一種基于鋁熱自蔓延-噴吹深度還原制備金屬鈦的方法
【專利摘要】一種基于鋁熱自蔓延-噴吹深度還原制備金屬鈦的方法，屬于金屬鈦冶煉【技術領域】。采用鋁熱自蔓延還原工藝還原金紅石或高鈦渣得到高溫熔體；然后將得到高溫熔體在中頻感應爐中進行保溫熔煉分離，形成上層為氧化鋁基熔渣層，下層為金屬鈦熔體層；以底吹方式向氧化鋁基熔渣層噴吹CaF2-CaO預熔渣，進行渣洗精煉，然后通過惰性載氣攜帶以底吹的方式向高溫金屬鈦熔體層中噴吹高溫鈣蒸汽或高溫鎂蒸汽，偏心機械攪拌，進行深度還原精煉；最后將高溫熔體冷卻至室溫除去上部的熔煉渣，得到金屬鈦。本發明方法實現了金屬鈦的低成本、短流程制備，制備出的金屬鈦中氧被徹底脫除，具有流程短、能耗低、操作簡單等優點。
【專利說明】一種基于鋁熱自蔓延-噴吹深度還原制備金屬鈦的方法

【技術領域】
[0001]本發明屬于金屬鈦冶煉【技術領域】，特別涉及一種基于鋁熱自蔓延-噴吹深度還原制備金屬鈦的方法。

【背景技術】
[0002]鈦被譽為繼鐵和鋁之后的第三大金屬，是國家經濟發展和國防建設不可替代的戰略物質，廣泛應用在航空、化工、兵器、核工業、運動器材、醫療及新能源等領域。例如，一架波音B787飛機用鈦量達到136噸，一架空客A380用鈦量將達到146噸。一架F-22用鈦36噸，前蘇聯“臺風”級核潛艇每艘用鈦量高達9000噸，年產100萬噸的苛性納電解槽用鈦高達300-500噸，日產13萬噸的MSF型海水淡化裝置用鈦1500噸。近年來3D打印技術已用于殲-15新機研制、F-22、F-35戰機的鈦合金整體承力框均采用3D打印技術實現，中國先進戰機上的鈦合金構件比例已超過20%，極大地推動金屬鈦的需求量。還原鈦粉價格高達80萬美元/噸。鈦鋁、鈦鋁釩合金仍舊是航空、航天、國防、軍工等領域無法替代的高端金屬結構功能材料，鈦鋁釩合金仍是目前唯一商業化的生物醫用合金。含鈦量65%~75%的高鈦鐵合金由于具有耐腐蝕、耐高溫、耐磨、比重合適等優異的使用性能，其已成為冶煉特種鋼、結構鋼和特種合金的重要原材料，在航空、航天、兵器工業中有著不可替代的作用，其還廣泛應用于石油、化工、機械、艦船、海洋、電力、醫療器件等民用工業。
[0003]現有鈦及鈦材應用的基本流程仍是以Kr ο 11法為基礎，即由鈦礦一高鈦渣—TiCl4 —海綿鈦一鈦材，該工藝存在著流程長、工藝復雜、能耗高、污染大等缺陷，嚴重限制了金屬鈦及鈦合金的推廣應用，開發低成本生產金屬鈦及其合金的清潔制備方法已然是國際研究的熱點。圍繞金屬鈦及鈦合金制備方法先后提出了 FFC法、直接熱還原法、真空還原法等制備新方法，但該類方法存在諸多問題，離工業化還有相當距離。因此，探索規模化低成本生產金屬鈦及鈦合金制備新方法仍然是國際界學術研究熱點和難點。


【發明內容】

[0004]針對現有技術的不足，為解決現有以Kroll法為基礎的金屬鈦利用流程存在的流程長、工藝復雜、能耗高、污染大等缺陷，本發明提供一種基于鋁熱自蔓延-噴吹深度還原制備金屬鈦的方法。即首先在還原劑鋁不足時，采用鋁熱自蔓延還原工藝還原金紅石或高鈦渣得到高溫熔體；以底吹方式向氧化鋁基熔渣層噴吹CaF2-CaO預熔渣，進行渣洗精煉，然后將得到高溫熔體在中頻感應爐中進行保溫熔煉分離，形成上層為氧化鋁基熔渣層，下層為金屬鈦熔體層；同時通過惰性載氣攜帶以底吹的方式向高溫金屬鈦熔體層中噴吹高溫鈣或鎂蒸汽強還原劑，偏心機械攪拌，進行深度還原精煉；最后將高溫熔體冷卻至室溫除去上部的熔煉渣，得到金屬鈦。
