CN107151752A - 基于铝热自蔓延梯度还原与渣洗精炼制备钛合金的方法 - Google Patents

基于铝热自蔓延梯度还原与渣洗精炼制备钛合金的方法 Download PDF

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Abstract

一种基于铝热自蔓延梯度还原与渣洗精炼制备钛合金的方法，属于钛铝合金技术领域。该方法为将原料预处理后，按质量比，金红石或高钛渣或二氧化钛∶铝粉∶V2O5粉末∶CaO∶KClO3＝1.0∶(0.60～0.24)∶(0.042～0.048)∶(0.12～0.26)∶(0.22～0.30)称量原料，采用梯度加料的方式进行铝热自蔓延反应得到高温熔体，进行梯度还原熔炼，加料完毕之后进行保温熔分，然后向高温熔体中加入CaF2‑CaO‑TiO2‑V2O5基精炼渣，进行渣洗精炼，最后除渣得到钛合金。该方法具有流程短、能耗低、操作简单、合金中Al、V含量易于控制等优点。

Description

基于铝热自蔓延梯度还原与渣洗精炼制备钛合金的方法
技术领域
本发明属于钛铝合金技术领域，特别涉及一种基于铝热自蔓延梯度还原与渣洗精炼制备钛合金的方法。
背景技术
钛合金由于具有比重小、比强度高、高温性能好、耐酸碱侵蚀、生物相容性好等优良性能被广泛应用于航空航天、船舶、国防军工、生物医疗等领域，未来的市场十分巨大。目前，世界钛合金加工材年产量已达4万余吨，钛合金牌号近30种，其中Ti-6Al-4V(TC4)是使用最广泛的铁合金之一，应用率占钛合金总产量的50％以上，占全部钛合金加工件的95％，是世界各国钛合金应用中的主导材料。Ti-6Al-4V合金是1954年由美国Illinois技术研究所研制的等轴马氏体型α+β两相钛合金，拥有较好的强度、韧性、塑性、成形性、可辉性、耐热性、耐烛性和生物相容性；最先应用于宇航工业，但随着科学技术的进步，该合金转向应用于军事、生物医学、汽车、海洋、安全与防护、体育及休闲用品等领域，并发展成为目前应用最广，产量最大的钛合金。同时，由于Ti-6Al-4V合金的广泛应用，其制备方法、组织性能分析以及应用的研究也最多，成为钛合金的典型代表。
目前，Ti-6Al-4V合金的工业生产方式主要有为真空熔铸法和粉末冶金法。真空熔铸法以海绵钛为原料，按照目标合金加入中间合金元素，充分混合后经过压制、焊接成电极，然后在电弧熔炼炉、电子束熔炼炉或等离子体熔炼炉里进行熔炼，然后浇铸成锭，再进行热处理制成成品。粉末冶金法，又称混合元素法(Blending elements,BE)，是一种生产复杂形状零件的近净成形技术，具有工艺流程短、材料利用率高、组织细小均匀、成分可控以及近净成形等优点，是制备高性能、低成本钛合金的理想工艺。该方法是将钛粉和元素粉按照合金的成分配比混合后，经模压或者冷等静压成形，再在真空下烧结，然后经过热处理制备出成品。但以上两种方法都是以海绵钛或钛粉为原料，而目前工业大量制备海绵钛的Kroll法是一个流程长，能耗高，高污染的复杂工艺过程，这是造成钛合金价格高，应用范围被广泛限制的主要原因。熔盐电解法是目前利用钛氧化物直接制取钛合金的研究热点，它是在熔体CaCl2中电解TiO2直接制备出低氧含量的钛合金，但该法存在工艺条件不成熟，电流效率、生产效率低等缺点。如果能以钛氧化物，再配入一定量的合金元素的氧化物，采用金属热还原法(如铝热法等)直接制备出钛基合金，就可以避开生产海绵钛的复杂工艺过程，从而使钛合金的工艺成本大大降低。铝热法具有反应迅速，能耗低等优点。因此，以钛氧化物，钛合金元素氧化物为原料，采用铝热法直接制备钛基合金是降低钛合金成本一个有前景的途径。铝元素作为钛合金主要α相稳定元素，主要起固溶强化作用，每添加1％Al，室温抗拉强度增加50MPa。铝在钛中的极限溶解度为7.5％，但超过极限溶解度后，组织中出现有序相Ti3Al(α2)，对合金的塑性、韧性及应力腐蚀不利，故一般加铝量不超过7％，有的钛合金中铝甚至更低。因此，控制钛合金中的铝含量显得尤其重要。但由于铝热还原过程中TiO2还原不彻底，合金中钛与铝易于生成钛铝金属间化合物，导致合金中铝含量偏高(≥10％)，合金中铝含量难以通过自蔓延反应过程中配料进行控制。
本发明基于目前制备钛合金工艺流程长、能耗高、成本高等的缺点以及铝热法制备钛合金过程中存在的铝含量难以控制等难题，提出了以金红石或高钛渣或二氧化钛为原料，采用铝热还原-渣洗精炼制备钛合金的新方法。
发明内容
为解决现有以炉外铝热法制备钛铁合金中存在的TiO2还原不彻底，铝残留量高，氧含量高等问题，本发明提出了以高钛渣或金红石或二氧化钛为原料，采用基于铝热自蔓延梯度还原与渣洗精炼制备钛合金的方法，该方法基于铝热自蔓延反应，即以金红石或高钛渣或二氧化钛、铝粉等为原料，采用梯度加料的方式进行铝热自蔓延反应得到高温熔体，进行梯度还原熔炼，并采用分批加料或连续加料方式实现反应过程及温度的控制以及金属氧化物的彻底还原，加料完毕之后保温熔分，然后向高温熔体中加入高碱度CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精炼渣，调整渣的碱度和熔点，进行渣洗精炼，最后将高温熔体冷却至室温除去上部的熔炼渣得到钛合金，该钛合金是钛铝钒合金。
本发明的一种基于铝热自蔓延梯度还原与渣洗精炼制备钛合金的方法，具体包括以下步骤：
步骤1：物料预处理
将铝热还原反应物料分别进行预处理，得到预处理后的铝热还原反应物料；
所述的铝热还原反应物料为含钛物料、铝粉、V2O5粉末、CaO和KClO3；
所述的含钛物料为金红石、高钛渣或二氧化钛中的一种或几种混合；
按配比，称量预处理后的铝热还原反应物料，其中，按质量比，含钛物料∶铝粉∶V2O5粉末∶CaO∶KClO3＝1.0∶(0.60～0.24)∶(0.042～0.048)∶(0.12～0.26)∶(0.22～0.30)；
所述的铝热还原反应物料中，各个物料的粒径分别为：金红石≤3mm，高钛渣≤3mm，或二氧化钛粒度≤0.02mm；铝粉粒度≤2mm；V2O5粉末≤0.2mm；CaO粒度≤0.2mm；KClO3粒度≤2mm；
步骤2：铝热自蔓延反应
采用以下两种加料方式之一进行梯度铝热还原：
加料方式一：
将称量的除铝粉以外的铝热自蔓延反应原料混合均匀，得到混合物料，将混合物料分为若干份；
按照每份混合物料加入反应炉的顺序，分别配铝，配铝量按照反应化学计量比的1.15～1.35倍逐渐降低至化学计量比的0.85～0.65倍；按照化学反应方程式得到加入铝粉的总质量为理论加入总质量mt，铝粉的实际加入总质量为ma，其中，ma＝mt×(95～100)％；
其中，第一批加入反应炉的混合物料的质量占总混合物料质量的10～30％，并且第一批加入反应炉的混合物料，需加入镁粉作为引燃物，点燃混合物料引发自蔓延反应，得到足以引发后续反应的第一批高温熔体；
按照配铝量的化学计量比依次降低的顺序，依次加其它份混合物料到反应炉中，直至所有物料完全反应，得到高温熔体；
加料方式二：
将除铝粉以外的铝热自蔓延反应原料混合均匀，得到混合物料，将混合物料以均匀流速加料到连续混料机中；
同时，将铝粉以梯度递减的流速加入连续混料机，使连续加入的混合物料的配铝量由化学计量比的1.15～1.35倍逐渐降低至化学计量比的0.85～0.65倍，其中，配铝量梯度变化次数满足关系式：
m＝(b-c)÷a (1)
式中，m为配铝量梯度变化的次数，b为最高的配铝量，c为最低的配铝量，a为配铝量梯度变化系数，0<a≤0.04；
按照化学反应方程式得到加入铝粉的总质量为理论加入总质量mt，铝粉的实际加入总质量为ma，其中，理论加入总质量mt和实际加入总质量为ma满足以下关系：ma＝mt×(95～100)％；
铝热自蔓延反应原料在连续混料机混匀后连续加入到反应炉中进行铝热还原反应，直至所有物料完全反应后得到高温熔体；
步骤3：电磁场作用下的熔分
采用电磁感应对高温熔体加热，进行保温熔分，实现渣金分离，得到分层熔体，上层为氧化铝基熔渣，下层合金熔体；其中，熔分过程中，控制温度为1700～1800℃，保温时间5～25min；
