CN109112333B - 一种采用碳热还原-自蔓延制备钛铁合金的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种采用碳热还原‑自蔓延制备钛铁合金的方法，该方法包括：S1、将钛铁矿加入煤粉或石墨制备成球团，之后，将球团放入1000～1200℃的惰性气氛中还原获得碳热还原钛铁矿球团，破碎研磨后，获得碳热还原钛铁矿粉备用：S2、将步骤S1获得的碳热还原钛铁矿粉与金属铝、氯酸钠、二氧化钛、氧化钙和氟化钙混合均匀；S3、采用上部点火，反应完全后，冷却，分离渣，获得钛铁合金。本发明的方法避免了钛铁分离问题，减少了工艺环节和降低了生产成本，有效去除矿物中的有机杂质和水分，并减少了钛铁合金冶炼过程中还原剂铝的消耗量和产生的废渣量，提高了钛铁合金钛品位。

Description

一种采用碳热还原-自蔓延制备钛铁合金的方法
技术领域
本发明涉及一种采用碳热还原-自蔓延制备钛铁合金的方法，属于冶金技术领域。
背景技术
钛铁合金作为一种重要的金属材料，在工业方面具有重要的应用。在钢铁方面，钛铁合金可作为脱氧剂、除气剂和合金剂，减少钢锭偏析、提高钢的强度和耐磨性能。此外，在化工和能源方面，它还是一种重要的焊条涂料和储氢材料。目前，其主要生产工艺为重熔法和铝热法。
钛铁矿作为一种含钛原料，其成分主要为氧化铁和二氧化钛，具有储量丰富，价格低廉等优点，是提取金属铁和二氧化钛的重要原料。但在钛铁分离过程中，电弧炉制备高钛渣会消耗大量能量，而硫酸法生产钛白会产生大量废液。如何在高效利用钛铁矿的同时，节约能源，并减少固体废弃物成为亟需解决的技术问题。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种用碳热还原-自蔓延制备钛铁合金的方法，采用钛铁矿直接生产钛铁合金避免了钛铁分离问题，减少了工艺环节和降低了生产成本。而碳热还原不仅可以去除钛铁矿水分和有机质，而且还可以提高钛铁矿还原度，减少钛铁合金冶炼过程中所需还原剂铝的消耗量和产生的废渣量，提高钛铁合金钛品位。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
一种用碳热还原-自蔓延制备钛铁合金的方法，其包括如下步骤：
S1、将钛铁矿加入煤粉或石墨制备成球团，之后，将球团放入1000～1200℃的惰性气氛中还原获得碳热还原钛铁矿球团，破碎研磨后，获得碳热还原钛铁矿粉备用；
S2、将步骤S1获得的碳热还原钛铁矿粉与金属铝、氯酸钠、二氧化钛、氧化钙和氟化钙混合均匀，装入镁砂内衬坩埚；
S3、采用上部点火，反应完全后，冷却，分离渣，获得钛铁合金。
如上所述的方法，优选地，在步骤S1中，所述制备球团包括如下步骤：按所述钛铁矿中元素铁所结合的氧与煤粉或石墨中的固定碳按照摩尔比1:0.8～1.2进行配料，再添加按钛铁矿质量计的1～3％的膨润土，喷洒按所述钛铁矿质量计的7～9％的水进行混料造球，获得8～13mm的球团；将所述球团放入105℃烘箱烘干4h。
如上所述的方法，优选地，在步骤S1中，所述惰性气氛为氩气气氛或氮气气氛。
如上所述的方法，优选地，在步骤S1中，所述还原的时间为2～5h。
如上所述的方法，优选地，在步骤S1中，所述碳热还原钛铁矿粉通过200目筛后备用。
如上所述的方法，优选地，在步骤S2中，所述碳热还原钛铁矿与金属铝、氯酸钠、二氧化钛、氧化钙和氟化钙的配比按质量比为100:129～140:39～79:171～191:18～35:8～18进行配料。
经大量试验得出，按照上述比例配氯酸钠可以保证自蔓延反应进行所需要的能量，二氧化钛则是为了提高钛铁合金的钛品位。氧化钙可以促进钛的还原率，而氟化钙可以提高渣的流动性，促进渣铁分离。
如上所述的方法，优选地，在步骤S2中，所述金属铝在100目筛下占90％以上，所述氯酸钠和二氧化钛在200目筛下占95％以上。
如上所述的方法，优选地，在步骤S2中，所述二氧化钛可用金红石或高钛渣替换。
