專利名稱：：用碳熱還原法制備鈦硅鋁合金的方法
技術領域：
：本發(fā)明屬于材料科學領域，特別涉及一種用碳熱還原法制備鈦硅鋁合金的方法。
背景技術：
：鈦硅鋁多元合金是一種新型鑄造鋁合金，具有良好的鑄造工藝性能和高強度。傳統(tǒng)生產鈦硅鋁多元合金的方法是采用熔融配制鑄造而成，也就是兌摻法，將純鋁、純鈦先熔配成鋁鈦中間合金，再把鋁鈦和鋁硅兩個中間合金重熔配成鈦硅鋁合金。熔配法所需的純金屬，它們本身的冶煉就需要一個復雜的冶煉工藝過程，需要消耗大量的能源。為了生產純鋁，需經復雜的工藝流程，消耗巨額的能量，除去鋁礦中的硅、鈦等雜質，制得純氧化鋁，再熔鹽電解獲得純鋁。為了生產純鈦需去除鈦礦物中的鋁硅。在生產鈦硅鋁合金時，又通過幾次重熔。該方法工藝流程長，工藝復雜，在金屬冶煉和提純過程中舍棄了大量的有價元素，故能耗高，成本貴，投資費用高，建設周期長。攀枝花地區(qū)蘊藏著極其豐富的釩鈦磁鐵礦，其中含有鈦鐵礦和鈦晶石等含鈦礦物，現(xiàn)階段首先利用的是鈦鐵礦，攀枝花鋼鐵集團公司開采釩鈦磁鐵礦為原料，生產鋼鐵和釩產品，從選礦的尾礦中每年可回收50萬噸含鈦礦。此外，攀枝花鋼鐵集團公司每年還排放約300萬噸的含鈦高爐渣，至今己累計排放5000多萬噸，不僅浪費了寶貴的鈦資源，而且還嚴重污染環(huán)境。目前國家天然礦物資源日益短缺，原料價格不斷上漲，通過從高爐鈦渣和鈦精礦中制取鈦硅鋁合金，可以節(jié)約資源，減少環(huán)境污染，降低鈦硅鋁合金的價格。目前這方面的研究還比較少。
發(fā)明內容針對現(xiàn)有鈦硅鋁合金生產方面的問題，本發(fā)明提供一種用碳熱還原法制備鈦硅鋁合金的方法。利用含鈦原料在礦熱電弧爐內直接熔煉成含鋁20~60%、含硅30~60%、含鈦5~40%的鈦硅鋁合金、鈦硅鋁鐵合金及以鈦硅鋁為基的其它合金。本發(fā)明的技術方案為1、以含鈦渣、含鈦礦或者含鈦渣和含鈦礦的混合物為含鈦原料，以焦炭和木炭為碳質還原劑，將含鈦原料和碳質還原劑混合，根據(jù)成品需要選擇混合比例為含鈦原料焦炭:木炭=5~14:2~3:1;然后采用球磨機磨成粒度小于lmm的粉料。2、將磨好的粉料加入粘結劑，放入混料機中混合4h，粘結劑為紙漿廢液，加入量為粘結劑占全部物料總質量的10%;然后用制團機在壓力大于17MPa下壓制成球徑為30~50mm的含鈦球團，然后放入干燥機中烘干脫水，要求球團中的水分不超過1%。3、將烘干后的含鈦球團、硅石、焦炭、木炭按成品所需比例混合配制批料，將配好的批料加入到交流或者直流礦熱電弧爐中進行還原反應，冶煉過程為埋弧操作，操作電壓為35V，電流為1500A，制備出鈦硅鋁合金，其中各成分所含總碳量為完全化學反應理論需要碳量的0.81.0倍；在礦熱電弧爐中主要化學反應的方程式為A1203+3C=2A1+3C0tSi02+2C=Si+2CO個Ti02+2C=Ti+2COt4、每隔24小時從礦熱電弧爐的鐵口中放出鈦硅鋁合金液體，得到鈦硅鋁合金成品。本發(fā)明中的含鈦渣是指鈦鐵渣、高爐鈦渣等，含鈦礦是指含鈦尾礦(選鐵尾礦、綜合尾礦、選鈦尾礦)、金紅石、銳鈦礦、鈦鐵礦、鈦晶石、鈦白粉等。本發(fā)明中的碳質還原劑為焦炭和木炭，焦炭中含固定碳81%以上；木炭中含固定碳77%以上。