[0005]一種基于鋁熱自蔓延-噴吹深度還原制備金屬鈦的方法，具體包括以下步驟:
[0006]步驟1:物料預處理
[0007]將金紅石或高鈦渣:鋁粉:造渣劑:KC103，按質量比1.0: (0.50~0.54): (0.15 ~0.25): (0.20 ~0.25)分別稱量；其中:
[0008]金紅石或高鈦渣，粒度≤1000 μ m ;鋁粉粒度≤5mm ;造渣劑粒度≤2mm ;KC103粒度^ 2mm:
[0009]造潘劑為以下兩種中的一種:
[0010](I)按質量比10~25%的CaF2，余量為CaO ；
[0011](2)按質量比10~25%的CaF2, 5~10%的Na2O,余量為CaO ;
[0012]將金紅石或高鈦渣，在550~700°C焙燒12~36h ;造渣劑混合均勻后，在250~400°C焙燒 8 ~16h ；KC103 在 150 ~200°C干燥 18 ~32h ；
[0013]步驟2:鋁熱自蔓延還原
[0014]將物料混合均勻，放在自蔓延反應爐內，用鎂粉點燃引發自蔓延反應得到高溫熔體；
[0015]步驟3:電磁場作用下的熔分
[0016]將高溫熔體經過高溫導流管直接轉移到中頻感應爐中，同時啟動電磁感應加熱進行保溫熔煉分離，保溫溫度1700~1900°C，保溫時間5~lOmin，形成上層為氧化鋁基熔渣層，下層為金屬鈦熔體層；
[0017]步驟4:熔渣噴吹還原精煉
[0018]放掉上層50%的氧化招基熔洛后,進行偏心機械攪拌,攪拌轉速50~120rpm,同時向氧化鋁基熔渣層噴吹CaF2-CaO預熔渣，進行渣洗熔煉，CaF2-CaO預熔渣的質量為相對于未放渣前上層氧化鋁基熔渣層質量的5~10%，噴吹后停止偏心機械攪拌，保溫10~30min ；
[0019]然后，進行偏心機械攪拌，攪拌轉速50~120rpm，同時采用惰性氣體攜帶強還原劑，向金屬鈦熔體層噴吹，進行深度還原精煉，噴吹時間為10~30min，噴吹時惰性氣體的流量為5~20L/min，其中，強還原劑及其用量為以下兩種中的一種:
[0020](I)強還原劑為金屬鈣高溫蒸汽，噴吹量為金紅石或高鈦渣的質量的10~15% ;
[0021](2)強還原劑為金屬鎂高溫蒸汽，噴吹量為金紅石或高鈦渣的質量的5~10% ;
[0022]步驟5:停止偏心機械攪拌，將高溫熔體冷卻至室溫，除去上部的熔煉渣，得到金屬鈦。
[0023]上述的步驟3中，中頻感應爐的電磁場的頻率大于等于1000Hz。
[0024]步驟4中的CaF2-CaO預熔渣，進行渣洗熔煉，CaF2和CaO的質量比為(4~6): (6~4);惰性氣體為高純氬氣，純度大于等于99.95%。
[0025]招熱自蔓延還原反應過程中，還原劑招用量為理論用量的90~95%,保證了一步鋁熱還原階段還原劑處于不足量的狀態；整個噴吹深度還原精煉(渣洗精煉和深度還原精煉)的同時進行偏心機械攪拌。
[0026]在制備金屬鈦的反應中KClO3作為發熱劑，鋁粉作為還原劑。
[0027]本發明方法和Kroll法相比具有如下優點:
[0028](I)本發明以金紅石(或高鈦渣)和鋁粉為原料，提出采用鋁熱自蔓延-噴吹深度還原制備金屬鈦新思路，具有流程短、能耗低、操作簡單等優點，解決了以Kroll法為基礎的金屬鈦利用流程存在的流程長、工藝復雜、能耗高、污染大等技術難題。
[0029](2)本發明以金紅石(或高鈦渣)和鋁粉為原料，首先在還原劑鋁不足時采用鋁熱自蔓延還原工藝得到高溫熔體；然后將得到高溫熔體轉移到中頻感應爐中熔煉分離，形成上層為氧化鋁基熔渣層，下層為金屬鈦熔體層；然后通過惰性載氣攜帶以底吹的方式向高溫金屬熔體層中噴吹鈣或鎂高溫蒸汽等強還原劑，進行深度還原精煉得到金屬鈦。實現了金屬鈦的低成本、短流程制備。
