用等離子炭還原氧化物煉鈦或鈦合金的新工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于等離子冶金技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用等離子炭還原二氧化鈦等氧化物煉鈦或鈦合金的新工藝。
【背景技術(shù)】
[0002]鈦和鈦合金由于強(qiáng)度高、重量輕、耐腐蝕，成為航天航空的首選材料。目前市場上供應(yīng)的鈦或鈦合金錠都是由鎂還原四氯化鈦或由鈉還原四氧化鈦取得的，兩種方法都要經(jīng)過數(shù)天時(shí)間，還原后得到的海綿體鈦經(jīng)蒸餾、濾取或經(jīng)噴氬吹洗以去除海綿體中剩余反應(yīng)物。然后將海綿體破碎或研磨成小顆粒，或在小顆粒中加入合金化元素制成自耗電極，再經(jīng)一次或多次溶化成為鈦或鈦合金錠。因此，現(xiàn)在生產(chǎn)鈦或鈦合金企業(yè)，要建許多車間，包括:還原、蒸餾、濾取、或吹氬次洗、破碎研磨、電極制造等。工序繁雜，規(guī)模小，能耗高，占用勞動(dòng)力多，污染重，并且還原劑、鎂鈉原料昂貴，所以造成生產(chǎn)成本高，不能滿足社會需求。如果還原劑能不用昂貴鈉鎂原料，以及采用工序簡單的大規(guī)模生產(chǎn)新工藝取代，則生成成本就會降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，而提供一種用等離子炭還原氧化物煉鈦或鈦合金的新工藝，改變用鎂或鈉還原四氧化鈦的繁雜工藝，使鈦生產(chǎn)工藝簡化，加上不用昂貴的鎂、鈉作還原劑，而用炭作還原劑，使鈦生產(chǎn)成本大大降低。
[0004]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
一種用等離子炭還原氧化物煉鈦或鈦合金的新工藝，用工業(yè)純二氧化鈦粉或工業(yè)純二氧化鈦粉與合金元素氧化物粉，配比按化學(xué)反應(yīng)式所需炭粉，再加粘接劑混勻擠壓成型烘干，成為爐料自耗電極，與造渣劑一起裝入封閉直流電爐內(nèi)通電，電極底端產(chǎn)生5000°C以上等離子弧區(qū)，把爐料自耗電極熔煉成鈦或鈦合金液落入鉀鈉或水冷銅坩堝內(nèi)或耐火材料爐缸內(nèi)，由虹吸管連續(xù)或定期自動(dòng)抽入封閉鑄錠室冷卻成錠，得到無偏析、無C、H2、02、N2的優(yōu)質(zhì)純金屬鈦錠或鈦合金錠。
[0005]傳統(tǒng)復(fù)雜的等離子發(fā)生器設(shè)在爐外耐高溫外殼內(nèi)，用載氣通過高能量密度的直流電弧區(qū)，成為等離子熱載氣噴入爐內(nèi)供熔煉。本發(fā)明直接用簡便的爐內(nèi)爐料自耗電極底端與爐底之間產(chǎn)生5000°C以上等離子炭弧區(qū)，供炭還原二氧化鈦等氧化物，還原成鈦或鈦合金，本經(jīng)濟(jì)，實(shí)用，易于推廣。
[0006]本發(fā)明的爐料自耗電極產(chǎn)生的等離子炭，今后也能應(yīng)用在高熔點(diǎn)金屬或金屬氧化物，包括Cr、T1、Er、W、Mo、Ta、Nb、S1、B......等氧化物，還原成純金屬或合金。
[0007]上述技術(shù)方案中，所述等離子炭還原包括:等離子炭還原二氧化鈦成純金屬鈦或等離子炭還原二氧化鈦與煉鈦合金所需的金屬元素氧化物或非金屬元素氧化物，煉成各種各樣所需鈦合金。
[0008]上述技術(shù)方案中，所述用工業(yè)純二氧化鈦粉或工業(yè)純二氧化鈦粉與合金元素氧化物粉，按化學(xué)反應(yīng)式配比所需炭粉，再加粘結(jié)劑混勻擠壓成型，是指擠壓成圓形、長方形或空心圓形等，當(dāng)作爐料自耗電極裝入上述形狀相適應(yīng)的鉀鈉或水冷銅坩堝模內(nèi)，通電熔煉成上述形狀鈦錠或鈦合金錠而節(jié)能。