本發(fā)明中的鈦硅鋁合金成品根據(jù)需要可調節(jié)為含鋁20~60%，含硅30~60%，含鈦5~40%的鈦硅鋁合金、鈦硅鋁鐵合金及以鈦硅鋁為基的其它合金。本發(fā)明用碳熱還原法制備鈦硅鋁合金的方法，充分利用我國難以處理的含鈦渣及含鈦尾礦，將物料中的鈦、鋁和硅等有價金屬通過制取鈦硅鋁合金而得以回收利用，變廢為寶，實現(xiàn)了資源的綜合回收利用，減少了環(huán)境污染。本發(fā)明直接由廢渣或者尾礦，采用碳熱還原法在礦熱電弧爐內直接從含鈦、含鋁物中制取鈦硅鋁合金，原料成本低，簡化了工作流程，制備過程簡單，節(jié)約能源，固定投資少，降低了生產成本和能源消耗；本發(fā)明的碳熱還原法是在礦熱電弧爐中進行的立體反應，電能利用率可達80%，這是其它方法難以達到的。本發(fā)明的用碳熱還原法制備鈦硅鋁合金的方法，制備的合金成分容易控制，通過調整含鈦渣、含鈦礦和硅石的配比，就可以制備出不同成分含量的鈦硅鋁合金。本發(fā)明對綜合利用含鈦渣和含鈦礦具有重要的意義。具體實施例方式本發(fā)明實施選用攀枝花鋼鐵集團公司生產過程中排放的含鈦渣和含鈦礦作為含鈦原料，其化學成分如表1所示。表1含鈦渣和含鈦礦的化學成分<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>本發(fā)明實施采用的硅石中主要成分質量百分比含量為SiOS98%。本發(fā)明實施采用的焦炭中含固定碳81%以上；木炭中含固定碳77%以上。本發(fā)明實施采用的紙漿廢液為造紙r排放紙漿廢液。實施例1:采用含鈦渣為原料，其主要成分質量百分比含量為110222%，Si0223%，Al20313%。將含鈦渣和碳質還原劑混合后磨成粒度小于lmm的粉料，其混合質量比例為含鈦渣焦炭:木炭=14:3:1;然后在粉料中加入粘結劑紙漿廢液，放入混合機中充分混合，其中紙漿廢液加入量為物料總質量的10%;混合均勻后將物料放入對輥式造球機中，以大于17MPa壓力壓制成球徑為3050mm度含鈦球團；將獲得的含鈦球團放入干燥機中烘干脫水，脫水后的含鈦球團水份小于1%。將脫水后的含鈦球團，硅石，焦炭和木炭放入63KVA礦熱電弧爐中進行冶煉，冶煉過程為埋弧操作，操作電壓為35V，電流為1500A，其中含鈦球團占物料總質量80%，硅石占物料總質量15%，焦炭占物料總質量的4%，木炭占物料總質量的1%;間隔2小時放出一次鈦硅鋁合金，獲得的鈦硅鋁合金成分為鈦40%，硅38%，鋁20%，余量為Fe。實施例2:采用含鈦渣為原料，其主要成分質量百分比含量為110213%，Al20375%。將含鈦渣和碳質還原劑混合后磨成粒度小于lmm的粉料，其混合質量比例為含鈦渣:焦炭:木炭=5:3:1;然后在粉料中加入粘結劑紙漿廢液，放入混合機中充分混合，其中紙漿廢液加入量為物料總質量的10%;混合均勻后將物料放入對輥式造球機中，以大于17MPa壓力壓制成球徑為3050mm的含鈦球團；將獲得的含鈦球團放入干燥機中烘干脫水，脫水后的含鈦球團水份小于1%。將脫水后的含鈦球團，硅石，焦炭和木炭放入63KVA礦熱電弧爐中進行冶煉，冶煉過程為埋弧操作，操作電壓為35V，電流為1500A，其中含鈦球團占總質量50%，硅石占物料總質量35%，焦炭占物料總質量的10%，木炭占物料總質量的5%;間隔3小時放出一次鈦硅鋁合金，獲得的鈦硅鋁合金成分為鈦14%，硅44%，鋁40%，余量為Fe。