[0030](3)本發明方法采用分步還原操作，即首先在鋁熱還原階段還原劑鋁用量為理論量的90 %~95 %，然后將獲得的高溫金屬鈦熔體噴吹鈣或鎂進行深度還原。由于鋁熱自蔓延還原熔煉是在鋁不足的情況進行的，噴吹深度還原精煉采用惰性載氣攜帶噴吹鈣或鎂強高溫蒸汽等還原劑進行，因此，金屬鈦中氧被徹底脫除。
[0031](4)本發明方法鋁熱自蔓延還原熔煉和噴吹深度還原精煉之間，將鋁熱自蔓延得到的高溫熔體轉移到中頻感應爐中，啟動電磁感應加熱進行保溫熔煉分離，形成上層為氧化鋁基熔渣層，下層為金屬鈦熔體層，強化了金渣分離過程。
[0032](5)本發明方法噴吹深度還原脫氧還原精煉過程中，采用惰性載氣攜帶以底吹的方式向高溫金屬熔體層中噴吹高溫鈣蒸汽或高溫鎂蒸汽強還原劑，進行深度還原精煉得到金屬鈦。鈣或鎂強還原劑會在1700°C~1900°C高溫熔體中以蒸汽的形式與金屬熔體中的氧反應，因此金屬熔體中氧得到了徹底去除。同時噴吹的惰性載氣和電磁場攪拌作用都強化了金渣分離，尤其是金屬熔體中夾雜物的去除。所制備的金屬鈦中O≤0.2maSS%。

【具體實施方式】
[0033]以下實施例中:
[0034]金紅石或高鈦渣: 按照質量比，T12 > 95%、Si < 2 %、Al < 1.0%，粒度^ 1000 μ m ；
[0035]KClO3 粒度≤ 2mm ;
[0036]Al 粒度< 5mm ;
[0037]造洛劑粒度< 2_ ；
[0038]高純氬氣的純度大于99.95% ;
[0039]中頻感應爐中的電磁場的頻率大于等于100Hz。
[0040]金屬鈦中氧的含量，是通過G8型氧氮氫分析儀(德國布魯克公司)測得的。
[0041]實施例1
[0042]基于鋁熱自蔓延-噴吹深度還原制備金屬鈦的方法，具體包括如下步驟:
[0043]步驟1:物料預處理
[0044]將金紅石:鋁粉:造渣劑=KClO3，按質量比1.0: 0.52: 0.15: 0.20分別稱量；其中:造渣劑為按質量比10%的CaF2和90%的CaO;
[0045]將金紅石，在650°C焙燒24h，除去有機雜質和水分；造渣劑混合均勻后，在250°C焙燒12h，使其干燥；KC103在165°C干燥24h ；
[0046]步驟2:招熱自蔓延還原
[0047]將物料混合均勻，放在自蔓延反應爐內，表面鋪放少量鎂粉，點燃鎂粉引發自蔓延反應得到高溫熔體；
[0048]步驟3:電磁場作用下的熔分
[0049]將高溫熔體經過高溫導流管直接轉移到中頻感應爐中，同時啟動電磁感應加熱進行保溫熔煉分離，在1700°C，保溫時間lOmin，形成上層為氧化鋁基熔渣層，下層為金屬鈦熔體層；
[0050]步驟3:噴吹熔渣還原精煉
[0051]放掉上層50%的氧化鋁基熔渣后，進行偏心機械攪拌，攪拌轉速lOOrpm，同時以底吹方式向氧化鋁基熔渣層噴吹CaF2-CaO預熔渣，進行渣洗熔煉，CaF2-CaO預熔渣的質量為相對于未放渣前上層氧化鋁基熔渣層質量的10% ,CaF2和CaO的質量比為6: 4，噴吹后停止偏心機械攪拌，保溫30min ；
[0052]然后，進行偏心機械攪拌，攪拌轉速lOOrpm，同時采用高純氬氣攜帶高溫鈣蒸汽，以底吹的方式向金屬鈦熔體層噴吹，進行深度還原精煉，噴吹時間為lOmin，高純氬氣的流量為20L/min，高溫鈣蒸汽的噴吹量為金紅石的質量的15% ；
