專利名稱：一種用熔分鈦渣制備含鈦合金的方法
技術領域：
本發明涉及鈦合金冶煉技術領域，更具體地講，涉及一種用熔分鈦渣制備含鈦合金的方法。
背景技術：
鈦是50年代發展起來的一種重要的結構金屬。鈦合金因具有強度高、密度小、耐蝕性好、耐熱性高等特點，是很好的結構和功能材料，被廣泛應用于航空航天、醫療器械、化工設備、軍工及運動器材等領域。世界上許多國家都認識到鈦合金材料的重要性，相繼對其進行研究開發，并得到了實際應用。然而，由于目前的鈦金屬或鈦合金基本均來自于海綿鈦，并且海綿鈦成本高昂，所以導致鈦合金不能夠得到大規模的應用。因此，在現有技術中， 亟需能夠替代或部分替代海綿鈦工藝來生產鈦金屬或鈦合金的工藝。鈦合金的生產來源于海綿鈦等金屬熔化冶煉而成，然而，目前工業生產中普遍采用鎂熱還原法(Kroll法)來生產海綿鈦。在現有技術中，首先處理鈦鐵礦得到TiO2含量高的高鈦渣，然后將富鈦物料(高鈦渣、金紅石)和石油焦送入流態化沸騰爐，氯化后得到粗 TiCl4，后采用化學法和精餾法凈化去除雜質得精制TiCl4，再用鎂熱還原法(Kroll法)得到海綿鈦，然后采用合金化技術配成鈦合金。Kroll法流程為在氬氣保護下，精TiCl4和Mg 在溫度800 900°C的鋼容器內反應3 5天，大部分副產物MgCl2以及過量的Mg從反應器分離，但還原產物仍含有少量Mg和MgCl2，需用真空蒸餾法或酸浸法去除，回收的MgCl2電解再生Mg和Cl2，循環利用。盡管國內外對Kroll法進行了完善，但是，沒有根本改變1948 年開發的Kroll法工藝，仍然存在流程長、工序多、成本高、生產率低，從而限制了鈦合金的使用范圍。為尋求新的低成本鈦的生產工藝，國內外均做了大量的研究工作，有TiCl4熔鹽電解法、TiO2直接電解法、流動式氣相連續法、液態高溫高壓法、氫碳和其它還原法等方法， 其中TiCl4熔鹽電解法曾接近工業化生產，但仍無法取代現有的鎂還原法，其他方法都處于實驗室規模，要走向工業化還面臨許多的技術難題。中國具有非常豐富的鈦資源儲量，這些鈦資源主要以釩鈦磁鐵礦的形式蘊藏在攀西地區。在現有技術中，釩鈦磁鐵礦的冶煉工藝通常采用“高爐一轉爐”流程。然而，這樣的工藝僅能夠回收釩鈦磁鐵礦中的鐵和釩元素，而鈦元素由于進入高爐渣相且含量低而難以被回收利用。

發明內容
針對現有技術存在的上述不足，本發明的目的之一在于解決上述問題中的一個或多個。本發明提供了一種工藝簡單又經濟的用熔分鈦渣來制備含鈦合金的方法。本發明提供了一種用熔分鈦渣制備含鈦合金的方法。所述方法包括以下步驟將熔分鈦渣直接熱裝入爐；升溫至熔池澄清(或稱為溶解至澄清，簡稱溶清)后，加還原劑進行冶煉，控制反應溫度；反應完畢后，鎮靜沉降；出渣、出合金，冷卻制得含鈦合金。與現有技術相比，本發明具有以下有益效果
(1)以釩鈦磁鐵礦經選擇性直接還原鐵和釩后的熔分鈦渣為原料，充分利用了鈦渣中的Ti02、Si02、Fe0等資源，有效避免資源浪費問題；(2)本發明工藝流程短，采用含鋁還原劑，鈦回收率高，資源綜合利用率高；(3)本發明采用熱渣直接入爐的方式，降低了生產成本和能源消耗，對提高釩鈦磁鐵礦資源的綜合利用率具有重要意義。此外，本發明突破了傳統的“先提煉純金屬、再熔化進行合金化”的思路，提出一種不經過純鈦(海綿鈦)提煉工序而直接冶煉含鈦合金的工藝。而且本發明由于不使用氯氣和四氯化鈦，所以與傳統方法相比，具有大幅度縮短生產工藝、降低生產成本、減少環境污染和擴大應用范圍等優點。