步骤4：渣洗精炼
(1)将上层的氧化铝基熔渣总体积的85～95％移除，对剩余的体积的氧化铝基熔渣和下层的合金熔体进行偏心机械搅拌，搅拌转速50～150rpm；控制温度为1700～1800℃；
(2)当熔体混合均匀后，持续搅拌，并以高纯惰性气体为载气，向混合均匀的熔体喷吹CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精炼渣，进行渣洗精炼；其中，按质量比，铝热自蔓延反应原料∶CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精炼渣＝1.0∶(0.02～0.08)；
所述的CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精炼渣，含有的化学成分及其质量百分比分别为CaF2∶5％～10％，CaO∶40％～60％，Na2O∶0～2％，TiO2∶30％～40％，V2O5∶5％～15％，余量为不可避免的杂质；其中，CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精炼渣中含有的各个组分：CaO、CaF2、Na2O、TiO2、V2O5粉末粒度粒度均≤0.2mm；
(3)喷吹CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精炼渣后，在1700～1800℃保温并持续偏心机械搅拌10～30min，得到钛合金熔体；
步骤5：冷却
将钛合金熔体冷却至室温后，除去上部的熔炼渣，得到钛合金。
本发明制备的钛合金含有的化学成分及其质量分数为：Al为5.5％～6.5％，V为3.5％～4.5％，Si为0.2％～1.0％，Fe为0.2％～1.0％，O≤0.9％，余量为Ti。
所述的步骤1中，所述的将铝热还原反应物料分别进行预处理的方法如下：
(1)将含钛物料，V2O5粉末，CaO分别进行焙烧，焙烧温度≥120℃，焙烧时间12～36h；
(2)将KClO3在150～300℃干燥时间12～48h。
所述的步骤2中，所述若干份为n份，n≥4。
所述的步骤3中，所述的电磁感应的设备为中频感应炉，其电磁场的频率大于等于1000Hz。
所述的步骤4中，所述的偏心机械搅拌，偏心率为0.2～0.4。
所述的步骤4中，所述的喷吹优选为在中频感应炉底部喷吹。
所述的步骤4中，所述的高纯惰性气体为高纯氩气，纯度大于等于99.95％。
所述的步骤4(2)中，所述的CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精练渣使用前，进行预处理：焙烧温度150～450℃焙烧10～48h。
本发明的一种基于铝热自蔓延梯度还原与渣洗精炼制备钛合金的方法，和真空自耗电弧熔炼法或混合元素法制备钛合金相比，具有显著的进步和优点：
1、本发明金红石或高钛渣或二氧化钛、铝粉、V2O5粉末为原料，提出采用铝热还原-渣洗精炼制备钛合金的的新思路，具有流程短、能耗低、操作简单、合金中Al、V含量易于控制等优点；
2、首先采用比化学计量比高的配铝系数物料进行铝热自蔓延，得到更高温度的高温熔体，有利于后续低配铝系数物料的反应引发；
3、高的配铝系数保证了所得到的熔体中强烈的还原气氛，保证了金属氧化物的彻底还原；
4、物料配铝系数由大于化学计量比逐渐降低至小于化学计量比，这样开始得到熔体中与钛结合的过量的还原剂被逐渐释放出来，与后续加入的低配铝系数物料中的钛、钒的氧化物逐渐反应，实现了最终产品中铝含量有效控制；
5、加料批次越多或连续加料梯度越小，配铝系数梯度变化越小，梯度还原效果越明显，合金的收率越高；同时，调整加料速度也能对反应过程中的温度进行控制；
6、渣洗精炼过程中，利用加入的精炼渣调整渣的碱度和熔点，降低了渣的粘度，提高了渣的流动性，实现渣金界面化学反应和渣金分离的彻底进行，实现氧化铝等夹杂有效脱除；同时，保温熔炼与渣洗精炼过程充分利用了体系反应热，降低能耗；
7、采用电磁感应加热进行渣洗精炼，外加偏心机械搅拌，形成上层为氧化铝基熔渣层，下层为金熔体层，强化了渣金分离过程。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
以下实施例中：
含钛物料中：金红石含有的成分及其质量百分比为TiO2≥92％，余量为杂质，其粒度≤3mm；高钛渣含有的成分及其质量百分比为TiO2≥92％，余量为杂质，其粒度≤3mm；二氧化钛含有的成分及其质量百分比为TiO2≥99.5％，余量为杂质，其粒度≤0.02mm；
V2O5粉末粒度≤0.2mm；
铝粉粒度≤2mm；
造渣剂粒度≤0.2mm；
高纯氩气的纯度大于99.95％；
以下实施例中，熔分过程和渣洗精练过程，采用的设备均为中频感应炉，中频感应炉中的电磁场的频率不低于1000Hz。
实施例1
一种基于铝热自蔓延梯度还原与渣洗精炼制备钛合金的方法，具体包括以下步骤：
步骤1：物料预处理
将铝热还原反应物料分别进行预处理，具体为含TiO2的质量百分比为92％的高钛渣、V2O5粉末，分别在600℃焙烧32h；CaO在200℃焙烧16h；KClO3在160℃干燥18h；得到预处理后的铝热还原反应物料；
按配比，称量预处理后的铝热还原反应物料，其中，按质量比，高钛渣∶铝粉∶V2O5粉末∶CaO∶KClO3＝1.0∶0.26∶0.045∶0.16∶0.28；
所述的铝热还原反应物料中，各个物料的粒径分别为：高钛渣粒度≤3mm；铝粉粒度≤2mm；V2O5粉末≤0.2mm；CaO粒度≤0.2mm；KClO3粒度≤2mm；
步骤2：铝热自蔓延反应
将称量的除铝粉以外的铝热自蔓延反应原料混合均匀，得到混合物料，将混合物料分为5份；
按照每份混合物料加入反应炉的顺序，分别配铝，配铝量依次为化学计量比的1.20、1.05、1.0、0.90、0.85倍，；按照化学反应方程式得到加入铝粉的总质量为理论加入总质量mt，铝粉的实际加入总质量为ma，其中，ma＝mt×95％；
其中，第一批加入反应炉的混合物料的质量占总混合物料质量的20％，并且第一批加入反应炉的混合物料，需加入镁粉作为引燃物，点燃混合物料引发自蔓延反应，得到足以引发后续反应的第一批高温熔体；
按照配铝量的化学计量比依次降低的顺序，依次加其它份混合物料到反应炉中，直至所有物料完全反应，得到高温熔体；
步骤3：电磁场作用下的熔分
采用电磁感应对高温熔体加热，进行保温熔分，实现渣金分离，得到分层熔体，上层为氧化铝基熔渣，下层合金熔体；其中，熔分过程中，控制温度为1800℃，保温时间15min；
步骤4：渣洗精炼
(1)将上层的氧化铝基熔渣总体积的90％移除，对剩余的体积的氧化铝基熔渣和下层的合金熔体进行偏心机械搅拌，偏心距为0.3，搅拌转速50rpm；控制温度为1800℃；
(2)当熔体混合均匀后，持续搅拌，并从中频感应炉底部以高纯惰性气体为载气，向混合均匀的熔体喷吹CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精炼渣，进行渣洗精炼；其中，按质量比，铝热自蔓延反应原料∶CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精炼渣＝1.0∶0.02；
所述的CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精炼渣，含有的化学成分及其质量百分比分别为CaF2∶5％，CaO∶60％，Na2O∶0％，TiO2∶30％，V2O5∶5％；其中，CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精炼渣中含有的各个组分：CaO、CaF2、Na2O、TiO2、V2O5粉末粒度粒度均≤0.2mm；所述的CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精练渣使用前，进行预处理：焙烧温度为150℃焙烧10h。
