉中进行保温熔炼分离，形成上层为氧化铝基熔渣层，下层为金属钛熔体层；以底吹方式向氧化铝基熔渣层喷吹CaF2-CaO预熔渣，进行渣洗精炼，然后通过惰性载气携带以底吹的方式向高温金属钛熔体层中喷吹高温钙蒸汽或高温镁蒸汽，偏心机械搅拌，进行深度还原精炼；最后将高温熔体冷却至室温除去上部的熔炼渣，得到金属钛。本发明方法实现了金属钛的低成本、短流程制备，制备出的金属钛中氧被彻底脱除，具有流程短、能耗低、操作简单等优点。
Description
技术领域
本发明属于金属钛冶炼技术领域，特别涉及一种基于铝热自蔓延-喷吹深度还原制备金属钛的方法。
背景技术
钛被誉为继铁和铝之后的第三大金属，是国家经济发展和国防建设不可替代的战略物质，广泛应用在航空、化工、兵器、核工业、运动器材、医疗及新能源等领域。例如，一架波音B787飞机用钛量达到136吨，一架空客A380用钛量将达到146吨。一架F-22用钛36吨，前苏联“台风”级核潜艇每艘用钛量高达9000吨，年产100万吨的苛性纳电解槽用钛高达300-500吨，日产13万吨的MSF型海水淡化装置用钛1500吨。近年来3D打印技术已用于歼-15新机研制、F-22、F-35战机的钛合金整体承力框均采用3D打印技术实现，中国先进战机上的钛合金构件比例已超过20％，极大地推动金属钛的需求量。还原钛粉价格高达80万美元/吨。钛铝、钛铝钒合金仍旧是航空、航天、国防、军工等领域无法替代的高端金属结构功能材料，钛铝钒合金仍是目前唯一商业化的生物医用合金。含钛量65％～75％的高钛铁合金由于具有耐腐蚀、耐高温、耐磨、比重合适等优异的使用性能，其已成为冶炼特种钢、结构钢和特种合金的重要原材料，在航空、航天、兵器工业中有着不可替代的作用，其还广泛应用于石油、化工、机械、舰船、海洋、电力、医疗器件等民用工业。
现有钛及钛材应用的基本流程仍是以Kroll法为基础，即由钛矿→高钛渣→TiCl4→海绵钛→钛材，该工艺存在着流程长、工艺复杂、能耗高、污染大等缺陷，严重限制了金属钛及钛合金的推广应用，开发低成本生产金属钛及其合金的清洁制备方法已然是国际研究的热点。围绕金属钛及钛合金制备方法先后提出了FFC法、直接热还原法、真空还原法等制备新方法，但该类方法存在诸多问题，离工业化还有相当距离。因此，探索规模化低成本生产金属钛及钛合金制备新方法仍然是国际界学术研究热点和难点。
发明内容
针对现有技术的不足，为解决现有以Kroll法为基础的金属钛利用流程存在的流程长、工艺复杂、能耗高、污染大等缺陷，本发明提供一种基于铝热自蔓延-喷吹深度还原制备金属钛的方法。即首先在还原剂铝不足时，采用铝热自蔓延还原工艺还原金红石或高钛渣得到高温熔体；以底吹方式向氧化铝基熔渣层喷吹CaF2-CaO预熔渣，进行渣洗精炼，然后将得到高温熔体在中频感应炉中进行保温熔炼分离，形成上层为氧化铝基熔渣层，下层为金属钛熔体层；同时通过惰性载气携带以底吹的方式向高温金属钛熔体层中喷吹高温钙或镁蒸汽强还原剂，偏心机械搅拌，进行深度还原精炼；最后将高温熔体冷却至室温除去上部的熔炼渣，得到金属钛。
一种基于铝热自蔓延-喷吹深度还原制备金属钛的方法，具体包括以下步骤：
步骤1：物料预处理
将金红石或高钛渣：铝粉：造渣剂：KClO3，按质量比1.0∶(0.50～0.54)∶(0.15～0.25)∶(0.20～0.25)分别称量；其中：
金红石或高钛渣，粒度≤1000μm；铝粉粒度≤5mm；造渣剂粒度≤2mm；KClO3粒度≤2mm：
造渣剂为以下两种中的一种：
(1)按质量比10～25％的CaF2，余量为CaO；
(2)按质量比10～25％的CaF2，5～10％的Na2O，余量为CaO；