具體實施例方式在新開發的直接還原技術中，釩鈦磁鐵礦經選擇性直接還原鐵和釩(例如，采用轉底爐或回轉窯或其它非高爐煉鐵工藝選擇性直接還原鐵和釩)然后經電弧爐分離而得到含釩鐵水和熔分鈦渣，有望實現對釩鈦磁鐵礦中的鐵、釩、鈦資源的綜合利用。此種熔分鈦渣中TiO2含量高，若不能得到有效利用，不但會造成資源的極大浪費，還會成為非高爐煉鐵技術規模化發展的制約因素。此外，有人曾針對直接還原后得到的熔分鈦渣進行了硫酸法制取鈦白的工藝研究，但由于渣中Si02、Al203等雜質含量高，鈦白質量得不到保證，因此，采用直接還原工藝處理釩鈦磁鐵礦得到的熔分鈦渣缺乏有效利用途徑。根據本發明的用熔分鈦渣制備含鈦合金的方法包括以下步驟將熔分鈦渣直接熱裝入爐；升溫至熔池澄清后，加還原劑進行冶煉，控制反應溫度；反應完畢后，鎮靜沉降；出渣、出合金，冷卻制得含鈦合金。在本發明的一個示例性實施例中，所述熱裝入爐步驟的爐指電弧爐(也稱為電爐)。在本發明的一個示例性實施例中，所述冶煉步驟的還原劑可以為含鋁還原劑，所述含鋁還原劑中鋁含量按重量百分比計可以大于或等于90%。當鋁含量小于90%時，還原效果不佳，鈦回收率低，還可能增加冶煉電耗。含鋁還原劑的加入量按重量計可以為熔分鈦渣重量的25% 45%。當含鋁還原劑加入量小于25%時，還原效率差；增加含鋁還原劑用量可提高鈦回收率，但含鋁還原劑的加入量大于45 %時，則會增加成本，影響合金質量，因此應將含鋁還原劑的加入量控制在上述范圍內。在本發明的一個示例性實施例中，所述冶煉步驟的反應溫度可以為1550°C 1850°C，反應時間可以控制在熱裝入爐的熔分鈦渣的噸數乘以10 15分鐘所得的時間范圍內。即，在本發明的方法中，反應所需時間按10 15分鐘/每噸熔分鈦渣來確定。當所述冶煉步驟的反應溫度大于1550°C時，才能保證反應順利進行，生產出含鈦量高的合金； 然而，如果反應溫度高于1850°C，則會增加電耗和成本，且容易降低爐子的壽命，嚴重時還會導致事故的發生。在本發明的一個示例性實施例中，所述鎮靜沉降步驟的鎮靜沉降時間可以為 20min 60min，熔池內溫度可以保持在1500°C 1650°C，并且在所述鎮靜沉降步驟中保持電弧穩定和熔池平靜。鎮靜沉降主要是為了達到合金與渣分離的目的。在鎮靜沉降步驟中，將溫度控制在1500°C 1650°C范圍內，是為了起到一定的保溫作用，使渣不至于快速凝固而具有一定流動性，從而保證殘留在渣中的合金能沉降到底部。如果在此步驟中的溫度低于1500°C，則熔池中的合金液和渣的粘度增大，流動性降低，不利于合金液的沉降；如果在此步驟中的溫度高于1650°C，則熔池處于劇烈運動狀態，合金不能很好的沉降。如果在此步驟中的沉降時間過短，則分離效果差，沉降時間過長則會導致冶煉成本的增加。在本發明的一個示例性實施例中，所述熔分鈦渣可以是釩鈦磁鐵礦經過選擇性直接還原鐵和釩再經電爐分離出含釩鐵水而得到的鈦渣。在本發明的一個示例性實施例中，所述熔分鈦渣基于100重量份的總量計可以包括30 50份的Ti02、12 22份的SiO2,5 15份的FeO,以及余量的Al203、Mg0、Ca0、Mno
和/或V2O5等。具體來講，根據本發明一個示例性實施例的用熔分鈦渣制備含鈦合金的方法可以通過以下技術方案來實現(1)將熔分鈦渣直接熱裝進入電爐；(2)升溫至熔池澄清后，加含鋁還原劑進行冶煉操作，控制反應溫度在1550°C 1850 0C ；(3)反應完畢后，鎮靜沉降20 60分鐘，沉降過程保持電弧穩定和熔池平靜，控制溫度在 1500°C 1650°C。(4)出渣、出合金，冷卻后得到含鈦合金。在下文中，將結合示例性實施例來詳細說明本發明的方法。本實施例采用釩鈦磁鐵礦轉底爐選擇性直接還原鐵和釩再經電爐熔分后得到的熔分鈦S為原料，其成分如下:Ti02 :37. 93% ；SiO2 :17. 38% ；Al2O3 :14. 54% ；MgO :18. 22% ； CaO 4. 03% ；FeO :5. 15% ；V2O5 :1. 53% ；MnO :1. 22%。采用金屬鋁丸作為還原劑，其中，活性鋁還原劑占99%以上，粒度為2mm 12_。實施例1 將5t熔分鈦渣熱裝入電爐，升溫至熔池熔清后，加入金屬鋁丸進行冶煉操作，控制反應溫度在1550°C 1650°C，還原劑總加入量1. 3t。反應時間為75分鐘。待反應完畢后，通入微小電流以將熔池的溫度保持在1550°C 1650°C范圍內，鎮靜沉降40分鐘，出爐， 冷卻制得合金。本實施例制備出的含鈦合金，其成分按重量百分比計包括58%的Ti、27%的Si、 4%的Al、5%的Fe，余量的雜質。殘渣中TW2含量為4%，鈦回收率> 85%。