如上所述的方法，优选地，在步骤S2中，所述氯酸钠可用氯酸钾替换或用氯酸钠和氯酸钾的混合物替换。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：
本发明提供的以碳热还原钛铁矿为原料，采用自蔓延方式生产钛铁合金的方法，其采用钛铁矿直接生产钛铁合金，避免了钛铁分离问题，减少了工艺环节和降低了生产成本。
本发明先将煤粉或石墨与钛铁矿制备成球团，之后进行高温还原焙烧，将钛铁矿还原为铁和氧化钛，提高了钛铁矿还原度，同时高温焙烧去除了矿物中的有机杂质和水分。本发明方法不仅可以减少钛铁合金冶炼过程中的还原剂金属铝的消耗量和降低钛铁合金废渣量，而且可以提高钛铁合金钛品位。
通过计算可知，以本发明的碳热还原钛铁矿为原料制备钛铁合金，可以节约约16％的金属铝和减少约14％的钛铁合金渣。如果对制备钛铁合金原料进行一定的预热或者通过电能来提供一定的反应热，则效果更为显著。
附图说明
图1为实施例1中获得的碳热还原钛铁矿粉的XRD图谱。
具体实施方式
本发明中先制备球团矿，采用钛铁矿加入煤粉或石墨后制备球团，之后惰性气氛中进行还原，使得钛铁矿中的FeTiO3与碳在高温下进行还原反应，获得铁和氧化钛，之后再加入金属铝、氯酸钠、二氧化钛、氧化钙和氟化钙混料后冶炼获得钛铁合金，主要的反应为：3Fe+NaClO3+6Al+3TiO2＝3Al2O3+3FeTi+NaCl，6Fe+NaClO3+6Al+3TiO2＝3Al2O3+3Fe2Ti+NaCl，4Al+3TiO2＝3Ti+2Al2O3，其中，金属铝为还原剂，氯酸钠发热剂，二氧化钛则是为了提高钛铁合金的钛品位。而氧化钙和氟化钙则分别是为了促进钛的还原率和提高渣的流动性。在还原焙烧过程中有机质和水分会挥发掉。
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
实施例1
一种以碳热还原钛铁矿为原料，采用自蔓延方式生产钛铁合金的方法，包括如下步骤：
1、碳热还原钛铁矿制备：
将钛铁矿(化学成分及其重量百分比为Fe2O3：15.1～17.5％，FeO：25.8～27.8％，TiO2：43.4～45.6％,CaO：0.8～0.9％，SiO2：4.6～5.6％，MgO：0.9～1.1％，Al2O3：1.0～1.3％，余量为不可避免的杂质)中元素铁所结合的氧与煤粉中的固定碳按照摩尔比1:0.8进行配料，并加入钛铁矿质量的1％的膨润土，喷洒按所述钛铁矿质量计的7％的水进行混料造球，获得8-13mm球团。将生球放入105℃烘箱烘干4h，然后放入1100℃的氮气气氛炉中还原5h，获得低碳高还原度钛铁矿球团，之后，将球团破碎，磨至通过200目筛，获得碳热还原度钛铁矿粉备用。并将该碳热还原钛铁矿粉进行X射线衍射(XRD)，其衍射图谱如图1所示。从图中可看出氧化铁基本被还原完全。
2、钛铁合金原料配制：
将碳热还原钛铁矿、金属铝、氯酸钠、二氧化钛、氧化钙和氟化钙按照质量比为100:137:59:183:29:13进行配料，其中金属铝100目筛下占90％以上，氯酸钠和二氧化钛200目筛下占95％以上。
3、钛铁合金制备：
将原料混合均匀，采用上部点火，反应完全后，冷却，分离渣铁，获得钛铁合金，其中钛含量为48.9％。
实施例2
本实施例是在实施例1的基础上，不同之处在于，将钛铁矿中铁所结合的氧与石墨中的固定碳按照摩尔比1:1进行配料造球，加入膨润土为钛铁矿质量的3％，喷洒按所述钛铁矿质量计的8.5％的水进行混料造球，之后将球团放入1200℃的氩气气氛炉中还原3h，获得碳热还原钛铁矿，磨至通过200目筛，得碳热还原钛铁矿粉备用。
将碳热还原钛铁矿粉、金属铝、氯酸钾、二氧化钛、氧化钙和氟化钙按照质量比为100:138:62:189:32:12进行配料。
最后获得钛铁合金，其中钛含量为49.7％。
实施例3
