低雜質含量鈦鐵的生產方法與流程

2023-06-10 19:37:36 2

本發明涉及低雜質含量鈦鐵的生產方法，屬於鐵合金冶煉技術領域。

背景技術：
鈦可以增加鋼鐵的耐磨性和抗拉強度，可用作脫氧劑、除氣劑。鈦的脫氧能力大大高於矽、錳，並可減少鋼錠偏析，改善鋼錠質量，提高收得率。而金屬鈦的比重低，僅為4.5克/毫升，熔點又高，為1690℃，又易氧化，在鋼液面上被氧化燒掉很多，損失太大，又不易控制含量，並且單體金屬製取工藝複雜，生產成本高，價格昂貴等等，因此不適合以純金屬和非金屬單體狀態在煉鋼時直接加入鋼液中。為此冶金工作者們研究制出了這些元素和鐵的合金，就叫做「鐵合金」，鈦元素和鐵的合金熔點和鋼接近，比重和鋼差不多，又不易氧化，其生產工藝又比生產該純金屬和非金屬簡單，生產成本比純的單體金屬和非金屬低的多，價格低，特別適合於煉鋼和生產各種高科技材料中使用。因此鐵合金成為煉鋼和新材料工業中的重要材料。目前的鐵合金品種有二元的和多元的鐵合金數十種，其中鈦鐵屬於用量最大的二元鐵合金之一。鈦鐵合金是生產鏈條鋼、錨鏈鋼、造船用鋼、不鏽鋼、電焊條以及電子、軍工產品等的重要原料。目前，國內的鈦鐵生產主要採用鈦精礦、鈦渣等為鈦原料，通過還原法生產鈦鐵合金。專利201010514572.3公開了「一種分步金屬熱還原製備高鈦鐵的方法」，包括一步鋁熱還原熔煉、二步強化還原精煉兩個步驟，按質量比，原料配料為：金紅石或高鈦渣:鋁粉:鐵精礦:造渣劑:KClO3＝1.0:0.37～0.50:0.05～0.10:0.15～0.25:0.20～0.25，冶煉溫度1900℃～2200℃；二步強化還原精煉時間10～30min，精煉結束後，冷卻、起錠、除雜，得到高鈦鐵合金；複合還原劑為鈣鎂合金。專利CN200710049216.7公開了「一種以鈦原料冶煉製取系列鈦鐵合金的方法」，工藝步驟如下：將攀西地區鈦原料、鈣質冶金輔料及鈣-鈉系處理劑送入旋轉爐中，經快速預熱後，再經連接倉送入混料器中充分混合均勻，然後從配料倉依次加入金屬鋁、鐵系原料、輔助還原劑及氯酸鉀，混料器中的原料及輔助材料混合均勻後，經對接倉落入已預熱的冶煉爐內，加入點火劑，2～3min反應結束後加入緩凝劑，冷卻20～40h，最後分離渣和鈦鐵合金，鈦鐵合金產品經檢驗、包裝後入庫。專利CN200810230203.4公開了「基於鋁熱還原製備高品質高鈦鐵合金的方法及裝置」，方法包括以下步驟：(1)將鋁熱還原劑預熱到液態；將含鈦物質、含鐵物質和造渣劑經過球磨、焙燒後連續加入金屬熔池中進行高溫熔煉；(2)噴吹顆粒還原劑進行冶煉；(3)經過冷卻，起錠，去除雜質，獲得高品質高鈦鐵。專利CN201110113452.7公開了「一種鉍鈦鐵合金及其用途」，所述鉍鈦鐵合金以其組分和各組分的重量百分含量是：鉍15-68wt％，鈦15-68wt％，不可避免的雜質≤0.8wt％，鐵：5～70％。其製備方法為將金屬鉍、海綿鈦、生鐵和廢鋼按配比配料，先行熔化生鐵和廢鋼，再將海綿鈦加入並進行攪拌，以使鈦充分溶解到鐵液中，在此過程中，隨著鈦的不斷加入，對合金液進行加熱升溫，直至海綿鈦完全溶解並均勻混合後再用鐘罩將金屬鉍壓入金屬液中並進行攪拌，以使鉍充分溶解到鐵鈦合金液中，待金屬鉍完全溶解均勻後把合金液澆注到鑄錠模內快速冷卻，即製成鉍鈦鐵合金錠。