(3)喷吹CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精炼渣后，在1800℃保温并持续偏心机械搅拌10min，停止偏心搅拌，得到钛合金熔体；
步骤5：冷却
将钛合金熔体冷却至室温后，除去上部的熔炼渣，得到钛合金。
本发明制备的钛合金含有的化学成分及其质量分数为：Al为6.2％，V为3.50％，Si为0.2％，Fe为0.2％，O为0.32％，余量为Ti。
实施例2
一种基于铝热自蔓延梯度还原与渣洗精炼制备钛合金的方法，具体包括以下步骤：
步骤1：物料预处理
将铝热还原反应物料分别进行预处理，具体为含TiO2的质量百分比为99.5％的二氧化钛、V2O5粉末，分别在650℃焙烧36h；CaO在200℃焙烧8h；KClO3在160℃干燥18h；得到预处理后的铝热还原反应物料；
按配比，称量预处理后的铝热还原反应物料，其中，按质量比，二氧化钛∶铝粉∶V2O5粉末∶CaO∶KClO3＝1.0∶0.26∶0.045∶0.16∶0.28；
所述的铝热还原反应物料中，各个物料的粒径分别为：二氧化钛粒度≤0.02mm；铝粉粒度≤2mm；V2O5粉末≤0.2mm；CaO粒度≤0.2mm；KClO3粒度≤2mm；
步骤2：铝热自蔓延反应
将称量的除铝粉以外的铝热自蔓延反应原料混合均匀，得到混合物料，将混合物料分为6份；
按照每份混合物料加入反应炉的顺序，分别配铝，配铝量依次为化学计量比的1.20、1.1、0.95、0.90、0.85、0.80倍，；按照化学反应方程式得到加入铝粉的总质量为理论加入总质量mt，铝粉的实际加入总质量为ma，其中，ma＝mt×98％；
其中，第一批加入反应炉的混合物料的质量占总混合物料质量的28.6％，并且第一批加入反应炉的混合物料，需加入镁粉作为引燃物，点燃混合物料引发自蔓延反应，得到足以引发后续反应的第一批高温熔体；
按照配铝量的化学计量比依次降低的顺序，依次加其它份混合物料到反应炉中，直至所有物料完全反应，得到高温熔体；
步骤3：电磁场作用下的熔分
采用电磁感应对高温熔体加热，进行保温熔分，实现渣金分离，得到分层熔体，上层为氧化铝基熔渣，下层合金熔体；其中，熔分过程中，控制温度为1750℃，保温时间20min；
步骤4：渣洗精炼
(1)将上层的氧化铝基熔渣总体积的95％移除，对剩余的体积的氧化铝基熔渣和下层的合金熔体进行偏心机械搅拌，偏心距为0.2，搅拌转速100rpm；控制温度为1750℃；
(2)当熔体混合均匀后，持续搅拌，并从中频感应炉底部以高纯惰性气体为载气，向混合均匀的熔体喷吹CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精炼渣，进行渣洗精炼；其中，按质量比，铝热自蔓延反应原料∶CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精炼渣＝1.0∶0.04；
所述的CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精炼渣，含有的化学成分及其质量百分比分别为CaF2∶10％，CaO∶50％，Na2O∶0％，TiO2∶30％，V2O5∶10％；其中，CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精炼渣中含有的各个组分：CaO、CaF2、Na2O、TiO2、V2O5粉末粒度粒度均≤0.2mm；所述的CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精练渣使用前，进行预处理：焙烧温度为150℃焙烧20h。
(3)喷吹CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精炼渣后，在1750℃保温并持续偏心机械搅拌30min，停止偏心搅拌，得到钛合金熔体；
步骤5：冷却
将钛合金熔体冷却至室温后，除去上部的熔炼渣，得到钛合金。
本发明制备的钛合金含有的化学成分及其质量分数为：Al为6.0％，V为3.80％，Si为0.3％，Fe为0.6％，O为0.24％，余量为Ti。
实施例3
一种基于铝热自蔓延梯度还原与渣洗精炼制备钛合金的方法，具体包括以下步骤：
步骤1：物料预处理
将铝热还原反应物料分别进行预处理，具体为含TiO2的质量百分比为92％的金红石、V2O5粉末，分别在600℃焙烧24h；CaO在300℃焙烧12h；KClO3在200℃干燥18h；得到预处理后的铝热还原反应物料；
按配比，称量预处理后的铝热还原反应物料，其中，按质量比，金红石∶铝粉∶V2O5粉末∶CaO∶KClO3＝1.0∶0.26∶0.045∶0.16∶0.28；
所述的铝热还原反应物料中，各个物料的粒径分别为：金红石粒度≤3mm；铝粉粒度≤2mm；V2O5粉末≤0.2mm；CaO粒度≤0.2mm；KClO3粒度≤2mm；
步骤2：铝热自蔓延反应
将称量的除铝粉以外的铝热自蔓延反应原料混合均匀，得到混合物料，将混合物料分为8份；
按照每份混合物料加入反应炉的顺序，分别配铝，配铝量依次为化学计量比的1.20、1.1、1.0、0.95、0.925、0.90、0.875、0.85倍，；按照化学反应方程式得到加入铝粉的总质量为理论加入总质量mt，铝粉的实际加入总质量为ma，其中，ma＝mt×99％；
其中，第一批加入反应炉的混合物料的质量占总混合物料质量的22.2％，并且第一批加入反应炉的混合物料，需加入镁粉作为引燃物，点燃混合物料引发自蔓延反应，得到足以引发后续反应的第一批高温熔体；
按照配铝量的化学计量比依次降低的顺序，依次加其它份混合物料到反应炉中，直至所有物料完全反应，得到高温熔体；
步骤3：电磁场作用下的熔分
采用电磁感应对高温熔体加热，进行保温熔分，实现渣金分离，得到分层熔体，上层为氧化铝基熔渣，下层合金熔体；其中，熔分过程中，控制温度为1700℃，保温时间25min；
步骤4：渣洗精炼
(1)将上层的氧化铝基熔渣总体积的95％移除，对剩余的体积的氧化铝基熔渣和下层的合金熔体进行偏心机械搅拌，偏心距为0.2，搅拌转速100rpm；控制温度为1700℃；
(2)当熔体混合均匀后，持续搅拌，并从中频感应炉底部以高纯惰性气体为载气，向混合均匀的熔体喷吹CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精炼渣，进行渣洗精炼；其中，按质量比，铝热自蔓延反应原料∶CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精炼渣＝1.0∶0.06；
所述的CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精炼渣，含有的化学成分及其质量百分比分别为CaF2∶5％，CaO∶40％，Na2O∶0％，TiO2∶40％，V2O5∶15％；其中，CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精炼渣中含有的各个组分：CaO、CaF2、Na2O、TiO2、V2O5粉末粒度粒度均≤0.2mm；所述的CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精练渣使用前，进行预处理：焙烧温度为180℃焙烧20h。
(3)喷吹CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精炼渣后，在1700℃保温并持续偏心机械搅拌30min，停止偏心搅拌，得到钛合金熔体；
步骤5：冷却
将钛合金熔体冷却至室温后，除去上部的熔炼渣，得到钛合金。
本发明制备的钛合金含有的化学成分及其质量分数为：Al为5.8％，V为4.40％，Si为0.4％，Fe为0.8％，O为0.2％，余量为Ti。
实施例4
一种基于铝热自蔓延梯度还原与渣洗精炼制备钛合金的方法，具体包括以下步骤：
步骤1：物料预处理
将铝热还原反应物料分别进行预处理，具体为含TiO2的质量百分比为93％的高钛渣、V2O5粉末，分别在700℃焙烧12h；CaO在300℃焙烧36h；KClO3在250℃干燥8h；得到预处理后的铝热还原反应物料；