本实施例是在实施例1的基础上，不同之处在于，将钛铁矿中铁所结合的氧与煤粉中的固定碳按照摩尔比1:1.2进行配料造球，其中，加入膨润土为钛铁矿质量的2％，喷洒按所述钛铁矿质量计的9％的水进行混料造球，之后将球团放入1180℃的氩气气氛炉中还原5h，获得碳热还原钛铁矿，磨至通过200目筛，得碳热还原钛铁矿粉备用。
将碳热还原钛铁矿粉、金属铝、氯酸钾和氯酸钠按质量比1:1、二氧化钛、氧化钙和氟化钙按照质量比为100:136:74:190:27:13进行配料。
最后获得钛铁合金，其中钛含量为49.1％，此过程中与对比例1相比，不仅可以减少钛铁合金冶炼过程中约6％的还原剂金属铝和约5％的钛铁合金废渣量，而且还提高钛铁合金钛品位。
对比例1
将钛铁矿粉在600℃焙烧2h，去除水分和有机质。
将钛铁矿粉、金属铝、氯酸钠、二氧化钛、氧化钙和氟化钙按照质量比为100:129:39:171:26:13进行配料。
最后获得钛铁合金，其中钛含量为47.3％。
对比例2
将钛铁矿粉在1000℃焙烧2h，去除水分和有机质。
将钛铁矿粉、金属铝、氯酸钠、二氧化钛、氧化钙和氟化钙按照质量比为100:130:43:65:33:10进行配料。
最后获得钛铁合金，其中钛含量为47.0％。
由上可知本发明的方法比现有技术对比例中的方法，可有效提高钛铁合金的品位，且相应降低了废渣量。而且通过计算可知，以本发明的碳热还原钛铁矿为原料制备钛铁合金，可以节约约16％的金属铝和减少约14％的钛铁合金渣。如果对制备钛铁合金原料进行一定的预热或者通过电能来提供一定的反应热，则效果更为显著。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明做其它形式的限制，任何本领域技术人员可以利用上述公开的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (6)

1.一种采用碳热还原-自蔓延制备钛铁合金的方法，其特征在于，其包括如下步骤：
S1、将钛铁矿加入煤粉或石墨制备成球团，之后，将球团放入1000～1200℃的惰性气氛中还原获得碳热还原钛铁矿球团，之后，破碎研磨，获得碳热还原钛铁矿粉备用；
S2、将步骤S1获得的碳热还原钛铁矿粉与金属铝、氯酸钠、二氧化钛、氧化钙和氟化钙混合均匀，装入镁砂内衬坩埚；
S3、采用上部点火，反应完全后，冷却，分离渣，获得钛铁合金；
其中，在步骤S1中，所述制备球团包括如下步骤：按所述钛铁矿中元素铁所结合的氧与煤粉或石墨中的固定碳按照摩尔比1:0.8～1.2进行配料，再添加按钛铁矿质量计的1～3％的膨润土，喷洒按所述钛铁矿质量计的7～9％的水进行混料造球，获得8～13mm的球团；将所述球团放入105℃烘箱烘干4h；所述惰性气氛中还原的时间为2～5h；
在步骤S2中，所述碳热还原钛铁矿与金属铝、氯酸钠、二氧化钛、氧化钙和氟化钙的配比按质量比为100:129～140:39～79:171～191:18～35:8～18进行配料。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S1中，所述惰性气氛为氩气气氛或氮气气氛。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S1中，所述碳热还原钛铁矿粉通过200目筛后备用。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S2中，所述金属铝在100目筛下占90％以上，所述氯酸钠和二氧化钛在200目筛下占95％以上。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S2中，所述二氧化钛替换为金红石或高钛渣。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S2中，所述氯酸钠用氯酸钾替换或用氯酸钠和氯酸钾的混合物替换。
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