将金红石或高钛渣，在550～700℃焙烧12～36h；造渣剂混合均匀后，在250～400℃焙烧8～16h；KClO3在150～200℃干燥18～32h；
步骤2：铝热自蔓延还原
将物料混合均匀，放在自蔓延反应炉内，用镁粉点燃引发自蔓延反应得到高温熔体；
步骤3：电磁场作用下的熔分
将高温熔体经过高温导流管直接转移到中频感应炉中，同时启动电磁感应加热进行保温熔炼分离，保温温度1700～1900℃，保温时间5～10min，形成上层为氧化铝基熔渣层，下层为金属钛熔体层；
步骤4：熔渣喷吹还原精炼
放掉上层50％的氧化铝基熔渣后，进行偏心机械搅拌，搅拌转速50～120rpm，同时向氧化铝基熔渣层喷吹CaF2-CaO预熔渣，进行渣洗熔炼，CaF2-CaO预熔渣的质量为相对于未放渣前上层氧化铝基熔渣层质量的5～10％，喷吹后停止偏心机械搅拌，保温10～30min；
然后，进行偏心机械搅拌，搅拌转速50～120rpm，同时采用惰性气体携带强还原剂，向金属钛熔体层喷吹，进行深度还原精炼，喷吹时间为10～30min，喷吹时惰性气体的流量为5～20L/min，其中，强还原剂及其用量为以下两种中的一种：
(1)强还原剂为金属钙高温蒸汽，喷吹量为金红石或高钛渣的质量的10～15％；
(2)强还原剂为金属镁高温蒸汽，喷吹量为金红石或高钛渣的质量的5～10％；
步骤5：停止偏心机械搅拌，将高温熔体冷却至室温，除去上部的熔炼渣，得到金属钛。
上述的步骤3中，中频感应炉的电磁场的频率大于等于1000Hz。
步骤4中的CaF2-CaO预熔渣，进行渣洗熔炼，CaF2和CaO的质量比为(4～6)∶(6～4)；惰性气体为高纯氩气，纯度大于等于99.95％。
铝热自蔓延还原反应过程中，还原剂铝用量为理论用量的90～95％，保证了一步铝热还原阶段还原剂处于不足量的状态；整个喷吹深度还原精炼(渣洗精炼和深度还原精炼)的同时进行偏心机械搅拌。
在制备金属钛的反应中KClO3作为发热剂，铝粉作为还原剂。
本发明方法和Kroll法相比具有如下优点：
(1)本发明以金红石(或高钛渣)和铝粉为原料，提出采用铝热自蔓延-喷吹深度还原制备金属钛新思路，具有流程短、能耗低、操作简单等优点，解决了以Kroll法为基础的金属钛利用流程存在的流程长、工艺复杂、能耗高、污染大等技术难题。
(2)本发明以金红石(或高钛渣)和铝粉为原料，首先在还原剂铝不足时采用铝热自蔓延还原工艺得到高温熔体；然后将得到高温熔体转移到中频感应炉中熔炼分离，形成上层为氧化铝基熔渣层，下层为金属钛熔体层；然后通过惰性载气携带以底吹的方式向高温金属熔体层中喷吹钙或镁高温蒸汽等强还原剂，进行深度还原精炼得到金属钛。实现了金属钛的低成本、短流程制备。
(3)本发明方法采用分步还原操作，即首先在铝热还原阶段还原剂铝用量为理论量的90％～95％，然后将获得的高温金属钛熔体喷吹钙或镁进行深度还原。由于铝热自蔓延还原熔炼是在铝不足的情况进行的，喷吹深度还原精炼采用惰性载气携带喷吹钙或镁强高温蒸汽等还原剂进行，因此，金属钛中氧被彻底脱除。
(4)本发明方法铝热自蔓延还原熔炼和喷吹深度还原精炼之间，将铝热自蔓延得到的高温熔体转移到中频感应炉中，启动电磁感应加热进行保温熔炼分离，形成上层为氧化铝基熔渣层，下层为金属钛熔体层，强化了金渣分离过程。
(5)本发明方法喷吹深度还原脱氧还原精炼过程中，采用惰性载气携带以底吹的方式向高温金属熔体层中喷吹高温钙蒸汽或高温镁蒸汽强还原剂，进行深度还原精炼得到金属钛。钙或镁强还原剂会在1700℃～1900℃高温熔体中以蒸汽的形式与金属熔体中的氧反应，因此金属熔体中氧得到了彻底去除。同时喷吹的惰性载气和电磁场搅拌作用都强化了金渣分离，尤其是金属熔体中夹杂物的去除。所制备的金属钛中O≤0.2mass％。