[0053]步驟5:停止偏心機械攪拌，將高溫熔體冷卻至室溫，除去上部的熔煉渣，得到金屬鈦，金屬鈦氧含量0.12%。
[0054]實施例2
[0055]基于鋁熱自蔓延-噴吹深度還原制備金屬鈦的方法，具體包括如下步驟:
[0056]步驟1:物料預處理
[0057]將金紅石:鋁粉:造渣劑=KClO3，按質量比1.0: 0.52: 0.15: 0.20分別稱量，其中造渣劑為按質量比20%的CaF2和80%的CaO ；
[0058]將金紅石，在680°C焙燒18h，除去有機雜質和水分；造渣劑混合均勻后，在400°C焙燒8h，使其干燥；KC103在180°C干燥18h ；
[0059]步驟2:招熱自蔓延還原
[0060]將物料混合均勻，放在自蔓延反應爐內，表面鋪放少量鎂粉，點燃鎂粉引發自蔓延反應得到高溫熔體，
[0061 ] 步驟3:電磁場作用下的熔分
[0062]將高溫熔體經過高溫導流管直接轉移到中頻感應爐中，同時啟動電磁感應加熱進行保溫熔煉分離，在1800°C，保溫時間8min，形成上層為氧化鋁基熔渣層，下層為金屬鈦熔體層；
[0063]步驟4:噴吹熔渣還原精煉
[0064]放掉上層50%的氧化招基熔洛后,進行偏心機械攪拌,攪拌轉速80rpm,同時向氧化鋁基熔渣層噴吹CaF2-CaO預熔渣，進行渣洗熔煉，CaF2-CaO預熔渣的質量為相對于未放渣前上層氧化鋁基熔渣層質量的7.5%，其中CaF2和CaO的質量比為5:5，噴吹后停止偏心機械攪拌，保溫20min ；
[0065]然后，進行偏心機械攪拌，攪拌轉速80rpm，同時采用高純氬氣攜帶高溫鈣蒸汽，向金屬鈦熔體層噴吹，進行深度還原精煉，噴吹時間30min，高純氬氣的流量為15L/min，高溫鈣蒸汽的質量為金紅石質量的12% ；
[0066]步驟5:停止偏心機械攪拌，將高溫熔體冷卻至室溫，除去上部的熔煉渣，得到金屬鈦，金屬鈦氧含量0.18%。
[0067]實施例3
[0068]基于鋁熱自蔓延-噴吹深度還原制備金屬鈦的方法，具體包括如下步驟:
[0069]步驟1:物料預處理
[0070]將金紅石:鋁粉:造渣劑=KClO3，按質量比1.0: 0.52: 0.15: 0.20分別稱量，其中造渣劑為按質量比25%的CaF2和75%的CaO ；
[0071]將金紅石，在550°C焙燒36h，除去有機雜質和水分；造渣劑混合均勻后，在300°C焙燒12h，使其干燥；KC103在150°C干燥32h ；
[0072]步驟2:招熱自蔓延還原
[0073]將物料混合均勻，放在自蔓延反應爐內，表面鋪放少量鎂粉，點燃鎂粉弓丨發自蔓延反應得到高溫熔體，
[0074]步驟3:電磁場作用下的熔分
[0075]將高溫熔體經過高溫導流管直接轉移到中頻感應爐中，同時啟動電磁感應加熱進行保溫熔煉分離，在1900°C，保溫時間5min，形成上層為氧化鋁基熔渣層，下層為金屬鈦熔體層；
[0076]步驟4:噴吹熔渣還原精煉
[0077]放掉上層50%的氧化鋁基熔渣后，進行偏心機械攪拌，攪拌轉速50rpm，同時以底吹方式向氧化鋁基熔渣層噴吹CaF2-CaO預熔渣，進行渣洗熔煉，CaF2-CaO預熔渣的質量為相對于未放渣前上層氧化鋁基熔渣層質量的10%，其中CaF2和CaO的質量比為4: 6，噴吹后停止偏心機械攪拌，保溫1min ；
[0078]然后，進行偏心機械攪拌，攪拌轉速50rpm，同時采用高純氬氣攜帶高溫鈣蒸汽，以底吹的方式向金屬鈦熔體層噴吹，進行深度還原精煉，噴吹時間30min，高純氬氣的流量為5L/min，高溫鈣蒸汽的質量為金紅石質量的10% ；
