CN105603257A - 高品质钛铁的生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及高品质钛铁的生产方法，属于铁合金冶炼技术领域。本发明解决的技术问题是提供高品质钛铁的生产方法，该方法采用等外海绵钛、钛(合金)屑、钛(合金)刨花等高钛、低杂质含量材料为钛原料，纯铁(粉、块、水)为铁源，在真空或惰性气体保护条件下进行分别熔融，并分别升温到1690℃以上，将两种金属液按所需钛铁牌号要求进对冲混合，底吹氩气，然后浇铸冷却即得。本发明方法不仅可以生产出不同钛含量要求的钛铁系列产品，而且生产方法简单易行、成分控制精度高、杂质及有害元素含量低、钛铁成品品质高，有效解决了传统钛铁生产工艺控制难度大、杂质含量高的难题。

Description

高品质钛铁的生产方法
技术领域
本发明涉及高品质钛铁的生产方法，属于铁合金冶炼技术领域。
背景技术
钛可以增加钢铁的耐磨性和抗拉强度，可用作脱氧剂、除气剂。钛的脱氧能力大大高于硅、锰，并可减少钢锭偏析，改善钢锭质量，提高收得率。而金属钛的比重低，仅为4.5克/毫升，熔点又高，为1690℃，又易氧化，在钢液面上被氧化烧掉很多，损失太大，又不易控制含量，并且单体金属制取工艺复杂，生产成本高，价格昂贵等等，因此不适合以纯金属和非金属单体状态在炼钢时直接加入钢液中。为此冶金工作者们研究制出了这些元素和铁的合金，就叫做“铁合金”，钛元素和铁的合金熔点和钢接近，比重和钢差不多，又不易氧化，其生产工艺又比生产该纯金属和非金属简单，生产成本比纯的单体金属和非金属低的多，价格低，特别适合于炼钢和生产各种高科技材料中使用。因此铁合金成为炼钢和新材料工业中的重要材料。目前的铁合金品种有二元的和多元的铁合金数十种，其中钛铁属于用量最大的二元铁合金之一。钛铁合金是生产链条钢、锚链钢、造船用钢、不锈钢、电焊条以及电子、军工产品等的重要原料。
目前，国内的钛铁生产主要采用钛精矿、钛渣等为钛原料，通过还原法生产钛铁合金。
专利201010514572.3公开了“一种分步金属热还原制备高钛铁的方法”，包括一步铝热还原熔炼、二步强化还原精炼两个步骤，按质量比，原料配料为：金红石或高钛渣:铝粉:铁精矿:造渣剂:KClO3＝1.0:0.37～0.50:0.05～0.10:0.15～0.25:0.20～0.25，冶炼温度1900℃～2200℃；二步强化还原精炼时间10～30min，精炼结束后，冷却、起锭、除杂，得到高钛铁合金；复合还原剂为钙镁合金。专利CN200710049216.7公开了“一种以钛原料冶炼制取系列钛铁合金的方法”，工艺步骤如下：将攀西地区钛原料、钙质冶金辅料及钙-钠系处理剂送入旋转炉中，经快速预热后，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金属铝、铁系原料、辅助还原剂及氯酸钾，混料器中的原料及辅助材料混合均匀后，经对接仓落入已预热的冶炼炉内，加入点火剂，2～3min反应结束后加入缓凝剂，冷却20～40h，最后分离渣和钛铁合金，钛铁合金产品经检验、包装后入库。专利CN200810230203.4公开了“基于铝热还原制备高品质高钛铁合金的方法及装置”，方法包括以下步骤：(1)将铝热还原剂预热到液态；将含钛物质、含铁物质和造渣剂经过球磨、焙烧后连续加入金属熔池中进行高温熔炼；(2)喷吹颗粒还原剂进行冶炼；(3)经过冷却，起锭，去除杂质，获得高品质高钛铁。专利CN201110113452.7公开了“一种铋钛铁合金及其用途”，所述铋钛铁合金以其组分和各组分的重量百分含量是：铋15-68wt％，钛15-68wt％，不可避免的杂质≤0.8wt％，铁：5～70％。