[0009]上述技術(shù)方案中，所述的爐料自耗電極有兩種降低其內(nèi)電阻熱損失的方法:
①用電極夾持器夾中空石墨電極送電，中空石墨電極內(nèi)擠壓炭不足量的爐料自耗電極，使石墨電極和爐料自耗電極任何橫斷面的總炭量，都能不過剩的滿足氧化物爐料還原成鈦或鈦合金液；
②混勻爐料擠壓在鈦或鈦合金高熔點(diǎn)金屬板網(wǎng)柱內(nèi)，柱兩端裝螺母或螺桿成爐料自耗電極可接長，陽極導(dǎo)線接在電極頂端，螺桿夾持器供送電。
[0010]上述技術(shù)方案中，所述用等離子炭還原氧化物煉鈦是在封閉式鉀鈉或水冷銅坩堝內(nèi)，插入一根爐料自耗電極，按化學(xué)反應(yīng)式:Ti02+2C=Ti+2C0(1)
配工業(yè)純二氧化鈦粉、炭粉加上坩堝內(nèi)和坩堝壁上所需量的造渣劑成分是:48%CaO、48%AI203、4%Ti02，加粘結(jié)劑混勻擠壓成爐料自耗電極，通電后電極底端產(chǎn)生5000°C以上高溫區(qū)，電極中炭也氣化成雙電極炭蒸氣，懸浮在陽極與陰極之間成為等離子炭弧區(qū)，而氧化物爐料也被高能直流電離解成帶正電荷的金屬蒸氣或非金屬蒸氣向爐底匯集。帶負(fù)電荷的氧氣遇炭成C0排出爐外，爐料中的H2、02、N2也被高溫加熱體積膨脹變大，產(chǎn)生巨大浮力排出爐外，因爐渣中含有Ti02，高溫下防止Tie生成，所以能得到無偏折，無c、h2、02、n2的純金屬欽徒。
[0011]上述技術(shù)方案中，所述的用等離子炭還原氧化物煉鈦鐵合金是按化學(xué)反應(yīng)式 2Ti02+Fe203+7C=2FeTi+7C0(3)
用工業(yè)純二氧化鈦粉、三氧化二鐵粉、炭粉加粘結(jié)劑混勻擠壓成爐料自耗電極烘干，插入封閉式耐火材料爐缸，再加造渣劑48%Ca0、48%AI203、4% Fe203通直流電冶煉，產(chǎn)生熔點(diǎn)低的鈦鐵合金液，落入耐火材料砌造的爐缸內(nèi)，由爐缸底側(cè)壁虹吸管自動(dòng)連續(xù)或定期抽入爐旁封閉式鑄錠室，冷卻成無C、H2、02、N2的優(yōu)質(zhì)鈦鐵合金錠，并能連續(xù)大規(guī)模低成本生產(chǎn)。
[0012]上述技術(shù)方案中，所述的用等離子炭還原氧化物煉鈦鋁合金，例如煉航空發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用的先進(jìn)材料，31.17%A1、61.57%T1、0.38%S1、6.75%W，其化學(xué)反應(yīng)式:
A1203+3C=2AI+3C0 (3)
Ti0z+2C=Ti+2C0 (1)
Si0z+2C=Si+2C0 (4)
2/3W03+2C=2/3ff+2C0 (5)
配二氧化二招粉、二氧化鈦粉、二氧化娃粉、二氧化鶴粉、炭粉，加上相.禍內(nèi)和相■禍壁上造渣劑所需量48%CaO、48% Al203、4% Ti02粉加粘結(jié)劑混勻擠壓成所需形狀的爐料自耗電極烘干，裝入相適應(yīng)形狀的水冷銅坩堝內(nèi)，通電熔煉能得到無偏折、無C、H2、02、N2的優(yōu)質(zhì)鈦鋁合金錠。
[0013]其它航空航天、船艦車輛所需輕質(zhì)高強(qiáng)度耐腐蝕的不同化學(xué)成分的鈦合金，也可采用上述類似設(shè)備和方法熔煉。
[0014]優(yōu)點(diǎn)及效果:
1、生產(chǎn)工藝簡單:從爐料到煉成鈦錠只需一臺簡單的等離子電爐，就能取代傳統(tǒng)技術(shù)用鎂或鈉還原四氧化鈦爐，一級蒸餾、濾取或噴氬吹洗、破碎、研磨小顆粒制電極、一次或多次熔煉成鈦錠的方法。