[0079] 步驟5:停止偏心機械攪拌，將高溫熔體冷卻至室溫，除去上部的熔煉渣，得到金屬鈦，其中氧含量0.12%。
[0080]實施例4
[0081]基于鋁熱自蔓延-噴吹深度還原制備金屬鈦的方法，具體包括如下步驟:
[0082]步驟1:物料預處理
[0083]將金紅石:鋁粉:造渣劑=KClO3，按質量比1.0: 0.50: 0.15: 0.15分別稱量，其中造渣劑為按質量比10%的CaF2、10%的Na2O和80%的CaO ；
[0084]將金紅石，在700°C焙燒12h，除去有機雜質和水分；造渣劑混合均勻后，在350°C焙燒15h，使其干燥；KC103在200°C干燥18h ；
[0085]步驟2:招熱自蔓延還原
[0086]將物料混合均勻，放在自蔓延反應爐內，表面鋪放少量鎂粉，點燃鎂粉引發自蔓延反應得到高溫熔體，
[0087]步驟3:電磁場作用下的熔分
[0088]將高溫熔體經過高溫導流管直接轉移到中頻感應爐中，同時啟動電磁感應加熱進行保溫熔煉分離，在1700°C，保溫時間lOmin，形成上層為氧化鋁基熔渣層，下層為金屬鈦熔體層；
[0089]步驟4:噴吹熔渣還原精煉
[0090]放掉上層50%的氧化鋁基熔渣后，進行偏心機械攪拌，攪拌轉速120rpm，同時以底吹方式向氧化鋁基熔渣層噴吹CaF2-CaO預熔渣，進行渣洗熔煉，CaF2-CaO預熔渣的質量為相對于未放渣前上層氧化鋁基熔渣層質量的5%，其中CaF2和CaO的質量比為6: 4，噴吹后停止偏心機械攪拌，保溫30min ；
[0091]然后，進行偏心機械攪拌，攪拌轉速120rpm，同時采用高純氬氣攜帶高溫鈣蒸汽，以底吹的方式向金屬鈦熔體層噴吹，進行深度還原精煉，噴吹時間lOmin，高純氬氣的流量為20L/min，高溫鈣蒸汽質量相當于金紅石質量的15% ；
[0092]步驟5:停止偏心機械攪拌，將高溫熔體冷卻至室溫，除去上部的熔煉渣，得到金屬鈦，其中氧含量0.11%。
[0093]實施例5
[0094]基于鋁熱自蔓延-噴吹深度還原制備金屬鈦的方法，具體包括如下步驟:
[0095]步驟1:物料預處理
[0096]將金紅石:鋁粉:造渣劑=KClO3，按質量比1.0: 0.50: 0.15: 0.15分別稱量，其中造渣劑為按質量比20%的CaF2、8%的Na2O和72%的CaO ；
[0097]將金紅石，在600°C焙燒30h，除去有機雜質和水分；造渣劑混合均勻后，在280°C焙燒14h，使其干燥；KC103在180°C干燥18h ；
[0098]步驟2:招熱自蔓延還原
[0099]將物料混合均勻，放在自蔓延反應爐內，表面鋪放少量鎂粉，點燃鎂粉弓丨發自蔓延反應得到高溫熔體，
[0100]步驟3:電磁場作用下的熔分
[0101]將高溫熔體經過高溫導流管直接轉移到中頻感應爐中，同時啟動電磁感應加熱進行保溫熔煉分離，在1800°C，保溫時間8min，形成上層為氧化鋁基熔渣層，下層為金屬鈦熔體層；
[0102]步驟4:噴吹熔渣還原精煉
[0103]放掉上層50%的氧化鋁基熔渣后，進行偏心機械攪拌，攪拌轉速80rpm，同時以底吹方式向氧化鋁基熔渣層噴吹CaF2-CaO預熔渣，進行渣洗熔煉，CaF2-CaO預熔渣的質量為相對于未放渣前上層氧化鋁基熔渣層質量的7.5%，其中CaF2和CaO的質量比為5: 5，噴吹后停止偏心機械攪拌，保溫20min ；
[0104]然后，進行偏心機械攪拌，攪拌轉速80rpm，同時采用高純氬氣攜帶高溫鈣蒸汽，以底吹的方式向金屬鈦熔體層噴吹，進行深度還原精煉，噴吹時間30min，高純氬氣的流量為15L/min，高溫鈣蒸汽質量為金紅石質量的12% ；