按配比，称量预处理后的铝热还原反应物料，其中，按质量比，高钛渣∶铝粉∶V2O5粉末∶CaO∶KClO3＝1.0∶0.26∶0.045∶0.16∶0.28；
所述的铝热还原反应物料中，各个物料的粒径分别为：高钛渣粒度≤3mm；铝粉粒度≤2mm；V2O5粉末≤0.2mm；CaO粒度≤0.2mm；KClO3粒度≤2mm；
步骤2：铝热自蔓延反应
将除铝粉以外的铝热自蔓延反应原料混合均匀，得到混合物料，将混合物料以均匀流速加料到连续混料机中；
同时，将铝粉以梯度递减的流速加入连续混料机，使连续加入的混合物料的配铝量由化学计量比的1.28倍逐渐降低至化学计量比的0.7倍，其中，配铝量梯度变化次数满足关系式：
m＝(b-c)÷a (1)
式中，m为配铝量梯度变化的次数，b为最高的配铝量，c为最低的配铝量，a为配铝量梯度变化系数，a＝0.01；经计算m为58次，铝粉流量梯度变化的时间间隔为总反应时间除以m。
按照化学反应方程式得到加入铝粉的总质量为理论加入总质量mt，铝粉的实际加入总质量为ma，其中，理论加入总质量mt和实际加入总质量为ma满足以下关系：ma＝mt×98％；
铝热自蔓延反应原料在连续混料机混匀后连续加入到反应炉中进行铝热还原反应，直至所有物料完全反应后得到高温熔体；
步骤3：电磁场作用下的熔分
采用电磁感应对高温熔体加热，进行保温熔分，实现渣金分离，得到分层熔体，上层为氧化铝基熔渣，下层合金熔体；其中，熔分过程中，控制温度为1800℃，保温时间15min；
步骤4：渣洗精炼
(1)将上层的氧化铝基熔渣总体积的85％移除，对剩余的体积的氧化铝基熔渣和下层的合金熔体进行偏心机械搅拌，偏心距为0.4，搅拌转速50rpm；控制温度为1800℃；
(2)当熔体混合均匀后，持续搅拌，并从中频感应炉底部以高纯惰性气体为载气，向混合均匀的熔体喷吹CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精炼渣，进行渣洗精炼；其中，按质量比，铝热自蔓延反应原料∶CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精炼渣＝1.0∶0.05；
所述的CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精炼渣，含有的化学成分及其质量百分比分别为CaF2∶10％，CaO∶50％，Na2O∶0％，TiO2∶35％，V2O5∶5％；其中，CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精炼渣中含有的各个组分：CaO、CaF2、Na2O、TiO2、V2O5粉末粒度粒度均≤0.2mm；所述的CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精练渣使用前，进行预处理：焙烧温度为150℃焙烧10h。
(3)喷吹CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精炼渣后，在1800℃保温并持续偏心机械搅拌20min，停止偏心搅拌，得到钛合金熔体；
步骤5：冷却
将钛合金熔体冷却至室温后，除去上部的熔炼渣，得到钛合金。
本发明制备的钛合金含有的化学成分及其质量分数为：Al为6.1％，V为3.60％，Si为0.6％，Fe为0.7％，O为0.31％，余量为Ti。
实施例5
一种基于铝热自蔓延梯度还原与渣洗精炼制备钛合金的方法，具体包括以下步骤：
步骤1：物料预处理
将铝热还原反应物料分别进行预处理，具体为含TiO2的质量百分比为92.5％的高钛渣和含TiO2的质量百分比为99.6％的二氧化钛、V2O5粉末，分别在650℃焙烧20h；CaO在200℃焙烧12h；KClO3在150℃干燥18h；其中，高钛渣和二氧化钛混合质量比为1:1，得到预处理后的铝热还原反应物料；
按配比，称量预处理后的铝热还原反应物料，其中，按质量比，高钛渣和二氧化钛∶铝粉∶V2O5粉末∶CaO∶KClO3＝1.0∶0.26∶0.045∶0.16∶0.28；
所述的铝热还原反应物料中，各个物料的粒径分别为：高钛渣的粒度≤3mm，二氧化钛粒度≤0.02mm；铝粉粒度≤2mm；V2O5粉末≤0.2mm；CaO粒度≤0.2mm；KClO3粒度≤2mm；
步骤2：铝热自蔓延反应
将除铝粉以外的铝热自蔓延反应原料混合均匀，得到混合物料，将混合物料以均匀流速加料到连续混料机中；
同时，将铝粉以梯度递减的流速加入连续混料机，使连续加入的混合物料的配铝量由化学计量比的1.20倍逐渐降低至化学计量比的0.75倍，其中，配铝量梯度变化次数满足关系式：
m＝(b-c)÷a (1)
式中，m为配铝量梯度变化的次数，b为最高的配铝量，c为最低的配铝量，a为配铝量梯度变化系数，a＝0.003；经计算m为150次。
按照化学反应方程式得到加入铝粉的总质量为理论加入总质量mt，铝粉的实际加入总质量为ma，其中，理论加入总质量mt和实际加入总质量为ma满足以下关系：ma＝mt×96％；
铝热自蔓延反应原料在连续混料机混匀后连续加入到反应炉中进行铝热还原反应，直至所有物料完全反应后得到高温熔体；
步骤3：电磁场作用下的熔分
采用电磁感应对高温熔体加热，进行保温熔分，实现渣金分离，得到分层熔体，上层为氧化铝基熔渣，下层合金熔体；其中，熔分过程中，控制温度为1700℃，保温时间15min；
步骤4：渣洗精炼
(1)将上层的氧化铝基熔渣总体积的90％移除，对剩余的体积的氧化铝基熔渣和下层的合金熔体进行偏心机械搅拌，偏心距为0.4，搅拌转速150rpm；控制温度为1700℃；
(2)当熔体混合均匀后，持续搅拌，并从中频感应炉底部以高纯惰性气体为载气，向混合均匀的熔体喷吹CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精炼渣，进行渣洗精炼；其中，按质量比，铝热自蔓延反应原料∶CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精炼渣＝1.0∶0.05；
所述的CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精炼渣，含有的化学成分及其质量百分比分别为CaF2∶5％，CaO∶50％，Na2O∶0％，TiO2∶30％，V2O5∶10％；其中，CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精炼渣中含有的各个组分：CaO、CaF2、Na2O、TiO2、V2O5粉末粒度粒度均≤0.2mm；所述的CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精练渣使用前，进行预处理：焙烧温度为450℃焙烧12h。
(3)喷吹CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精炼渣后，在1700℃保温并持续偏心机械搅拌10min，停止偏心搅拌，得到钛合金熔体；
步骤5：冷却
将钛合金熔体冷却至室温后，除去上部的熔炼渣，得到钛合金。
本发明制备的钛合金含有的化学成分及其质量分数为：Al为5.8％，V为4.10％，Si为0.3％，Fe为0.6％，O为0.22％，余量为Ti。
实施例6
一种基于铝热自蔓延梯度还原与渣洗精炼制备钛合金的方法，具体包括以下步骤：
步骤1：物料预处理
将铝热还原反应物料分别进行预处理，具体为含TiO2的质量百分比为93％的高钛渣、含TiO2的质量百分比为99.5％的二氧化钛和含TiO2的质量百分比为94％的金红石、V2O5粉末，分别在650℃焙烧36h；CaO在300℃焙烧16h；KClO3在180℃干燥24h；其中，高钛渣和二氧化钛和金红石，三者的混合质量比为1:1:1，得到预处理后的铝热还原反应物料；
按配比，称量预处理后的铝热还原反应物料，其中，按质量比，高钛渣和二氧化钛和金红石∶铝粉∶V2O5粉末∶CaO∶KClO3＝1.0∶0.26∶0.045∶0.16∶0.28；