具体实施方式
以下实施例中：
金红石或高钛渣：按照质量比，TiO2＞95％、Si＜2％、Al＜1.0％，粒度≤1000μm；
KClO3粒度≤2mm；
Al粒度≤5mm；
造渣剂粒度≤2mm；
高纯氩气的纯度大于99.95％；
中频感应炉中的电磁场的频率大于等于1000Hz。
金属钛中氧的含量，是通过G8型氧氮氢分析仪(德国布鲁克公司)测得的。
实施例1
基于铝热自蔓延-喷吹深度还原制备金属钛的方法，具体包括如下步骤：
步骤1：物料预处理
将金红石：铝粉：造渣剂：KClO3，按质量比1.0∶0.52∶0.15∶0.20分别称量；其中：造渣剂为按质量比10％的CaF2和90％的CaO；
将金红石，在650℃焙烧24h，除去有机杂质和水分；造渣剂混合均匀后，在250℃焙烧12h，使其干燥；KClO3在165℃干燥24h；
步骤2：铝热自蔓延还原
将物料混合均匀，放在自蔓延反应炉内，表面铺放少量镁粉，点燃镁粉引发自蔓延反应得到高温熔体；
步骤3：电磁场作用下的熔分
将高温熔体经过高温导流管直接转移到中频感应炉中，同时启动电磁感应加热进行保温熔炼分离，在1700℃，保温时间10min，形成上层为氧化铝基熔渣层，下层为金属钛熔体层；
步骤3：喷吹熔渣还原精炼
放掉上层50％的氧化铝基熔渣后，进行偏心机械搅拌，搅拌转速100rpm，同时以底吹方式向氧化铝基熔渣层喷吹CaF2-CaO预熔渣，进行渣洗熔炼，CaF2-CaO预熔渣的质量为相对于未放渣前上层氧化铝基熔渣层质量的10％，CaF2和CaO的质量比为6∶4，喷吹后停止偏心机械搅拌，保温30min；
然后，进行偏心机械搅拌，搅拌转速100rpm，同时采用高纯氩气携带高温钙蒸汽，以底吹的方式向金属钛熔体层喷吹，进行深度还原精炼，喷吹时间为10min，高纯氩气的流量为20L/min，高温钙蒸汽的喷吹量为金红石的质量的15％；
步骤5：停止偏心机械搅拌，将高温熔体冷却至室温，除去上部的熔炼渣，得到金属钛，金属钛氧含量0.12％。
实施例2
基于铝热自蔓延-喷吹深度还原制备金属钛的方法，具体包括如下步骤：
步骤1：物料预处理
将金红石：铝粉：造渣剂：KClO3，按质量比1.0∶0.52∶0.15∶0.20分别称量，其中造渣剂为按质量比20％的CaF2和80％的CaO；
将金红石，在680℃焙烧18h，除去有机杂质和水分；造渣剂混合均匀后，在400℃焙烧8h，使其干燥；KClO3在180℃干燥18h；
步骤2：铝热自蔓延还原
将物料混合均匀，放在自蔓延反应炉内，表面铺放少量镁粉，点燃镁粉引发自蔓延反应得到高温熔体，
步骤3：电磁场作用下的熔分
将高温熔体经过高温导流管直接转移到中频感应炉中，同时启动电磁感应加热进行保温熔炼分离，在1800℃，保温时间8min，形成上层为氧化铝基熔渣层，下层为金属钛熔体层；
步骤4：喷吹熔渣还原精炼
放掉上层50％的氧化铝基熔渣后，进行偏心机械搅拌，搅拌转速80rpm，同时向氧化铝基熔渣层喷吹CaF2-CaO预熔渣，进行渣洗熔炼，CaF2-CaO预熔渣的质量为相对于未放渣前上层氧化铝基熔渣层质量的7.5％，其中CaF2和CaO的质量比为5∶5，喷吹后停止偏心机械搅拌，保温20min；
然后，进行偏心机械搅拌，搅拌转速80rpm，同时采用高纯氩气携带高温钙蒸汽，向金属钛熔体层喷吹，进行深度还原精炼，喷吹时间30min，高纯氩气的流量为15L/min，高温钙蒸汽的质量为金红石质量的12％；
步骤5：停止偏心机械搅拌，将高温熔体冷却至室温，除去上部的熔炼渣，得到金属钛，金属钛氧含量0.18％。
实施例3
基于铝热自蔓延-喷吹深度还原制备金属钛的方法，具体包括如下步骤：