[0105]步驟5:停止偏心機械攪拌，將高溫熔體冷卻至室溫，除去上部的熔煉渣，得到金屬鈦，金屬鈦氧含量0.12%。
[0106]實施例6
[0107]基于鋁熱自蔓延-噴吹深度還原制備金屬鈦的方法，具體包括如下步驟:
[0108]步驟1:物料預處理
[0109]將高鈦渣:鋁粉:造渣劑=KClO3，按質量比1.0: 0.50: 0.15: 0.15分別稱量，其中造渣劑為按質量比25%的CaF2、10%的Na2O和65%的CaO ；
[0110]將高鈦渣，在650°C焙燒24h，除去有機雜質和水分；造渣劑混合均勻后，在300°C焙燒12h，使其干燥；KC103在170°C干燥20h ；
[0111]步驟2:鋁熱自蔓延還原
[0112]將物料混合均勻，放在自蔓延反應爐內，表面鋪放少量鎂粉，點燃鎂粉弓丨發自蔓延反應得到高溫熔體，
[0113]步驟3:電磁場作用下的熔分
[0114]將高溫熔體經過高溫導流管直接轉移到中頻感應爐中，同時啟動電磁感應加熱進行保溫熔煉分離，在1900°C，保溫時間5min，形成上層為氧化鋁基熔渣層，下層為金屬鈦熔體層；
[0115]步驟4:噴吹熔渣還原精煉
[0116]放掉上層50%的氧化招基熔洛后,進行偏心機械攪拌,攪拌轉速50rpm,同時以底吹方式向氧化鋁基熔渣層噴吹CaF2-CaO預熔渣，進行渣洗熔煉，CaF2-CaO預熔渣的質量為相對于未放渣前上層氧化鋁基熔渣層質量的10%，其中CaF2和CaO的質量比為4:6，噴吹后停止偏心機械攪拌，保溫1min ；
[0117]然后，進行偏心機械攪拌，攪拌轉速50rpm，同時采用高純氬氣攜帶高溫鈣蒸汽，以底吹的方式向金屬鈦熔體層噴吹，進行深度還原精煉，噴吹時間30min，高純氬氣的流量為5L/min，高溫鈣蒸汽質量相當于高鈦渣質量的10% ；
[0118]步驟5:停止偏心機械攪拌，將高溫熔體冷卻至室溫，除去上部的熔煉渣，得到金屬鈦，金屬鈦氧含量0.10%。
[0119]實施例7
[0120]基于鋁熱自蔓延-噴吹深度還原制備金屬鈦的方法，具體包括如下步驟:
[0121]步驟1:物料預處理
[0122]將高鈦渣:鋁粉:造渣劑=KClO3，按質量比1.0: 0.54: 0.15: 0.25分別稱量，其中造渣劑為按質量比10 %的CaF2和90 %的CaO ；
[0123]將高鈦渣，在700°C焙燒12h，除去有機雜質和水分；造渣劑混合均勻后，在250°C焙燒16h，使其干燥；KC103在180°C干燥18h ；
[0124]步驟2:鋁熱自蔓延還原
[0125]混合均勻，放在自蔓延反應爐內，表面鋪放少量鎂粉，點燃鎂粉引發自蔓延反應得到高溫熔體，
[0126]步驟3:電磁場作用下的熔分
[0127]將高溫熔體經過高溫導流管直接轉移到中頻感應爐中，同時啟動電磁感應加熱進行保溫熔煉分離，在1700°C，保溫時間lOmin，形成上層為氧化鋁基熔渣層，下層為金屬鈦熔體層；
[0128]步驟4:噴吹熔渣還原精煉
[0129]放掉上層50%的氧化鋁基熔渣后，進行偏心機械攪拌，攪拌轉速lOOrpm，同時以底吹方式向氧化鋁基熔渣層噴吹CaF2-CaO預熔渣，進行渣洗熔煉，CaF2-CaO預熔渣的質量為相對于未放渣前上層氧化鋁基熔渣層質量的5%，其中CaF2和CaO的質量比為6: 4，噴吹后停止偏心機械攪拌，保溫30min ；