所述的铝热还原反应物料中，各个物料的粒径分别为：高钛渣粒度≤3mm，金红石粒度≤3mm，二氧化钛粒度≤0.02mm；铝粉粒度≤2mm；V2O5粉末≤0.2mm；CaO粒度≤0.2mm；KClO3粒度≤2mm；
步骤2：铝热自蔓延反应
将除铝粉以外的铝热自蔓延反应原料混合均匀，得到混合物料，将混合物料以均匀流速加料到连续混料机中；
同时，将铝粉以梯度递减的流速加入连续混料机，使连续加入的混合物料的配铝量由化学计量比的1.2倍逐渐降低至化学计量比的0.75倍，其中，配铝量梯度变化次数满足关系式：
m＝(b-c)÷a (1)
式中，m为配铝量梯度变化的次数，b为最高的配铝量，c为最低的配铝量，a为配铝量梯度变化系数，a＝0.001；经计算m为450次。
按照化学反应方程式得到加入铝粉的总质量为理论加入总质量mt，铝粉的实际加入总质量为ma，其中，理论加入总质量mt和实际加入总质量为ma满足以下关系：ma＝mt×95％；
铝热自蔓延反应原料在连续混料机混匀后连续加入到反应炉中进行铝热还原反应，直至所有物料完全反应后得到高温熔体；
步骤3：电磁场作用下的熔分
采用电磁感应对高温熔体加热，进行保温熔分，实现渣金分离，得到分层熔体，上层为氧化铝基熔渣，下层合金熔体；其中，熔分过程中，控制温度为1750℃，保温时间20min；
步骤4：渣洗精炼
(1)将上层的氧化铝基熔渣总体积的90％移除，对剩余的体积的氧化铝基熔渣和下层的合金熔体进行偏心机械搅拌，偏心距为0.4，搅拌转速50rpm；控制温度为1750℃；
(2)当熔体混合均匀后，持续搅拌，并从中频感应炉底部以高纯惰性气体为载气，向混合均匀的熔体喷吹CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精炼渣，进行渣洗精炼；其中，按质量比，铝热自蔓延反应原料∶CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精炼渣＝1.0∶0.06；
所述的CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精炼渣，含有的化学成分及其质量百分比分别为CaF2∶10％，CaO∶40％，Na2O∶0％，TiO2∶35％，V2O5∶15％；其中，CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精炼渣中含有的各个组分：CaO、CaF2、Na2O、TiO2、V2O5粉末粒度粒度均≤0.2mm；所述的CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精练渣使用前，进行预处理：焙烧温度为200℃焙烧12h。
(3)喷吹CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精炼渣后，在1750℃保温并持续偏心机械搅拌30min，停止偏心搅拌，得到钛合金熔体；
步骤5：冷却
将钛合金熔体冷却至室温后，除去上部的熔炼渣，得到钛合金。
本发明制备的钛合金含有的化学成分及其质量分数为：Al为5.6％，V为4.40％，Si为0.6％，Fe为0.8％，O为0.18％，余量为Ti。
实施例7
一种基于铝热自蔓延梯度还原与渣洗精炼制备钛合金的方法，具体包括以下步骤：
步骤1：物料预处理
将铝热还原反应物料分别进行预处理，具体为含TiO2的质量百分比为92％的金红石、V2O5粉末，分别在600℃焙烧24h；CaO在200℃焙烧16h；KClO3在180℃干燥20h；得到预处理后的铝热还原反应物料；
按配比，称量预处理后的铝热还原反应物料，其中，按质量比，金红石∶铝粉∶V2O5粉末∶CaO∶KClO3＝1.0∶0.26∶0.045∶0.16∶0.28；
所述的铝热还原反应物料中，各个物料的粒径分别为：金红石粒度≤3mm；铝粉粒度≤2mm；V2O5粉末≤0.2mm；CaO粒度≤0.2mm；KClO3粒度≤2mm；
步骤2：铝热自蔓延反应
将称量的除铝粉以外的铝热自蔓延反应原料混合均匀，得到混合物料，将混合物料分为5份；
按照每份混合物料加入反应炉的顺序，分别配铝，配铝量依次为化学计量比的1.20、1.05、1.0、0.90、0.85倍，；按照化学反应方程式得到加入铝粉的总质量为理论加入总质量mt，铝粉的实际加入总质量为ma，其中，ma＝mt×98％；
其中，第一批加入反应炉的混合物料的质量占总混合物料质量的20％，并且第一批加入反应炉的混合物料，需加入镁粉作为引燃物，点燃混合物料引发自蔓延反应，得到足以引发后续反应的第一批高温熔体；
按照配铝量的化学计量比依次降低的顺序，依次加其它份混合物料到反应炉中，直至所有物料完全反应，得到高温熔体；
步骤3：电磁场作用下的熔分
采用电磁感应对高温熔体加热，进行保温熔分，实现渣金分离，得到分层熔体，上层为氧化铝基熔渣，下层合金熔体；其中，熔分过程中，控制温度为1700℃，保温时间15min；
步骤4：渣洗精炼
(1)将上层的氧化铝基熔渣总体积的90％移除，对剩余的体积的氧化铝基熔渣和下层的合金熔体进行偏心机械搅拌，偏心距为0.3，搅拌转速100rpm；控制温度为1700℃；
(2)当熔体混合均匀后，持续搅拌，并从中频感应炉底部以高纯惰性气体为载气，向混合均匀的熔体喷吹CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精炼渣，进行渣洗精炼；其中，按质量比，铝热自蔓延反应原料∶CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精炼渣＝1.0∶0.04；
所述的CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精炼渣，含有的化学成分及其质量百分比分别为CaF2∶5％，CaO∶50％，Na2O∶0％，TiO2∶40％，V2O5∶5％；其中，CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精炼渣中含有的各个组分：CaO、CaF2、Na2O、TiO2、V2O5粉末粒度粒度均≤0.2mm；所述的CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精练渣使用前，进行预处理：焙烧温度为150℃焙烧10h。
(3)喷吹CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精炼渣后，在1700℃保温并持续偏心机械搅拌10min，停止偏心搅拌，得到钛合金熔体；
步骤5：冷却
将钛合金熔体冷却至室温后，除去上部的熔炼渣，得到钛合金。
本发明制备的钛合金含有的化学成分及其质量分数为：Al为6.3％，V为3.70％，Si为0.4％，Fe为0.6％，O为0.35％，余量为Ti。
实施例8
一种基于铝热自蔓延梯度还原与渣洗精炼制备钛合金的方法，具体包括以下步骤：
步骤1：物料预处理
将铝热还原反应物料分别进行预处理，具体为含TiO2的质量百分比为99.7％的二氧化钛和含TiO2的质量百分比为93％的金红石、V2O5粉末，分别在700℃焙烧16h；CaO在250℃焙烧16h；KClO3在180℃干燥36h，其中，二氧化钛和金红石的混合质量比例为1:1，得到预处理后的铝热还原反应物料；
按配比，称量预处理后的铝热还原反应物料，其中，按质量比，二氧化钛和金红石∶铝粉∶V2O5粉末∶CaO∶KClO3＝1.0∶0.26∶0.045∶0.16∶0.28；
所述的铝热还原反应物料中，各个物料的粒径分别为：二氧化钛粒度≤0.02mm，金红石粒度≤3mm；铝粉粒度≤2mm；V2O5粉末≤0.2mm；CaO粒度≤0.2mm；KClO3粒度≤2mm；
步骤2：铝热自蔓延反应
将称量的除铝粉以外的铝热自蔓延反应原料混合均匀，得到混合物料，将混合物料分为6份；