實施例3:用含鈦礦和含鈦渣的混合料為混合原料，其中含鈦礦的主要成分質量百分比含量為Ti0212%，Si0235%，Al20313%，含鈦渣的主要成分質量百分比含量為1^0218%，Al2O360%。將混合原料和碳質還原劑混合后磨成粒度小于lmm的粉料，其混合質量比例為含鈦礦含鈦渣:焦炭:木炭=3:3:2:1;然后在粉料中加入粘結劑紙漿廢液，放入混合機中充分混合，其中紙漿廢液加入量為物料總質量的10%;混合均勻后將物料放入對輥式造球機中，以大于17MPa壓力壓制成球徑為3050mm的含鈦球團；將獲得的含鈦球團放入干燥機中烘干脫水，脫水后的含鈦球團水份小于1%。將脫水后的含鈦球團，硅石，焦炭和木炭放入63KVA礦熱電弧爐中進行冶煉，冶煉過程為埋弧操作，操作電壓為35V，電流為1500A，其中含鈦球團占物料總質量78%，硅石占物料總質量15%,焦炭占物料總質量的5%，木炭占物料總質量的2%;間隔4小時放出一次鈦硅鋁合金，獲得的鈦硅鋁合金成分為鈦30%，硅30%，鋁39%，余量為Fe。實施例4:,采用含鈦渣為原料，其主要成分質量百分比含量為Ti02l6X，Al2O370%。將含鈦渣和碳質還原劑混合后磨成粒度小于lmm的粉料，其混合質量比例為含鈦渣:焦炭:木炭=6:2:1;然后在粉料中加入粘結劑紙漿廢液，放入混合機中充分混合，其中紙漿廢液加入量為物料總質量的10%;混合均勻后將物料放入對輥式造球機中，以大于17MPa壓力壓制成球徑為3050mm的含鈦球團；將獲得的含鈦球團放入干燥機中烘干脫水，脫水后的含鈦球團水份小于1%。將脫水后的含鈦球團，硅石，焦炭和木炭放入63KVA礦熱電弧爐中進行冶煉，冶煉過程為埋弧操作，操作電壓為35V，電流為1500A，其中含鈦球團占總質量50%，硅石占物料總質量35%，焦炭占物料總質量的10%，木炭占物料總質量的5%;間隔3小時放出一次鈦硅鋁合金，獲得的鈦硅鋁合金成分為鈦5%，硅34%，鋁60%，余量為Fe。實施例5:采用含鈦礦為原料，其主要成分質量百分比含量為110212%，Si0236%，Al2O310%。將含鈦礦和碳質還原劑混合后磨成粒度小于lmm的粉料，其混合質量比例為含鈦礦焦炭:木炭=13:3:1;然后在粉料中加入粘結劑紙漿廢液，放入混合機中充分混合，其中紙漿廢液加入量為物料總質量的10%;混合均勻后將物料放入對輥式造球機中，以大于17MPa壓力壓制成球徑為3050mm的含鈦球團；將獲得的含鈦球團放入干燥機中烘干脫水，脫水后的含鈦球團水份小于1%。將脫水后的含鈦球團，硅石，焦炭和木炭放入63KVA礦熱電弧爐中進行冶煉，冶煉過程為埋弧操作，操作電壓為35V，電流為1500A，其中含鈦球團占物料總質量65%，硅石占物料總質量30%，焦炭占物料總質量的4%，木炭占物料總質量的1%;間隔2小時放出一次鈦硅鋁合金，獲得的鈦硅鋁合金成分為鈦15%，硅60%，鋁24%，余量為Fe。實施例6:采用含鈦礦為原料，其主要成分質量百分比含量為11025%，Si0244%，Al20313%。