專利CN201310507878.X公開了「以鈦渣與鈦精礦為鈦、鐵原料生產高鈦鐵合金的方法」，以鈦渣與鈦精礦為鈦、鐵原料，包括以下步驟：將原料按質量配比鈦渣1份、鈦精礦0.35～0.51份、鋁粉0.83份、氯酸鉀0.36份、螢石0.14～0.16份、石灰0.11～0.15份混勻後，採用上部點火法冶煉，獲得高鈦鐵合金。專利CN201310449481.X公開了「利用碳還原製備鈮鈦鐵合金的方法及鈮鈦鐵合金」，該方法包括：(1)碳高溫還原，將高鈦富鈮渣、碳和第一溶劑在1550-1700℃熔化，然後保溫還原冶煉，得到碳化物；以及(2)二次冶煉。專利CN201310413509.4公開了「一種製備鈦鐵合金的方法」，將鈦精礦在電爐中冶煉鈦渣；在鈦渣冶煉結束後，向電爐中加入至少一種鹼金屬碳酸鹽，通入空氣或氧氣並攪拌，以使鈦渣中的鈦氧化物轉化為鈦酸鹽；以石墨為陽極並以電爐底部的鐵水為陰極進行電解，生成金屬鈦，並且金屬鈦進入熔融的鐵中形成液相鈦鐵合金；在惰性氣體保護下排出所述鐵水及所述液相鈦鐵合金並進行冷卻，得到鈦鐵合金。專利CN201310507100.9公開了一種「鋁鎂法生產高鈦鐵合金」，將原料按質量配比鈦精礦1份、鈦渣2.3份、鋁粉1.73～1.93份、鎂粉為0.17～0.23份、螢石0.27～0.37份、石灰0.33～0.4份、氯酸鉀0.83份混勻後，採用上部點火法冶煉，獲得高鈦鐵合金。專利CN201310449614.3公開了「鈮鈦鐵合金的製備方法及鈮鈦鐵合金」，鈮鈦鐵合金的製備方法包括如下工序：(1)高溫碳化，將富鈮渣、碳和第一熔劑在1500-1700℃熔化，然後保溫還原冶煉，得到鈮鈦碳化物；以及(2)再氧化，先將鐵鱗加入到工序(1)得到的碳化物中，在1550-1700℃反應冶煉，然後保持溫度1550-1700℃下加入第二熔劑，熔化後繼續保溫一段時間進行冶煉，得到鈮鈦鐵合金。從已經公開的發明專利來看，鈦鐵的生產主要採用鈦精礦、鈦渣、金紅石等含鈦物質為鈦源，鋁、鎂、碳等為還原劑，同時採用石灰、螢石等作為造渣劑，部分發明還採用氯酸鉀為點火劑，這些方法雖然都可以成功生產出不同鈦含量的鈦鐵合金，但是方法存在反應劇烈、反應時間短、生產周期長、合金成分波動大、雜質含量高等缺點，極大影響鈦合金鋼種的成分精度控制。比如：以上方法生產出的不同鈦含量合金存在狀態不一，低鈦含量的鈦鐵合金易粉化，高鈦含量的鈦鐵合金硬度大難破碎，這就造成採用低鈦含量合金進行合金化時加入量控制難度大。現有方法生產出的鈦鐵在成分上波動較大，同時含有的雜質元素含量高，因此國標對鈦鐵成分的要求較為寬泛(國標中鈦鐵的化學成分見表1)，矽、錳、鋁等含量均可以在1％及以上，磷、硫含量較高，高牌號的鈦鐵還存在氧、氮含量高等問題(如FeTi70的氮含量高達0.80％、氧含量在5.00％以上)，這些都極大影響鈦合金化過程中鋼水成分的精確控制和有害元素的控制。表1國標中鈦鐵合金的化學成分

技術實現要素：