其制备方法为将金属铋、海绵钛、生铁和废钢按配比配料，先行熔化生铁和废钢，再将海绵钛加入并进行搅拌，以使钛充分溶解到铁液中，在此过程中，随着钛的不断加入，对合金液进行加热升温，直至海绵钛完全溶解并均匀混合后再用钟罩将金属铋压入金属液中并进行搅拌，以使铋充分溶解到铁钛合金液中，待金属铋完全溶解均匀后把合金液浇注到铸锭模内快速冷却，即制成铋钛铁合金锭。专利CN201310507878.X公开了“以钛渣与钛精矿为钛、铁原料生产高钛铁合金的方法”，以钛渣与钛精矿为钛、铁原料，包括以下步骤：将原料按质量配比钛渣1份、钛精矿0.35～0.51份、铝粉0.83份、氯酸钾0.36份、萤石0.14～0.16份、石灰0.11～0.15份混匀后，采用上部点火法冶炼，获得高钛铁合金。专利CN201310449481.X公开了“利用碳还原制备铌钛铁合金的方法及铌钛铁合金”，该方法包括：(1)碳高温还原，将高钛富铌渣、碳和第一溶剂在1550-1700℃熔化，然后保温还原冶炼，得到碳化物；以及(2)二次冶炼。专利CN201310413509.4公开了“一种制备钛铁合金的方法”，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。专利CN201310507100.9公开了一种“铝镁法生产高钛铁合金”，将原料按质量配比钛精矿1份、钛渣2.3份、铝粉1.73～1.93份、镁粉为0.17～0.23份、萤石0.27～0.37份、石灰0.33～0.4份、氯酸钾0.83份混匀后，采用上部点火法冶炼，获得高钛铁合金。专利CN201310449614.3公开了“铌钛铁合金的制备方法及铌钛铁合金”，铌钛铁合金的制备方法包括如下工序：(1)高温碳化，将富铌渣、碳和第一熔剂在1500-1700℃熔化，然后保温还原冶炼，得到铌钛碳化物；以及(2)再氧化，先将铁鳞加入到工序(1)得到的碳化物中，在1550-1700℃反应冶炼，然后保持温度1550-1700℃下加入第二熔剂，熔化后继续保温一段时间进行冶炼，得到铌钛铁合金。
从已经公开的发明专利来看，钛铁的生产主要采用钛精矿、钛渣、金红石等含钛物质为钛源，铝、镁、碳等为还原剂，同时采用石灰、萤石等作为造渣剂，部分发明还采用氯酸钾为点火剂，这些方法虽然都可以成功生产出不同钛含量的钛铁合金，但是方法存在反应剧烈、反应时间短、生产周期长、合金成分波动大、杂质含量高等缺点，极大影响钛合金钢种的成分精度控制。比如：以上方法生产出的不同钛含量合金存在状态不一，低钛含量的钛铁合金易粉化，高钛含量的钛铁合金硬度大难破碎，这就造成采用低钛含量合金进行合金化时加入量控制难度大。现有方法生产出的钛铁在成分上波动较大，同时含有的杂质元素含量高，因此国标对钛铁成分的要求较为宽泛(国标中钛铁的化学成分见表1)，硅、锰、铝等含量均可以在1％及以上，磷、硫含量较高，高牌号的钛铁还存在氧、氮含量高等问题(如FeTi70的氮含量高达0.80％、氧含量在5.00％以上)，这些都极大影响钛合金化过程中钢水成分的精确控制和有害元素的控制。
表1国标中钛铁合金的化学成分
发明内容
本发明解决的技术问题是提供高品质钛铁的生产方法，采用本发明的方法不仅可以生产出不同钛含量要求的钛铁系列产品，而且产品中杂质及有害元素含量低、钛铁成品品质高。
本发明高品质钛铁的生产方法，包括如下步骤：
a、在真空或惰性气体氛围中进行钛源的熔清，熔清后升温到1690℃以上，得到钛液；所述钛源的钛含量≥99.5％；
b、在真空或惰性气体氛围中进行铁源的熔清，熔清后升温到1650℃以上；所述铁源中的碳、硅、锰、磷、硫、铝、钒、钛元素含量的总和<1％；
c、在真空条件下或惰性气体氛围中将a步骤的钛液和b步骤熔清并升温后的铁源进行对冲混匀到红热合金液包中，并在包底喷吹氩气，供氩强度为0.25～1.0m3/(min·t)，吹氩时间为3～15min；得到钛铁合金液；