按照每份混合物料加入反应炉的顺序，分别配铝，配铝量依次为化学计量比的1.20、1.1、0.95、0.90、0.85、0.80倍，；按照化学反应方程式得到加入铝粉的总质量为理论加入总质量mt，铝粉的实际加入总质量为ma，其中，ma＝mt×98％；
其中，第一批加入反应炉的混合物料的质量占总混合物料质量的28.6％，并且第一批加入反应炉的混合物料，需加入镁粉作为引燃物，点燃混合物料引发自蔓延反应，得到足以引发后续反应的第一批高温熔体；
按照配铝量的化学计量比依次降低的顺序，依次加其它份混合物料到反应炉中，直至所有物料完全反应，得到高温熔体；
步骤3：电磁场作用下的熔分
采用电磁感应对高温熔体加热，进行保温熔分，实现渣金分离，得到分层熔体，上层为氧化铝基熔渣，下层合金熔体；其中，熔分过程中，控制温度为1800℃，保温时间15min；
步骤4：渣洗精炼
(1)将上层的氧化铝基熔渣总体积的95％移除，对剩余的体积的氧化铝基熔渣和下层的合金熔体进行偏心机械搅拌，偏心距为0.4，搅拌转速50rpm；控制温度为1800℃；
(2)当熔体混合均匀后，持续搅拌，并从中频感应炉底部以高纯惰性气体为载气，向混合均匀的熔体喷吹CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精炼渣，进行渣洗精炼；其中，按质量比，铝热自蔓延反应原料∶CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精炼渣＝1.0∶0.06；
所述的CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精炼渣，含有的化学成分及其质量百分比分别为CaF2∶10％，CaO∶40％，Na2O∶0％，TiO2∶40％，V2O5∶10％；其中，CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精炼渣中含有的各个组分：CaO、CaF2、Na2O、TiO2、V2O5粉末粒度粒度均≤0.2mm；所述的CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精练渣使用前，进行预处理：焙烧温度为150℃焙烧48h。
(3)喷吹CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精炼渣后，在1800℃保温并持续偏心机械搅拌20min，停止偏心搅拌，得到钛合金熔体；
步骤5：冷却
将钛合金熔体冷却至室温后，除去上部的熔炼渣，得到钛合金。
本发明制备的钛合金含有的化学成分及其质量分数为：Al为5.7％，V为4.20％，Si为0.7％，Fe为0.9％，O为0.18％，余量为Ti。
实施例9
一种基于铝热自蔓延梯度还原与渣洗精炼制备钛合金的方法，具体包括以下步骤：
步骤1：物料预处理
将铝热还原反应物料分别进行预处理，具体为含TiO2的质量百分比为92％的金红石、V2O5粉末，分别在650℃焙烧16h；CaO在200℃焙烧16h；KClO3在180℃干燥24h；得到预处理后的铝热还原反应物料；
按配比，称量预处理后的铝热还原反应物料，其中，按质量比，金红石∶铝粉∶V2O5粉末∶CaO∶KClO3＝1.0∶0.26∶0.045∶0.16∶0.28；
所述的铝热还原反应物料中，各个物料的粒径分别为：金红石粒度≤3mm；铝粉粒度≤2mm；V2O5粉末≤0.2mm；CaO粒度≤0.2mm；KClO3粒度≤2mm；
步骤2：铝热自蔓延反应
将称量的除铝粉以外的铝热自蔓延反应原料混合均匀，得到混合物料，将混合物料分为8份；
按照每份混合物料加入反应炉的顺序，分别配铝，配铝量依次为化学计量比的1.20、1.1、1.0、0.95、0.925、0.90、0.875、0.85倍，；按照化学反应方程式得到加入铝粉的总质量为理论加入总质量mt，铝粉的实际加入总质量为ma，其中，ma＝mt×98％；
其中，第一批加入反应炉的混合物料的质量占总混合物料质量的22.2％，并且第一批加入反应炉的混合物料，需加入镁粉作为引燃物，点燃混合物料引发自蔓延反应，得到足以引发后续反应的第一批高温熔体；
按照配铝量的化学计量比依次降低的顺序，依次加其它份混合物料到反应炉中，直至所有物料完全反应，得到高温熔体；
步骤3：电磁场作用下的熔分
采用电磁感应对高温熔体加热，进行保温熔分，实现渣金分离，得到分层熔体，上层为氧化铝基熔渣，下层合金熔体；其中，熔分过程中，控制温度为1750℃，保温时间15min；
步骤4：渣洗精炼
(1)将上层的氧化铝基熔渣总体积的95％移除，对剩余的体积的氧化铝基熔渣和下层的合金熔体进行偏心机械搅拌，偏心距为0.2，搅拌转速150rpm；控制温度为1750℃；
(2)当熔体混合均匀后，持续搅拌，并从中频感应炉底部以高纯惰性气体为载气，向混合均匀的熔体喷吹CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精炼渣，进行渣洗精炼；其中，按质量比，铝热自蔓延反应原料∶CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精炼渣＝1.0∶0.05；
所述的CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精炼渣，含有的化学成分及其质量百分比分别为CaF2∶5％，CaO∶50％，Na2O∶0％，TiO2∶30％，V2O5∶15％；其中，CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精炼渣中含有的各个组分：CaO、CaF2、Na2O、TiO2、V2O5粉末粒度粒度均≤0.2mm；所述的CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精练渣使用前，进行预处理：焙烧温度为180℃焙烧20h。
(3)喷吹CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精炼渣后，在1750℃保温并持续偏心机械搅拌15min，停止偏心搅拌，得到钛合金熔体；
步骤5：冷却
将钛合金熔体冷却至室温后，除去上部的熔炼渣，得到钛合金。
本发明制备的钛合金含有的化学成分及其质量分数为：Al为5.5％，V为4.30％，Si为0.2％，Fe为0.6％，O为0.16％，余量为Ti。
实施例10
一种基于铝热自蔓延梯度还原与渣洗精炼制备钛合金的方法，具体包括以下步骤：
步骤1：物料预处理
将铝热还原反应物料分别进行预处理，具体为含TiO2的质量百分比为93％的金红石、V2O5粉末，分别在500℃焙烧24h；CaO在250℃焙烧12h；KClO3在150℃干燥18h；得到预处理后的铝热还原反应物料；
按配比，称量预处理后的铝热还原反应物料，其中，按质量比，金红石∶铝粉∶V2O5粉末∶CaO∶KClO3＝1.0∶0.26∶0.045∶0.16∶0.28；
所述的铝热还原反应物料中，各个物料的粒径分别为：金红石粒度≤3mm；铝粉粒度≤2mm；V2O5粉末≤0.2mm；CaO粒度≤0.2mm；KClO3粒度≤2mm；
步骤2：铝热自蔓延反应
将除铝粉以外的铝热自蔓延反应原料混合均匀，得到混合物料，将混合物料以均匀流速加料到连续混料机中；
同时，将铝粉以梯度递减的流速加入连续混料机，使连续加入的混合物料配铝量由化学计量比的1.28倍逐渐降低至化学计量比的0.78倍，其中，配铝量梯度变化次数满足关系式：
m＝(b-c)÷a (1)
式中，m为配铝量梯度变化的次数，b为最高的配铝量，c为最低的配铝量，a为配铝量梯度变化系数，a＝0.004；经计算m为128次，铝粉流量梯度变化的时间间隔为总反应时间除以m。
按照化学反应方程式得到加入铝粉的总质量为理论加入总质量mt，铝粉的实际加入总质量为ma，其中，理论加入总质量mt和实际加入总质量为ma满足以下关系：ma＝mt×98％；
铝热自蔓延反应原料在连续混料机混匀后连续加入到反应炉中进行铝热还原反应，直至所有物料完全反应后得到高温熔体；
步骤3：电磁场作用下的熔分