[0130]然后，進行偏心機械攪拌，攪拌轉速lOOrpm，同時采用高純氬氣攜帶高溫鎂蒸汽，以底吹的方式向金屬鈦熔體層噴吹，進行深度還原精煉，噴吹時間lOmin，高純氬氣的流量為20L/min，高溫鎂蒸汽質量為高鈦渣質量的10% ；
[0131]步驟5:停止偏心機械攪拌，將高溫熔體冷卻至室溫，除去上部的熔煉渣，得到金屬鈦，金屬鈦氧含量0.12%。
[0132]實施例8
[0133]基于鋁熱自蔓延-噴吹深度還原制備金屬鈦的方法，具體包括如下步驟:
[0134]步驟1:物料預處理
[0135]將金紅石:鋁粉:造渣劑=KClO3，按質量比1.0: 0.54: 0.15: 0.25分別稱量，其中造渣劑為按質量比20%的CaF2和80%的CaO ；
[0136]將金紅石，在600°C焙燒28h，除去有機雜質和水分；造渣劑混合均勻后，在350°C焙燒12h，使其干燥；KC103在160°C干燥22h ；
[0137]步驟2:鋁熱自蔓延還原
[0138]將物料混合均勻，放在自蔓延反應爐內，表面鋪放少量鎂粉，點燃鎂粉引發自蔓延反應得到高溫熔體，
[0139]步驟3:電磁場作用下的熔分
[0140]將高溫熔體經過高溫導流管直接轉移到中頻感應爐中，同時啟動電磁感應加熱進行保溫熔煉分離，在1800°C，保溫時間8min，形成上層為氧化鋁基熔渣層，下層為金屬鈦熔體層；
[0141 ] 步驟4:噴吹熔渣還原精煉
[0142]放掉上層50%的氧化鋁基熔渣后，進行偏心機械攪拌，攪拌轉速80rpm，同時以底吹方式向氧化鋁基熔渣層噴吹CaF2-CaO預熔渣，進行渣洗熔煉，CaF2-CaO預熔渣的質量為相對于未放渣前上層氧化鋁基熔渣層質量的7.5%，其中CaF2和CaO的質量比為5: 5，噴吹后停止偏心機械攪拌，保溫20min ；
[0143]然后，進行偏心機械攪拌，攪拌轉速80rpm，同時采用高純氬氣攜帶高溫鎂蒸汽，以底吹的方式向金屬鈦熔體層噴吹，進行深度還原精煉，噴吹時間30min，高純氬氣的流量為15L/min，高溫鎂蒸汽的質量為金紅石質量的8%:
[0144]步驟5:停止偏心機械攪拌，將高溫熔體冷卻至室溫，除去上部的熔煉渣，得到金屬鈦，金屬鈦氧含量0.12%。
[0145]實施例9
[0146]基于鋁熱自蔓延-噴吹深度還原制備金屬鈦的方法，具體包括如下步驟:
[0147]步驟1:物料預處理
[0148]將金紅石:鋁粉:造渣劑=KClO3，按質量比1.0: 0.54: 0.15: 0.25分別稱量，其中造渣劑為按質量比25%的CaF2和75%的CaO ；
[0149]將金紅石，在650°C焙燒24h，除去有機雜質和水分；造渣劑混合均勻后，在300°C焙燒10h，使其干燥；KC103在180°C干燥18h ；
[0150]步驟2:鋁熱自蔓延還原
[0151]混合均勻，放在自蔓延反應爐內，表面鋪放少量鎂粉，點燃鎂粉引發自蔓延反應得到高溫熔體，
[0152]步驟3:電磁場作用下的熔分
[0153]將高溫熔體經過高溫導流管直接轉移到中頻感應爐中，同時啟動電磁感應加熱進行保溫熔煉分離，在1900°C，保溫時間5min，形成上層為氧化鋁基熔渣層，下層為金屬鈦熔體層；
[0154]步驟4:噴吹熔渣還原精煉
[0155]放掉上層50%的氧化鋁基熔渣后，進行偏心機械攪拌，攪拌轉速50rpm，同時以底吹方式向氧化鋁基熔渣層噴吹CaF2-CaO預熔渣，進行渣洗熔煉，CaF2-CaO預熔渣的質量為相對于未放渣前上層氧化鋁基熔渣層質量的10%，其中CaF2和CaO的質量比為4: 6，噴吹后停止偏心機械攪拌，保溫1min ；