d、在真空条件下或惰性气体氛围中将钛铁合金液进行浇铸，待合金降温到100℃及其以下后，将钛铁合金进行破碎包装，得到钛铁合金。
优选的，所述钛源为等外海绵钛、钛屑、钛合金屑、钛刨花、钛合金刨花中的至少一种；所述铁源为纯铁粉、铁块或铁水。
作为优选方案，a步骤升温到1690～1700℃，b步骤将铁水升温到1650～1700℃。
进一步的，优选a步骤中，采用坩埚炉或电阻炉进行钛源的熔清；b步骤中，采用感应炉、坩埚炉或电阻炉进行铁源的熔清。
优选的，c步骤中，在钛铁合金中进入其他合金成分，用以得到含其他合金成分的钛铁合金，所述其他合金成分为铬、铌、镍中的至少一种。
其中，惰性气体优选为氦气、氖气、氩气、氪气、氙气或氡气。
作为优选方案，所述高品质钛铁的杂质含量<0.5％。
本发明的钛铁生产方法不仅可以生产出不同钛含量要求的钛铁系列产品，而且生产方法简单易行、成分控制精度高、杂质及有害元素含量低、钛铁成品品质高，有效解决了传统钛铁生产工艺控制难度大、杂质含量高等难题，所生产的钛铁可以为高端含钛钢种的生产提供高品质钛铁合金。
具体实施方式
本发明高品质钛铁的生产方法，包括如下步骤：
a、在真空或惰性气体氛围中进行钛源的熔清，熔清后升温到1690℃以上，得到钛液；所述钛源的钛含量≥99.5％；
b、在真空或惰性气体氛围中进行铁源的熔清，熔清后升温到1650℃以上；所述铁源中的碳、硅、锰、磷、硫、铝、钒、钛元素含量的总和<1％；
c、在真空条件下或惰性气体氛围中将a步骤的钛液和b步骤熔清并升温后的铁源进行对冲混匀到红热合金液包中，并在包底喷吹氩气，供氩强度为0.25～1.0m3/(min·t)，吹氩时间为3～15min；得到钛铁合金液；
d、均匀化完成后，在真空条件下或惰性气体氛围中将钛铁合金液进行浇铸，待合金降温到100℃及其以下后，将钛铁合金进行破碎包装，得到钛铁合金。
本发明高品质钛铁的生产方法，通过对钛源、铁源杂质的控制，并且在混合过程中底吹氩气，不仅可以起到成分均匀化的目的，还能达到控杂的目的，降低钛铁合金中的杂质含量。优选的，供氩强度为0.25～1.0m3/(min·t)，吹氩时间为3～15min。
其中，所述钛源为钛含量为99.5％的高钛含量物质，优选所述钛源为等外海绵钛、钛屑、钛合金屑、钛刨花、钛合金刨花中的至少一种；所述铁源为纯铁粉、铁块或铁水。
进一步，优选的，a步骤升温到1690℃以上，b步骤将铁水升温到1650～1700℃。
进一步的，a步骤中，优选采用坩埚炉或电阻炉进行钛源的熔清；b步骤中，采用感应炉、坩埚炉或电阻炉进行铁源的熔清。
如若需要在钛铁合金中加入其他合金成分(如铬、铌、镍等)时，可在c步骤中加入相应的金属或铁合金。即在c步骤中，在钛铁合金中加入其他合金成分，用以得到含相应合金的钛铁合金。
进一步的，本发明的惰性气体不包括氮气，可优选为氦气、氖气、氩气、氪气、氙气或氡气。
通过本发明高品质钛铁的生产方法，得到的钛铁合金中杂质含量<0.5％。
本发明中的含量均为质量百分数。
下面结合实施例对本发明的具体实施方式做进一步的描述，并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
实施例1
采用坩埚炉在真空中将等外海绵钛(钛含量99.8％)熔清，并升温到1700℃；采用感应炉在真空中将纯铁([C]+[Si]+[Mn]+[P]+[S]+[Al]+[V]+[Ti]<1％)熔清，熔清后升温到1650℃；铁源和钛源重量比为7：3，待两种原料升温到既定温度后，在真空条件下将熔清的铁源和钛源进行对冲混匀到红热合金液包中，并在包底采用喷吹氩气的方式进行成分均匀化并控杂，供氩强度为0.5m3/(min·t)，吹氩时间为10min；均匀化完成后在真空条件下将钛铁合金液进行板式浇铸，待合金降温到100℃及其以下后，将钛铁合金进行破碎包装。所得钛铁合金中Ti含量为29.87％，其余除铁外元素含量总量<0.5％。