步骤1：物料预处理
将金红石：铝粉：造渣剂：KClO3，按质量比1.0∶0.52∶0.15∶0.20分别称量，其中造渣剂为按质量比25％的CaF2和75％的CaO；
将金红石，在550℃焙烧36h，除去有机杂质和水分；造渣剂混合均匀后，在300℃焙烧12h，使其干燥；KClO3在150℃干燥32h；
步骤2：铝热自蔓延还原
将物料混合均匀，放在自蔓延反应炉内，表面铺放少量镁粉，点燃镁粉引发自蔓延反应得到高温熔体，
步骤3：电磁场作用下的熔分
将高温熔体经过高温导流管直接转移到中频感应炉中，同时启动电磁感应加热进行保温熔炼分离，在1900℃，保温时间5min，形成上层为氧化铝基熔渣层，下层为金属钛熔体层；
步骤4：喷吹熔渣还原精炼
放掉上层50％的氧化铝基熔渣后，进行偏心机械搅拌，搅拌转速50rpm，同时以底吹方式向氧化铝基熔渣层喷吹CaF2-CaO预熔渣，进行渣洗熔炼，CaF2-CaO预熔渣的质量为相对于未放渣前上层氧化铝基熔渣层质量的10％，其中CaF2和CaO的质量比为4∶6，喷吹后停止偏心机械搅拌，保温10min；
然后，进行偏心机械搅拌，搅拌转速50rpm，同时采用高纯氩气携带高温钙蒸汽，以底吹的方式向金属钛熔体层喷吹，进行深度还原精炼，喷吹时间30min，高纯氩气的流量为5L/min，高温钙蒸汽的质量为金红石质量的10％；
步骤5：停止偏心机械搅拌，将高温熔体冷却至室温，除去上部的熔炼渣，得到金属钛，其中氧含量0.12％。
实施例4
基于铝热自蔓延-喷吹深度还原制备金属钛的方法，具体包括如下步骤：
步骤1：物料预处理
将金红石：铝粉：造渣剂：KClO3，按质量比1.0∶0.50∶0.15∶0.15分别称量，其中造渣剂为按质量比10％的CaF2、10％的Na2O和80％的CaO；
将金红石，在700℃焙烧12h，除去有机杂质和水分；造渣剂混合均匀后，在350℃焙烧15h，使其干燥；KClO3在200℃干燥18h；
步骤2：铝热自蔓延还原
将物料混合均匀，放在自蔓延反应炉内，表面铺放少量镁粉，点燃镁粉引发自蔓延反应得到高温熔体，
步骤3：电磁场作用下的熔分
将高温熔体经过高温导流管直接转移到中频感应炉中，同时启动电磁感应加热进行保温熔炼分离，在1700℃，保温时间10min，形成上层为氧化铝基熔渣层，下层为金属钛熔体层；
步骤4：喷吹熔渣还原精炼
放掉上层50％的氧化铝基熔渣后，进行偏心机械搅拌，搅拌转速120rpm，同时以底吹方式向氧化铝基熔渣层喷吹CaF2-CaO预熔渣，进行渣洗熔炼，CaF2-CaO预熔渣的质量为相对于未放渣前上层氧化铝基熔渣层质量的5％，其中CaF2和CaO的质量比为6∶4，喷吹后停止偏心机械搅拌，保温30min；
然后，进行偏心机械搅拌，搅拌转速120rpm，同时采用高纯氩气携带高温钙蒸汽，以底吹的方式向金属钛熔体层喷吹，进行深度还原精炼，喷吹时间10min，高纯氩气的流量为20L/min，高温钙蒸汽质量相当于金红石质量的15％；
步骤5：停止偏心机械搅拌，将高温熔体冷却至室温，除去上部的熔炼渣，得到金属钛，其中氧含量0.11％。
实施例5
基于铝热自蔓延-喷吹深度还原制备金属钛的方法，具体包括如下步骤：
步骤1：物料预处理
将金红石：铝粉：造渣剂：KClO3，按质量比1.0∶0.50∶0.15∶0.15分别称量，其中造渣剂为按质量比20％的CaF2、8％的Na2O和72％的CaO；
将金红石，在600℃焙烧30h，除去有机杂质和水分；造渣剂混合均匀后，在280℃焙烧14h，使其干燥；KClO3在180℃干燥18h；
步骤2：铝热自蔓延还原
将物料混合均匀，放在自蔓延反应炉内，表面铺放少量镁粉，点燃镁粉引发自蔓延反应得到高温熔体，