[0156]然后，進行偏心機械攪拌，攪拌轉速50rpm，同時采用高純氬氣攜帶高溫鎂蒸汽，以底吹的方式向金屬鈦熔體層噴吹，進行深度還原精煉，噴吹時間30min，高純氬氣的流量為5L/min,高溫鎂蒸汽質量相當于金紅石質量的5% ；
[0157]步驟5:停止偏心機械攪拌，將高溫熔體冷卻至室溫，除去上部的熔煉渣，得到金屬鈦，金屬鈦氧含量0.15%。
【權利要求】
1.一種基于鋁熱自蔓延-噴吹深度還原制備金屬鈦的方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1:物料預處理 將金紅石或高鈦渣:鋁粉:造渣劑:KC103，按質量比1.0: (0.50~0.54): (0.15~0.25): (0.20~0.25)分別稱量；其中: 金紅石或高鈦渣，粒度≤1000 μ m;鋁粉粒度≤5mm;造渣劑粒度≤2mm ;KC103粒度≤ 2mm: 造渣劑為以下兩種中的一種: (1)按質量比10~25%的CaF2，余量為CaO； (2)按質量比10~25%的CaF2,5~10%的Na2O,余量為CaO ； 將金紅石或高鈦渣，在550~700°C焙燒12~36h ;造渣劑混合均勻后，在250~400°C焙燒8~16h ；KC103在150~200°C干燥18~32h ； 步驟2:鋁熱自蔓延還原 將物料混合均勻，放在自蔓延反應爐內，用鎂粉點燃引發自蔓延反應得到高溫熔體； 步驟3:電磁場作用下的熔分 將高溫熔體通過高溫導流管直接轉移到到中頻感應爐中，同時啟動電磁感應加熱進行保溫熔煉分離，保溫溫度1700~1900°C，保溫時間5~lOmin，形成上層為氧化鋁基熔渣層，下層為金屬鈦熔體層； 步驟4:熔渣噴吹還原精煉 放掉上層50%的氧化招基熔洛后,進行偏心機械攪拌,攪拌轉速50~120rpm,同時向氧化鋁基熔渣層噴吹CaF2-CaO預熔渣，進行渣洗熔煉，CaF2-CaO預熔渣的質量為相對于未放渣前上層氧化鋁基熔渣層質量的5~10%，噴吹后停止偏心機械攪拌，保溫10~30min ； 然后，進行偏心機械攪拌，攪拌轉速50~120rpm，同時采用惰性氣體攜帶強還原劑，向金屬鈦熔體層噴吹，進行深度還原精煉，噴吹時間為10~30min，噴吹時惰性氣體的流量為5~20L/min，其中，強還原劑及其用量為以下兩種中的一種: (1)強還原劑為金屬鈣高溫蒸汽，噴吹量為金紅石或高鈦渣的質量的10~15%； (2)強還原劑為金屬鎂高溫蒸汽，噴吹量為金紅石或高鈦渣的質量的5~10%; 步驟5:停止偏心機械攪拌，將高溫熔體冷卻至室溫，除去上部的熔煉渣，得到金屬鈦。
2.如權利要求1所述的基于鋁熱自蔓延-噴吹深度還原制備金屬鈦的方法，其特征在于，所述的步驟3中頻感應爐的電磁場的頻率大于等于1000Hz。
3.如權利要求1所述的基于鋁熱自蔓延-噴吹深度還原制備金屬鈦的方法，其特征在于，所述的步驟4中的CaF2-CaO預熔渣，CaF2和CaO的質量比為(4~6): (6~4)。
4.如權利要求1所述的基于鋁熱自蔓延-噴吹深度還原制備金屬鈦的方法，其特征在于，所述的步驟4中的惰性氣體為高純氬氣，純度大于等于99.95%。
【文檔編號】C22B5/04GK104131178SQ201410345905
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年7月21日 優先權日:2014年7月21日
【發明者】張廷安, 豆志河, 張子木, 劉燕, 呂國志, 赫冀成 申請人:東北大學