將含鈦礦和碳質還原劑混合后磨成粒度小于lmm的粉料，其混合質量比例為含鈦礦焦炭:木炭=8:3:1;然后在粉料中加入粘結劑紙漿廢液，放入混合機中充分混合，其中紙漿廢液加入量為物料總質量的10%;混合均勻后將物料放入對輥式造球機中，以大于17MPa壓力壓制成球徑為3050mm的含鈦球團；將獲得的含鈦球團放入干燥機中烘干脫水，脫水后的含鈦球團水份小于1%。將脫水后的含鈦球團，硅石，焦炭和木炭放入63KVA礦熱電弧爐中進行冶煉，冶煉過程為埋弧操作，操作電壓為35V，電流為1500A，其中含鈦球團占物料總質量80%，硅石占物料總質量15%，焦炭占物料總質量的4%，木炭占物料總質量的1%;間隔2小時放出一次鈦硅鋁合金，獲得的鈦硅鋁合金成分為鈦6%，硅60%，鋁33%，余量為Fe。權利要求1、一種用碳熱還原法制備鈦硅鋁合金的方法，其特征在于包括以下步驟(1)以含鈦渣、含鈦礦或者兩者的混合物為含鈦原料，焦炭和木炭為碳質還原劑，將含鈦原料和碳質還原劑混合，混合比例為含鈦原料∶焦炭∶木炭＝5～14∶2～3∶1；磨成粒度小于1mm的粉料；(2)將磨好的粉料加入粘結劑，粘結劑的加入量占物料總質量的10％；然后進行混合，在壓力大于17Mpa的條件下壓制成球徑為30～50mm的含鈦球團，然后烘干脫水，球團中的水分不超過1％；(3)將含鈦球團、硅石、焦炭、木炭按成品所需比例配制批料，將配好的批料置于到反應爐中進行還原反應，每隔2～4小時出爐，冶煉出鈦硅鋁合金。2、根據(jù)權利要求1所述的用碳熱還原法生產鈦硅鋁合金的方法，其特征在于所述的含鈦渣和含鈦礦含鈦渣是指鈦鐵渣、高爐鈦渣等；含鈦礦包括含鈦尾礦、金紅石、銳鈦礦、鈦鐵礦、鈦晶石、鈦白粉等。3、根據(jù)權利要求1所述的用碳熱還原法生產鈦硅鋁合金的方法，其特征在于所述的反應爐及其操作使用的反應爐是直流或交流礦熱電弧爐，冶煉過程為埋弧操作。4、根據(jù)權利要求1所述的用碳熱還原法生產鈦硅鋁合金的方法，其特征在于所述的配制批料含鈦球團、硅石、焦炭和木炭配制批料是采用虧碳配方，其各成分所含總碳量為完全化學反應理論需要碳量的0.8~1.0倍。5、根據(jù)權利要求1所述的用碳熱還原法生產鈦硅鋁合金的方法，其特征在于所述的鈦硅鋁合金成品用碳熱還原法在礦熱電弧爐中生產含鋁20~60%，含硅30~60%，含鈦5~40%的鈦硅鋁合金、鈦硅鋁鐵合金及以鈦硅鋁為基的其它合金。6、根據(jù)權利要求1所述的用碳熱還原法生產鈦硅鋁合金的方法，其特征在于所述的碳質還原劑碳質還原劑為焦炭、木炭，焦炭中含固定碳81%以上；木炭中含固定碳77%以上。全文摘要本發(fā)明涉及一種用碳熱還原法制備鈦硅鋁合金的方法，其特征在于以含鈦渣、含鈦礦或含鈦渣和含鈦礦的混合物為含鈦原料，加入碳質還原劑混合磨細；再加入粘結劑混合、制備成含鈦球團并烘干；將含鈦球團、硅石和碳質還原劑按成品所需比例混合配制批料；將配制的批料置于礦熱電弧爐內進行冶煉，得到鈦硅鋁合金成品。本發(fā)明用含鈦廢渣或者尾礦，采用碳熱還原法在礦熱電弧爐內直接制取鈦硅鋁合金，降低了生產成本和能源消耗，對綜合利用含鈦渣和含鈦礦具有重要的意義。文檔編號C22B5/00GK101298642SQ20081001186公開日2008年11月5日申請日期2008年6月16日優(yōu)先權日2008年6月16日發(fā)明者吳文遠,孫樹臣,莊艷歆,涂贛峰,雪邊,邢鵬飛,波高申請人:東北大學