本發明解決的技術問題是提供低雜質含量鈦鐵的生產方法，採用本發明的方法不僅可以生產出不同鈦含量要求的鈦鐵系列產品，而且產品中雜質及有害元素含量低、鈦鐵成品品質高。本發明低雜質含量鈦鐵的生產方法，包括如下步驟：a、在真空或惰性氣體氛圍中進行鈦源的熔清，熔清後升溫到1690℃以上，得到鈦液；所述鈦源的鈦含量≥99.5％；b、採用普通鐵水為鐵源，對鐵水進行冶煉，將鐵水中的C、Si、Mn、P、S、Al、V和Ti元素的總含量控制在0.5％以內，同時將鐵水溫度升到1700℃以上；c、將升溫後的鐵水吊至真空或惰性氣體氛圍中，將a步驟所得鈦液按所需鈦鐵牌號要求的重量倒入到鐵水包中，將鐵水和鈦液進行對衝混合，底吹氬氣，供氬強度為0.25～1.0m3/(min·t)，吹氬時間為2～15min；得到鈦鐵合金液；d、在真空條件下或惰性氣體氛圍中將鈦鐵合金液進行澆鑄，待合金降溫到100℃及其以下後，將鈦鐵合金進行破碎包裝，得到鈦鐵合金。優選的，所述鈦源為等外海綿鈦、鈦屑、鈦合金屑、鈦刨花、鈦合金刨花中的至少一種。進一步的，a步驟升溫到1690～1700℃，b步驟將鐵水升溫到1700～1720℃。優選的，a步驟中，採用坩堝爐或電阻爐進行鈦源的熔清；b步驟中，使用可以對鐵水進行脫碳、脫磷和脫硫的設備對鐵水進行冶煉。其中，所述可以對鐵水進行脫碳、脫磷和脫硫的設備優選為轉爐、電爐、LF爐中的至少一種。優選的，c步驟中，在鈦鐵合金中進入其他合金成分，用以得到含其他合金成分的鈦鐵合金，所述其他合金成分為鉻、鈮、鎳中的至少一種。其中，惰性氣體優選為氦氣、氖氣、氬氣、氪氣、氙氣或氡氣。作為優選方案，所述低雜質含量鈦鐵的雜質含量<0.3％。本發明的鈦鐵生產方法不僅可以生產出不同鈦含量要求的鈦鐵系列產品，而且生產方法簡單易行、成分控制精度高、雜質及有害元素含量低、鈦鐵成品品質高，有效解決了傳統鈦鐵生產工藝控制難度大、雜質含量高等難題，所生產的鈦鐵可以為高端含鈦鋼種的生產提供高品質鈦鐵合金。具體實施方式本發明低雜質含量鈦鐵的生產方法，包括如下步驟：a、在真空或惰性氣體氛圍中進行鈦源的熔清，熔清後升溫到1650℃以上，得到鈦液；所述鈦源的鈦含量≥99.5％；b、採用普通鐵水為鐵源，使用轉爐、電爐、LF爐等可以對鐵水進行脫碳、脫磷、脫硫的設備對鐵水進行冶煉，將鐵水中的C、Si、Mn、P、S、Al、V和Ti元素的總含量控制在0.5％以內，同時將鐵水溫度升到1700℃以上；c、將升溫後的鐵水吊至真空或惰性氣體氛圍中，將a步驟所得鈦液按所需鈦鐵牌號要求的重量倒入到鐵水包中，將鐵水和鈦液進行對衝混合，底吹氬氣，供氬強度為0.25～1.0m3/(min·t)，吹氬時間為2～15min；得到鈦鐵合金液；d、均勻化完成後，在真空條件下或惰性氣體氛圍中將鈦鐵合金液進行澆鑄，待合金降溫到100℃及其以下後，將鈦鐵合金進行破碎包裝，得到鈦鐵合金。本發明低雜質含量鈦鐵的生產方法，通過對鈦源、鐵水雜質的控制，並且在混合過程中底吹氬氣，不僅可以起到成分均勻化的目的，還能達到控雜的目的，降低鈦鐵合金中的雜質含量。優選的，供氬強度為0.25～1.0m3/(min·t)，吹氬時間為2～15min。其中，所述鈦源為鈦含量為99.5％的高鈦含量物質，優選所述鈦源為等外海綿鈦、鈦屑、鈦合金屑、鈦刨花、鈦合金刨花中的至少一種。