實施例2:將8t熔分鈦渣熱裝入電爐，升溫至熔池熔清后，加入金屬鋁丸進行冶煉操作，控制反應溫度在1600 1700°C，還原劑總加入量2. 5t。反應時間為100分鐘。待反應完畢后，通入微小電流以將熔池的溫度保持在1550°C 1650°C范圍內，并鎮靜沉降60分鐘，出爐，冷卻制得合金。本實施例制備出的含鈦合金，其成分按重量百分比計包括69%的Ti、25%的Si、 2%的Al、2%的Fe，余量的雜質。殘渣中TiO2含量為2%，鈦回收率> 85%。實施例3 將12t熔分鈦渣熱裝入電爐，升溫至熔池熔清后，加入金屬鋁丸進行冶煉操作，并調整電爐的電流大小以將反應溫度控制在1700°C 1850°C的范圍內，還原劑總加入量 5. 4t。反應時間為150分鐘。待反應完畢后，通入微小電流以將熔池的溫度保持在1550°C 1650°C范圍內，鎮靜沉降20分鐘，出爐，冷卻制得合金。本實施例制備出的含鈦合金，其成分按重量百分比計包括62%的Ti、32%的Si、 2%的Al、2%的Fe，余量的雜質。殘渣中TiO2含量為3%，鈦回收率> 85%。上述實施例中，含鋁還原劑可采用每批次加入少量并分多批次加入的加料方式， 也可以采用每批次加入較多數量并分較少批次加入的加料方式，若采用后一種加料方式則每批次加料之間需間隔一定時間。通過上述實施例得到的含鈦合金，主要成分為鈦、硅；還可根據合金成分需要，爐外補加部分含硅、鐵等原料，通過控制反應過程，制備出滿足需要的不同鈦、硅、鋁、鐵含量的含鈦合金。盡管上面已經結合一些示例性實施例描述了本發明，但是本領域技術人員應該清楚，在不脫離權利要求所限定的精神和范圍的情況下，可以對上述示例性實施例進行修改和改變。
權利要求
1.一種用熔分鈦渣制備含鈦合金的方法，包括以下步驟將熔分鈦渣直接熱裝入爐；升溫至熔池澄清后，加還原劑進行冶煉，控制反應溫度；反應完畢后，鎮靜沉降；出渣、出合金，冷卻制得含鈦合金。
2.根據權利要求1所述的用熔分鈦渣制備含鈦合金的方法，其特征在于所述熱裝入爐步驟的爐為電弧爐。
3.根據權利要求1所述的用熔分鈦渣制備含鈦合金的方法，其特征在于所述冶煉步驟的還原劑為含鋁還原劑，所述含鋁還原劑中鋁含量按重量百分比計大于或等于90%，并且含鋁還原劑的加入量按重量計為熔分鈦渣重量的25% 45%。
4.根據權利要求1所述的用熔分鈦渣制備含鈦合金的方法，其特征在于所述冶煉步驟的反應溫度為1550°C 1850°C，反應時間控制在熱裝入爐的熔分鈦渣的噸數乘以10 15 分鐘所得的時間范圍內。
5.根據權利要求1所述的用熔分鈦渣制備含鈦合金的方法，其特征在于所述鎮靜沉降步驟的鎮靜沉降時間為20min 60min，熔池內溫度保持在1500°C 1650°C，并且在所述鎮靜沉降步驟中保持電弧穩定和熔池平靜。
6.根據權利要求1至5中任意一項所述的用熔分鈦渣制備含鈦合金的方法，其特征在于所述熔分鈦渣是指釩鈦磁鐵礦經過選擇性直接還原鐵和釩再經電弧爐分離出含釩鐵水而得到的鈦渣。
7.根據權利要求6所述的用熔分鈦渣制備含鈦合金的方法，其特征在于所述熔分鈦渣基于100重量份的總量計包括30 50份的Ti02、12 22份的Si02、5 15份的i^eO，以及余量的從A1203、MgO、CaO, MnO和V2O5中選擇的一種或多種化合物。
全文摘要
本發明提供了一種用熔分鈦渣制備含鈦合金的方法。所述方法包括以下步驟將熔分鈦渣直接熱裝入爐；升溫至熔池澄清后，加還原劑進行冶煉，控制反應溫度；反應完畢后，鎮靜沉降；出渣、出合金，冷卻制得含鈦合金。本發明采用釩鈦磁鐵礦直接還原或非高爐煉鐵后得到的熔分鈦渣為原料制備含鈦合金，能夠有效的利用熔分鈦渣中的鈦資源，采用熱渣直接入爐的方式，降低了生產成本和能源消耗，對提高釩鈦磁鐵礦資源的綜合利用率具有重要意義。
文檔編號C22C1/02GK102321817SQ20111026705
公開日2012年1月18日 申請日期2011年9月9日 優先權日2011年9月9日
發明者張繼東, 李良, 楊仰軍, 趙青娥, 黃家旭 申請人:攀鋼集團攀枝花鋼鐵研究院有限公司