步骤3：电磁场作用下的熔分
将高温熔体经过高温导流管直接转移到中频感应炉中，同时启动电磁感应加热进行保温熔炼分离，在1800℃，保温时间8min，形成上层为氧化铝基熔渣层，下层为金属钛熔体层；
步骤4：喷吹熔渣还原精炼
放掉上层50％的氧化铝基熔渣后，进行偏心机械搅拌，搅拌转速80rpm，同时以底吹方式向氧化铝基熔渣层喷吹CaF2-CaO预熔渣，进行渣洗熔炼，CaF2-CaO预熔渣的质量为相对于未放渣前上层氧化铝基熔渣层质量的7.5％，其中CaF2和CaO的质量比为5∶5，喷吹后停止偏心机械搅拌，保温20min；
然后，进行偏心机械搅拌，搅拌转速80rpm，同时采用高纯氩气携带高温钙蒸汽，以底吹的方式向金属钛熔体层喷吹，进行深度还原精炼，喷吹时间30min，高纯氩气的流量为15L/min，高温钙蒸汽质量为金红石质量的12％；
步骤5：停止偏心机械搅拌，将高温熔体冷却至室温，除去上部的熔炼渣，得到金属钛，金属钛氧含量0.12％。
实施例6
基于铝热自蔓延-喷吹深度还原制备金属钛的方法，具体包括如下步骤：
步骤1：物料预处理
将高钛渣：铝粉：造渣剂：KClO3，按质量比1.0∶0.50∶0.15∶0.15分别称量，其中造渣剂为按质量比25％的CaF2、10％的Na2O和65％的CaO；
将高钛渣，在650℃焙烧24h，除去有机杂质和水分；造渣剂混合均匀后，在300℃焙烧12h，使其干燥；KClO3在170℃干燥20h；
步骤2：铝热自蔓延还原
将物料混合均匀，放在自蔓延反应炉内，表面铺放少量镁粉，点燃镁粉引发自蔓延反应得到高温熔体，
步骤3：电磁场作用下的熔分
将高温熔体经过高温导流管直接转移到中频感应炉中，同时启动电磁感应加热进行保温熔炼分离，在1900℃，保温时间5min，形成上层为氧化铝基熔渣层，下层为金属钛熔体层；
步骤4：喷吹熔渣还原精炼
放掉上层50％的氧化铝基熔渣后，进行偏心机械搅拌，搅拌转速50rpm，同时以底吹方式向氧化铝基熔渣层喷吹CaF2-CaO预熔渣，进行渣洗熔炼，CaF2-CaO预熔渣的质量为相对于未放渣前上层氧化铝基熔渣层质量的10％，其中CaF2和CaO的质量比为4：6，喷吹后停止偏心机械搅拌，保温10min；
然后，进行偏心机械搅拌，搅拌转速50rpm，同时采用高纯氩气携带高温钙蒸汽，以底吹的方式向金属钛熔体层喷吹，进行深度还原精炼，喷吹时间30min，高纯氩气的流量为5L/min，高温钙蒸汽质量相当于高钛渣质量的10％；
步骤5：停止偏心机械搅拌，将高温熔体冷却至室温，除去上部的熔炼渣，得到金属钛，金属钛氧含量0.10％。
实施例7
基于铝热自蔓延-喷吹深度还原制备金属钛的方法，具体包括如下步骤：
步骤1：物料预处理
将高钛渣：铝粉：造渣剂：KClO3，按质量比1.0∶0.54∶0.15∶0.25分别称量，其中造渣剂为按质量比10％的CaF2和90％的CaO；
将高钛渣，在700℃焙烧12h，除去有机杂质和水分；造渣剂混合均匀后，在250℃焙烧16h，使其干燥；KClO3在180℃干燥18h；
步骤2：铝热自蔓延还原
混合均匀，放在自蔓延反应炉内，表面铺放少量镁粉，点燃镁粉引发自蔓延反应得到高温熔体，
步骤3：电磁场作用下的熔分
将高温熔体经过高温导流管直接转移到中频感应炉中，同时启动电磁感应加热进行保温熔炼分离，在1700℃，保温时间10min，形成上层为氧化铝基熔渣层，下层为金属钛熔体层；
步骤4：喷吹熔渣还原精炼
放掉上层50％的氧化铝基熔渣后，进行偏心机械搅拌，搅拌转速100rpm，同时以底吹方式向氧化铝基熔渣层喷吹CaF2-CaO预熔渣，进行渣洗熔炼，CaF2-CaO预熔渣的质量为相对于未放渣前上层氧化铝基熔渣层质量的5％，其中CaF2和CaO的质量比为6∶4，喷吹后停止偏心机械搅拌，保温30min；