采用电磁感应对高温熔体加热，进行保温熔分，实现渣金分离，得到分层熔体，上层为氧化铝基熔渣，下层合金熔体；其中，熔分过程中，控制温度为1700℃，保温时间20min；
步骤4：渣洗精炼
(1)将上层的氧化铝基熔渣总体积的85％移除，对剩余的体积的氧化铝基熔渣和下层的合金熔体进行偏心机械搅拌，偏心距为0.4，搅拌转速100rpm；控制温度为1700℃；
(2)当熔体混合均匀后，持续搅拌，并从中频感应炉底部以高纯惰性气体为载气，向混合均匀的熔体喷吹CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精炼渣，进行渣洗精炼；其中，按质量比，铝热自蔓延反应原料∶CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精炼渣＝1.0∶0.04；
所述的CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精炼渣，含有的化学成分及其质量百分比分别为CaF2∶5％，CaO∶49％，Na2O∶1％，TiO2∶40％，V2O5∶5％；其中，CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精炼渣中含有的各个组分：CaO、CaF2、Na2O、TiO2、V2O5粉末粒度粒度均≤0.2mm；所述的CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精练渣使用前，进行预处理：焙烧温度为150℃焙烧10h。
(3)喷吹CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精炼渣后，在1700℃保温并持续偏心机械搅拌10min，停止偏心搅拌，得到钛合金熔体；
步骤5：冷却
将钛合金熔体冷却至室温后，除去上部的熔炼渣，得到钛合金。
本发明制备的钛合金含有的化学成分及其质量分数为：Al为5.8％，V为4.50％，Si为0.4％，Fe为0.7％，O为0.22％，余量为Ti。
实施例11
一种基于铝热自蔓延梯度还原与渣洗精炼制备钛合金的方法，具体包括以下步骤：
步骤1：物料预处理
将铝热还原反应物料分别进行预处理，具体为含TiO2的质量百分比为93％的高钛渣和含TiO2的质量百分比为99.8％的二氧化钛、V2O5粉末，分别在在550℃焙烧36h；CaO在250℃焙烧12h；KClO3在150℃干燥24h；其中，高钛渣和二氧化钛混合质量比为1:1，得到预处理后的铝热还原反应物料；
按配比，称量预处理后的铝热还原反应物料，其中，按质量比，高钛渣和二氧化钛∶铝粉∶V2O5粉末∶CaO∶KClO3＝1.0∶0.26∶0.045∶0.16∶0.28；
所述的铝热还原反应物料中，各个物料的粒径分别为：高钛渣粒度≤3mm，二氧化钛粒度≤0.02mm，铝粉粒度≤2mm；V2O5粉末≤0.2mm；CaO粒度≤0.2mm；KClO3粒度≤2mm；
步骤2：铝热自蔓延反应
将除铝粉以外的铝热自蔓延反应原料混合均匀，得到混合物料，将混合物料以均匀流速加料到连续混料机中；
同时，将铝粉以梯度递减的流速加入连续混料机，使连续加入的混合物料的配铝量由化学计量比的1.27倍逐渐降低至化学计量比的0.7倍，其中，配铝量梯度变化次数满足关系式：
m＝(b-c)÷a (1)
式中，m为配铝量梯度变化的次数，b为最高的配铝量，c为最低的配铝量，a为配铝量梯度变化系数，a＝0.002；经计算m为285次。
按照化学反应方程式得到加入铝粉的总质量为理论加入总质量mt，铝粉的实际加入总质量为ma，其中，理论加入总质量mt和实际加入总质量为ma满足以下关系：ma＝mt×97％；
铝热自蔓延反应原料在连续混料机混匀后连续加入到反应炉中进行铝热还原反应，直至所有物料完全反应后得到高温熔体；
步骤3：电磁场作用下的熔分
采用电磁感应对高温熔体加热，进行保温熔分，实现渣金分离，得到分层熔体，上层为氧化铝基熔渣，下层合金熔体；其中，熔分过程中，控制温度为1750℃，保温时间15min；
步骤4：渣洗精炼
(1)将上层的氧化铝基熔渣总体积的90％移除，对剩余的体积的氧化铝基熔渣和下层的合金熔体进行偏心机械搅拌，偏心距为0.4，搅拌转速150rpm；控制温度为1750℃；
(2)当熔体混合均匀后，持续搅拌，并从中频感应炉底部以高纯惰性气体为载气，向混合均匀的熔体喷吹CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精炼渣，进行渣洗精炼；其中，按质量比，铝热自蔓延反应原料∶CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精炼渣＝1.0∶0.06；
所述的CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精炼渣，含有的化学成分及其质量百分比分别为CaF2∶10％，CaO∶43％，Na2O∶2％，TiO2∶35％，V2O5∶10％；其中，CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精炼渣中含有的各个组分：CaO、CaF2、Na2O、TiO2、V2O5粉末粒度粒度均≤0.2mm；所述的CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精练渣使用前，进行预处理：焙烧温度为200℃焙烧12h。
(3)喷吹CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精炼渣后，在1750℃保温并持续偏心机械搅拌10min，停止偏心搅拌，得到钛合金熔体；
步骤5：冷却
将钛合金熔体冷却至室温后，除去上部的熔炼渣，得到钛合金。
本发明制备的钛合金含有的化学成分及其质量分数为：Al为5.6％，V为4.0％，Si为0.7％，Fe为0.9％，O为0.13％，余量为Ti。
实施例12
一种基于铝热自蔓延梯度还原与渣洗精炼制备钛合金的方法，具体包括以下步骤：
步骤1：物料预处理
将铝热还原反应物料分别进行预处理，具体为含TiO2的质量百分比为92％的高钛渣、V2O5粉末，分别在700℃焙烧24h；CaO在250℃焙烧12h；KClO3在250℃干燥24h；得到预处理后的铝热还原反应物料；
按配比，称量预处理后的铝热还原反应物料，其中，按质量比，高钛渣∶铝粉∶V2O5粉末∶CaO∶KClO3＝1.0∶0.26∶0.045∶0.16∶0.28；
所述的铝热还原反应物料中，各个物料的粒径分别为：高钛渣粒度≤3mm；铝粉粒度≤2mm；V2O5粉末≤0.2mm；CaO粒度≤0.2mm；KClO3粒度≤2mm；
步骤2：铝热自蔓延反应
将除铝粉以外的铝热自蔓延反应原料混合均匀，得到混合物料，将混合物料以均匀流速加料到连续混料机中；
同时，将铝粉以梯度递减的流速加入连续混料机，使连续加入的混合物料配铝量由化学计量比的1.23倍逐渐降低至化学计量比的0.72倍，其中，配铝量梯度变化次数满足关系式：
m＝(b-c)÷a (1)
式中，m为配铝量梯度变化的次数，b为最高的配铝量，c为最低的配铝量，a为配铝量梯度变化系数，a＝0.001；经计算m为450次。
按照化学反应方程式得到加入铝粉的总质量为理论加入总质量mt，铝粉的实际加入总质量为ma，其中，理论加入总质量mt和实际加入总质量为ma满足以下关系：ma＝mt×95％；
铝热自蔓延反应原料在连续混料机混匀后连续加入到反应炉中进行铝热还原反应，直至所有物料完全反应后得到高温熔体；
步骤3：电磁场作用下的熔分
采用电磁感应对高温熔体加热，进行保温熔分，实现渣金分离，得到分层熔体，上层为氧化铝基熔渣，下层合金熔体；其中，熔分过程中，控制温度为1750℃，保温时间15min；
步骤4：渣洗精炼
(1)将上层的氧化铝基熔渣总体积的90％移除，对剩余的体积的氧化铝基熔渣和下层的合金熔体进行偏心机械搅拌，偏心距为0.4，搅拌转速50rpm；控制温度为1750℃；