進一步，優選的，a步驟升溫到1690～1700℃，b步驟將鐵水升溫到1700～1720℃。進一步的，a步驟中，優選採用坩堝爐或電阻爐進行鈦源的熔清。b步驟中，優選使用轉爐、電爐、LF爐等可以對鐵水進行脫碳、脫磷、脫硫的設備對鐵水進行冶煉，其冶煉方法為本領域現有技術，在此不做贅述。如若需要在鈦鐵合金中加入其他合金成分(如鉻、鈮、鎳等)時，可在c步驟中加入相應的金屬或鐵合金。即在c步驟中，在鈦鐵合金中加入其他合金成分，用以得到含相應合金的鈦鐵合金。進一步的，本發明的惰性氣體不包括氮氣，可優選為氦氣、氖氣、氬氣、氪氣、氙氣或氡氣。通過本發明低雜質含量鈦鐵的生產方法，得到的鈦鐵合金中雜質含量<0.3％。本發明中的含量均為質量百分數。下面結合實施例對本發明的具體實施方式做進一步的描述，並不因此將本發明限制在所述的實施例範圍之中。實施例1採用坩堝爐在真空中將等外海綿鈦(鈦含量99.8％)熔清，並升溫到1700℃；採用轉爐和LF爐將鐵水的[C]+[Si]+[Mn]+[P]+[S]+[Al]+[V]+[Ti]處理至0.4％，並升溫到1710℃；鐵源和鈦源重量比為7:3，將高溫鐵水吊至真空條件下，並將預先在真空保護條件下通過坩堝爐熔清並升溫到1700℃的鈦液倒入到鐵水包中，將兩種金屬液進對衝混合，並在包底採用噴吹氬氣的方式進行成分均勻化並控雜，供氬強度為0.25m3/(min·t)，吹氬時間為15min；均勻化完成後在真空條件下將鈦鐵合金液進行板式澆鑄，待合金降溫到100℃及其以下後，將鈦鐵合金進行破碎包裝。所得鈦鐵合金中Ti含量為29.89％，其餘除鐵外元素含量總量<0.3％。實施例2採用電阻爐在Ar氣保護氛圍中將鈦刨花(鈦含量99.5％)熔清，並升溫到1690℃；採用電爐將鐵水的[C]+[Si]+[Mn]+[P]+[S]+[Al]+[V]+[Ti]處理至0.3％，並升溫到1700℃；鐵源和鈦源重量比為3:7，將高溫鐵水吊至氬氣保護條件下，並將預先在氬氣保護條件下通過電阻爐熔清並升溫到1650℃的鈦液倒入到鐵水包中，將兩種金屬液進對衝混合，並在包底採用噴吹氬氣的方式進行成分均勻化並控雜，供氬強度為0.5，吹氬時間為10min；均勻化完成後在真空條件下將鈦鐵合金液進行板式澆鑄，待合金降溫到100℃及其以下後，將鈦鐵合金進行破碎包裝。所得鈦鐵合金中Ti含量為79.81％，其餘除鐵外元素含量總量<0.3％。實施例3採用電阻爐在真空中將鈦屑(鈦含量99.9％)熔清，並升溫到1698℃；採用電爐+LF爐將鐵水的[C]+[Si]+[Mn]+[P]+[S]+[Al]+[V]+[Ti]處理至0.4％，並升溫到1720℃；鐵源和鈦源重量比為5:5，將高溫鐵水吊至氬氣保護條件下，並將預先在氬氣保護條件下通過電阻爐熔清並升溫到1680℃的鈦液倒入到鐵水包中，將兩種金屬液進對衝混合，並在包底採用噴吹氬氣的方式進行成分均勻化並控雜，供氬強度為1.0m3/(min·t)，吹氬時間為2min；均勻化完成後在真空條件下將鈦鐵合金液進行板式澆鑄，待合金降溫到100℃及其以下後，將鈦鐵合金進行破碎包裝。所得鈦鐵合金中Ti含量為59.83％，其餘除鐵外元素含量總量<0.3％。