然后，进行偏心机械搅拌，搅拌转速100rpm，同时采用高纯氩气携带高温镁蒸汽，以底吹的方式向金属钛熔体层喷吹，进行深度还原精炼，喷吹时间10min，高纯氩气的流量为20L/min，高温镁蒸汽质量为高钛渣质量的10％；
步骤5：停止偏心机械搅拌，将高温熔体冷却至室温，除去上部的熔炼渣，得到金属钛，金属钛氧含量0.12％。
实施例8
基于铝热自蔓延-喷吹深度还原制备金属钛的方法，具体包括如下步骤：
步骤1：物料预处理
将金红石：铝粉：造渣剂：KClO3，按质量比1.0∶0.54∶0.15∶0.25分别称量，其中造渣剂为按质量比20％的CaF2和80％的CaO；
将金红石，在600℃焙烧28h，除去有机杂质和水分；造渣剂混合均匀后，在350℃焙烧12h，使其干燥；KClO3在160℃干燥22h；
步骤2：铝热自蔓延还原
将物料混合均匀，放在自蔓延反应炉内，表面铺放少量镁粉，点燃镁粉引发自蔓延反应得到高温熔体，
步骤3：电磁场作用下的熔分
将高温熔体经过高温导流管直接转移到中频感应炉中，同时启动电磁感应加热进行保温熔炼分离，在1800℃，保温时间8min，形成上层为氧化铝基熔渣层，下层为金属钛熔体层；
步骤4：喷吹熔渣还原精炼
放掉上层50％的氧化铝基熔渣后，进行偏心机械搅拌，搅拌转速80rpm，同时以底吹方式向氧化铝基熔渣层喷吹CaF2-CaO预熔渣，进行渣洗熔炼，CaF2-CaO预熔渣的质量为相对于未放渣前上层氧化铝基熔渣层质量的7.5％，其中CaF2和CaO的质量比为5∶5，喷吹后停止偏心机械搅拌，保温20min；
然后，进行偏心机械搅拌，搅拌转速80rpm，同时采用高纯氩气携带高温镁蒸汽，以底吹的方式向金属钛熔体层喷吹，进行深度还原精炼，喷吹时间30min，高纯氩气的流量为15L/min，高温镁蒸汽的质量为金红石质量的8％：
步骤5：停止偏心机械搅拌，将高温熔体冷却至室温，除去上部的熔炼渣，得到金属钛，金属钛氧含量0.12％。
实施例9
基于铝热自蔓延-喷吹深度还原制备金属钛的方法，具体包括如下步骤：
步骤1：物料预处理
将金红石：铝粉：造渣剂：KClO3，按质量比1.0∶0.54∶0.15∶0.25分别称量，其中造渣剂为按质量比25％的CaF2和75％的CaO；
将金红石，在650℃焙烧24h，除去有机杂质和水分；造渣剂混合均匀后，在300℃焙烧10h，使其干燥；KClO3在180℃干燥18h；
步骤2：铝热自蔓延还原
混合均匀，放在自蔓延反应炉内，表面铺放少量镁粉，点燃镁粉引发自蔓延反应得到高温熔体，
步骤3：电磁场作用下的熔分
将高温熔体经过高温导流管直接转移到中频感应炉中，同时启动电磁感应加热进行保温熔炼分离，在1900℃，保温时间5min，形成上层为氧化铝基熔渣层，下层为金属钛熔体层；
步骤4：喷吹熔渣还原精炼
放掉上层50％的氧化铝基熔渣后，进行偏心机械搅拌，搅拌转速50rpm，同时以底吹方式向氧化铝基熔渣层喷吹CaF2-CaO预熔渣，进行渣洗熔炼，CaF2-CaO预熔渣的质量为相对于未放渣前上层氧化铝基熔渣层质量的10％，其中CaF2和CaO的质量比为4∶6，喷吹后停止偏心机械搅拌，保温10min；
然后，进行偏心机械搅拌，搅拌转速50rpm，同时采用高纯氩气携带高温镁蒸汽，以底吹的方式向金属钛熔体层喷吹，进行深度还原精炼，喷吹时间30min，高纯氩气的流量为5L/min，高温镁蒸汽质量相当于金红石质量的5％；
步骤5：停止偏心机械搅拌，将高温熔体冷却至室温，除去上部的熔炼渣，得到金属钛，金属钛氧含量0.15％。
Claims (4)