(2)当熔体混合均匀后，持续搅拌，并从中频感应炉底部以高纯惰性气体为载气，向混合均匀的熔体喷吹CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精炼渣，进行渣洗精炼；其中，按质量比，铝热自蔓延反应原料∶CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精炼渣＝1.0∶0.07；
所述的CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精炼渣，含有的化学成分及其质量百分比分别为CaF2∶5％，CaO∶49％，Na2O∶1％，TiO2∶30％，V2O5∶15％；其中，CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精炼渣中含有的各个组分：CaO、CaF2、Na2O、TiO2、V2O5粉末粒度粒度均≤0.2mm；所述的CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精练渣使用前，进行预处理：焙烧温度为200℃焙烧24h。
(3)喷吹CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精炼渣后，在1750℃保温并持续偏心机械搅拌10min，停止偏心搅拌，得到钛合金熔体；
步骤5：冷却
将钛合金熔体冷却至室温后，除去上部的熔炼渣，得到钛合金。
本发明制备的钛合金含有的化学成分及其质量分数为：Al为5.5％，V为3.60％，Si为0.4％，Fe为0.9％，O为0.10％，余量为Ti。

Claims (9)

1.一种基于铝热自蔓延梯度还原与渣洗精炼制备钛合金的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1：物料预处理
将铝热还原反应物料分别进行预处理，得到预处理后的铝热还原反应物料；
所述的铝热还原反应物料为含钛物料、铝粉、V2O5粉末、CaO和KClO3；
所述的含钛物料为金红石、高钛渣或二氧化钛中的一种或几种混合；
按配比，称量预处理后的铝热还原反应物料，其中，按质量比，含钛物料∶铝粉∶V2O5粉末∶CaO∶KClO3＝1.0∶(0.60～0.24)∶(0.042～0.048)∶(0.12～0.26)∶(0.22～0.30)；
所述的铝热还原反应物料中，各个物料的粒径分别为：金红石≤3mm，高钛渣≤3mm，或二氧化钛粒度≤0.02mm；铝粉粒度≤2mm；V2O5粉末≤0.2mm；CaO粒度≤0.2mm；KClO3粒度≤2mm；
步骤2：铝热自蔓延反应
采用以下两种加料方式之一进行梯度铝热还原：
加料方式一：
将称量的除铝粉以外的铝热自蔓延反应原料混合均匀，得到混合物料，将混合物料分为若干份；
按照每份混合物料加入反应炉的顺序，分别配铝，配铝量按照反应化学计量比的1.15～1.35倍逐渐降低至化学计量比的0.85～0.65倍；按照化学反应方程式得到加入铝粉的总质量为理论加入总质量mt，铝粉的实际加入总质量为ma，其中，ma＝mt×(95～100)％；
其中，第一批加入反应炉的混合物料的质量占总混合物料质量的10～30％，并且第一批加入反应炉的混合物料，需加入镁粉作为引燃物，点燃混合物料引发自蔓延反应，得到足以引发后续反应的第一批高温熔体；
按照配铝量的化学计量比依次降低的顺序，依次加其它份混合物料到反应炉中，直至所有物料完全反应，得到高温熔体；
加料方式二：
将除铝粉以外的铝热自蔓延反应原料混合均匀，得到混合物料，将混合物料以均匀流速加料到连续混料机中；
同时，将铝粉以梯度递减的流速加入连续混料机，使连续加入的混合物料的配铝量由化学计量比的1.15～1.35倍逐渐降低至化学计量比的0.85～0.65倍，其中，配铝量梯度变化次数满足关系式：
m＝(b-c)÷a (1)
式中，m为配铝量梯度变化的次数，b为最高的配铝量，c为最低的配铝量，a为配铝量梯度变化系数，0<a≤0.04；
按照化学反应方程式得到加入铝粉的总质量为理论加入总质量mt，铝粉的实际加入总质量为ma，其中，理论加入总质量mt和实际加入总质量为ma满足以下关系：ma＝mt×(95～100)％；
铝热自蔓延反应原料在连续混料机混匀后连续加入到反应炉中进行铝热还原反应，直至所有物料完全反应后得到高温熔体；
步骤3：电磁场作用下的熔分
采用电磁感应对高温熔体加热，进行保温熔分，实现渣金分离，得到分层熔体，上层为氧化铝基熔渣，下层合金熔体；其中，熔分过程中，控制温度为1700～1800℃，保温时间5～25min；
步骤4：渣洗精炼
(1)将上层的氧化铝基熔渣总体积的85～95％移除，对剩余的体积的氧化铝基熔渣和下层的合金熔体进行偏心机械搅拌，搅拌转速50～150rpm；控制温度为1700～1800℃；
(2)当熔体混合均匀后，持续搅拌，并以高纯惰性气体为载气，向混合均匀的熔体喷吹CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精炼渣，进行渣洗精炼；其中，按质量比，铝热自蔓延反应原料∶CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精炼渣＝1.0∶(0.02～0.08)；
所述的CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精炼渣，含有的化学成分及其质量百分比分别为CaF2∶5％～10％，CaO∶40％～60％，Na2O∶0～2％，TiO2∶30％～40％，V2O5∶5％～15％，余量为不可避免的杂质；其中，CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精炼渣中含有的各个组分：CaO、CaF2、Na2O、TiO2、V2O5粉末粒度粒度均≤0.2mm；
(3)喷吹CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精炼渣后，在1700～1800℃保温并持续偏心机械搅拌10～30min，得到钛合金熔体；
步骤5：冷却
将钛合金熔体冷却至室温后，除去上部的熔炼渣，得到钛合金。
2.如权利要求1所述的基于铝热自蔓延梯度还原与渣洗精炼制备钛合金的方法，其特征在于，制备的钛合金含有的化学成分及其质量分数为：Al为5.5％～6.5％，V为3.5％～4.5％，Si为0.2％～1.0％，Fe为0.2％～1.0％，O≤0.9％，余量为Ti。
3.如权利要求1所述的基于铝热自蔓延梯度还原与渣洗精炼制备钛合金的方法，其特征在于，所述的步骤1中，所述的将铝热还原反应物料分别进行预处理的方法如下：
(1)将含钛物料，V2O5粉末，CaO分别进行焙烧，焙烧温度≥120℃，焙烧时间12～36h；
(2)将KClO3在150～300℃干燥时间12～48h。
4.如权利要求1所述的基于铝热自蔓延梯度还原与渣洗精炼制备钛合金的方法，其特征在于，所述的步骤2中，所述若干份为n份，n≥4。
5.如权利要求1所述的基于铝热自蔓延梯度还原与渣洗精炼制备钛合金的方法，其特征在于，所述的步骤3中，所述的电磁感应的设备为中频感应炉，其电磁场的频率大于等于1000Hz。
6.如权利要求1所述的基于铝热自蔓延梯度还原与渣洗精炼制备钛合金的方法，其特征在于，所述的步骤4中，所述的偏心机械搅拌，偏心率为0.2～0.4。
7.如权利要求1所述的基于铝热自蔓延梯度还原与渣洗精炼制备钛合金的方法，其特征在于，所述的步骤4中，所述的喷吹优选为在中频感应炉底部喷吹。
8.如权利要求1所述的基于铝热自蔓延梯度还原与渣洗精炼制备钛合金的方法，其特征在于，所述的步骤4中，所述的高纯惰性气体为高纯氩气，纯度大于等于99.95％。
9.如权利要求1所述的基于铝热自蔓延梯度还原与渣洗精炼制备钛合金的方法，其特征在于，所述的步骤4(2)中，所述的CaF2-CaO-TiO2-V2O5基精练渣使用前，进行预处理：焙烧温度150～450℃焙烧10～48h。
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