实施例2
采用电阻炉在Ar气保护氛围中将钛刨花(钛含量99.5％)熔清，并升温到1690℃；采用电阻炉在Ar气保护氛围中将纯铁水升温到1700℃(其中铁水中的[C]+[Si]+[Mn]+[P]+[S]+[Al]+[V]+[Ti]<1％)；铁源和钛源重量比为3：7，待两种原料升温到既定温度后，在真空条件下将熔清的铁源和钛源进行对冲混匀到红热合金液包中，并在包底采用喷吹氩气的方式进行成分均匀化并控杂，供氩强度为1m3/(min·t)，吹氩时间为3min；均匀化完成后在真空条件下将钛铁合金液进行板式浇铸，待合金降温到100℃及其以下后，将钛铁合金进行破碎包装。所得钛铁合金中Ti含量为69.79％，其余除铁外元素含量总量<0.4％。
实施例3
采用电阻炉在真空中将钛屑(钛含量99.9％)熔清，并升温到1695℃；采用坩埚炉在真空中将纯铁粉([C]+[Si]+[Mn]+[P]+[S]+[Al]+[V]+[Ti]<1％)熔清，熔清后升温到1700℃；铁源和钛源重量比为5：5，待两种原料升温到既定温度后，在真空条件下将熔清的铁源和钛源进行对冲混匀到红热合金液包中，并在包底采用喷吹氩气的方式进行成分均匀化并控杂，供氩强度为0.25m3/(min·t)，吹氩时间为15min；均匀化完成后在真空条件下将钛铁合金液进行板式浇铸，待合金降温到100℃及其以下后，将钛铁合金进行破碎包装。所得钛铁合金中Ti含量为49.81％，其余除铁外元素含量总量<0.45％。

Claims (7)

1.高品质钛铁的生产方法，其特征在于，包括如下步骤：
a、在真空或惰性气体氛围中进行钛源的熔清，熔清后升温到1690℃以上，得到钛液；所述钛源的钛含量≥99.5％；
b、在真空或惰性气体氛围中进行铁源的熔清，熔清后升温到1650℃以上；所述铁源中的碳、硅、锰、磷、硫、铝、钒、钛元素含量的总和<1％；
c、在真空条件下或惰性气体氛围中将a步骤的钛液和b步骤熔清并升温后的铁源进行对冲混匀到红热合金液包中，并在包底喷吹氩气，供氩强度为0.25～1.0m3/(min·t)，吹氩时间为3～15min；得到钛铁合金液；
d、在真空条件下或惰性气体氛围中将钛铁合金液进行浇铸，待合金降温到100℃及其以下后，将钛铁合金进行破碎包装，得到钛铁合金。
2.根据权利要求1所述的高品质钛铁的生产方法，其特征在于：所述钛源为等外海绵钛、钛屑、钛合金屑、钛刨花、钛合金刨花中的至少一种；所述铁源为纯铁粉、铁块或铁水。
3.根据权利要求1所述的高品质钛铁的生产方法，其特征在于：a步骤升温到1690～1700℃，b步骤将铁水升温到1650～1700℃。
4.根据权利要求1所述的高品质钛铁的生产方法，其特征在于：a步骤中，采用坩埚炉或电阻炉进行钛源的熔清；b步骤中，采用感应炉、坩埚炉或电阻炉进行铁源的熔清。
5.根据权利要求1所述的高品质钛铁的生产方法，其特征在于：c步骤中，在钛铁合金中进入其他合金成分，用以得到含其他合金成分的钛铁合金，所述其他合金成分为铬、铌、镍中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的高品质钛铁的生产方法，其特征在于：惰性气体为氦气、氖气、氩气、氪气、氙气或氡气。
7.根据权利要求1所述的高品质钛铁的生产方法，其特征在于：所述高品质钛铁的杂质含量<0.5％。
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