1.一种基于铝热自蔓延-喷吹深度还原制备金属钛的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：物料预处理
将金红石或高钛渣∶铝粉∶造渣剂∶KClO3，按质量比1.0∶(0.50～0.54)∶(0.15～0.25)∶(0.20～0.25)分别称量；其中：
金红石或高钛渣，粒度≤1000μm；铝粉粒度≤5mm；造渣剂粒度≤2mm；KClO3粒度≤2mm；
造渣剂为以下两种中的一种：
(1)按质量百分比10～25％的CaF2，余量为CaO；
(2)按质量百分比10～25％的CaF2，5～10％的Na2O，余量为CaO；
将金红石或高钛渣，在550～700℃焙烧12～36h；造渣剂混合均匀后，在250～400℃焙烧8～16h；KClO3在150～200℃干燥18～32h；
步骤2：铝热自蔓延还原
将物料混合均匀，放在自蔓延反应炉内，用镁粉点燃引发自蔓延反应得到高温熔体；
步骤3：电磁场作用下的熔分
将高温熔体通过高温导流管直接转移到中频感应炉中，同时启动电磁感应加热进行保温熔炼分离，保温温度1700～1900℃，保温时间5～10min，形成上层为氧化铝基熔渣层，下层为金属钛熔体层；
步骤4：熔渣喷吹还原精炼
放掉上层50％的氧化铝基熔渣后，进行偏心机械搅拌，搅拌转速50～120rpm，同时向氧化铝基熔渣层喷吹CaF2-CaO预熔渣，进行渣洗熔炼，CaF2-CaO预熔渣的质量为相对于未放渣前上层氧化铝基熔渣层质量的5～10％，喷吹后停止偏心机械搅拌，保温10～30min；
然后，进行偏心机械搅拌，搅拌转速50～120rpm，同时采用惰性气体携带强还原剂，向金属钛熔体层喷吹，进行深度还原精炼，喷吹时间为10～30min，喷吹时惰性气体的流量为5～20L/min，其中，强还原剂及其用量为以下两种中的一种：
(1)强还原剂为金属钙高温蒸汽，喷吹量为金红石或高钛渣的质量的10～15％；
(2)强还原剂为金属镁高温蒸汽，喷吹量为金红石或高钛渣的质量的5～10％；
步骤5：停止偏心机械搅拌，将高温熔体冷却至室温，除去上部的熔炼渣，得到金属钛。
2.如权利要求1所述的基于铝热自蔓延-喷吹深度还原制备金属钛的方法，其特征在于，所述的步骤3中频感应炉的电磁场的频率大于等于1000Hz。
3.如权利要求1所述的基于铝热自蔓延-喷吹深度还原制备金属钛的方法，其特征在于，所述的步骤4中的CaF2-CaO预熔渣，CaF2和CaO的质量比为(4～6)∶(6～4)。
4.如权利要求1所述的基于铝热自蔓延-喷吹深度还原制备金属钛的方法，其特征在于，所述的步骤4中的惰性气体为高纯氩气，纯度大于等于99.95％。
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Application publication date: 20141105 Assignee: SHANDONG ZIBO FUSHAN ENTERPRISE GROUP CO., LTD. Assignor: Northeastern University Contract record no.: 2017210000007 Denomination of invention: Aluminum thermal self-propagating-injection depth reduction based method for preparing metal titanium Granted publication date: 20150715 License type: Exclusive License Record date: 20170328 |