[0015]2、產(chǎn)品質(zhì)量高，鈦錠中Η2、02、Ν2都比現(xiàn)有鈦錠低。
[0016]3、生產(chǎn)成本最低，因設(shè)備簡單生產(chǎn)周期短，規(guī)模大，勞力消耗少，廉價(jià)炭代替昂貴鈦或鈉，能耗低，成產(chǎn)成本大降。
[0017]4、環(huán)保好，僅用一臺封閉式電爐，排煙易處理，符合環(huán)保要求，無其它污染源。
[0018]5、社會效益大，輕質(zhì)耐腐蝕高強(qiáng)度鈦價(jià)大降后，能為航空、船艦、車輛減重而節(jié)省燃油消耗，減少地球污染源。
[0019]工作原理:
按物理化學(xué)知識，等離子實(shí)質(zhì)上是讓氣體具有很高能量而離子化，因此能導(dǎo)電，所有氣體在一大氣壓下用直流電加熱到5000°C — 30000°C時(shí)都能成為熱等離子體而導(dǎo)電，利用這種高能量密度的等離子熱氣焊接金屬已廣泛應(yīng)用。瑞典幾十年前就實(shí)驗(yàn)過等離子煉鐵法，許多學(xué)者也探討用等離子熱熔煉高熔點(diǎn)金屬和活潑金屬，但都把等離子發(fā)生器裝在爐外，需要耐高溫材料做外殼保護(hù)等離子發(fā)生器，造成材料難求，設(shè)備投資多，能耗損失大，沒有經(jīng)濟(jì)實(shí)用價(jià)值而停產(chǎn)。本發(fā)明取消傳統(tǒng)思維，首創(chuàng)等離子發(fā)生器在爐缸自耗電極底端，使設(shè)備簡單，熱量充分利用。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明生產(chǎn)工藝簡單，產(chǎn)品質(zhì)量最高，生產(chǎn)成本最低，環(huán)境保護(hù)好。
【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明等離子炭還原二氧化鈦等氧化物煉鈦或煉鈦鋁合金電爐生產(chǎn)原理不意圖；
圖2為本發(fā)明等離子炭還原二氧化鈦和三氧化二鐵連續(xù)煉鈦鐵合金電爐示意圖；
圖3為本發(fā)明金屬板網(wǎng)柱導(dǎo)電的爐料自耗電極縱剖面示意圖。
[0021]附圖標(biāo)記說明:
1-爐料自耗電極，2-中空石墨電極，3-煙囪，4-爐蓋，5-絕緣層，6-爐渣，7-金屬液，8-渣皮，9-固體金屬錠，10-鉀鈉或水冷銅坩堝，11-陽極底板，12-進(jìn)水口，13-出水口，14-變壓器，15-電纜連接夾，16-爐料自耗電極，17-耐火材料，18-鑄錠室，19-虹吸管，20-鑄錠室蓋，21-錠模，22-鑄模底板旋轉(zhuǎn)軸，23-水冷銅導(dǎo)電環(huán)圈爐壁，24-金屬板網(wǎng)柱頂螺桿，25-金屬板網(wǎng)柱，26-金屬板網(wǎng)柱底螺母，27-氣壓調(diào)節(jié)閥，28-電極夾持器。
【具體實(shí)施方式】
[0022]一種用等離子炭還原氧化物煉鈦或鈦合金的新工藝，用工業(yè)純二氧化鈦粉或工業(yè)純二氧化鈦粉與合金元素氧化物粉，配比按化學(xué)反應(yīng)式所需炭粉，再加粘接劑混勻擠壓成型烘干，成為爐料自耗電極，與造渣劑一起裝入封閉直流電爐內(nèi)通電，電極底端產(chǎn)生5000°C以上等離子弧區(qū)，把爐料自耗電極熔煉成鈦或鈦合金液落入鉀鈉或水冷銅坩堝內(nèi)或耐火材料爐缸內(nèi)，由虹吸管連續(xù)或定期自動(dòng)抽入封閉鑄錠室冷卻成錠，得到無偏析、無C、H2、02、N2的優(yōu)質(zhì)純金屬鈦錠或鈦合金錠。
[0023]傳統(tǒng)復(fù)雜的等離子發(fā)生器設(shè)在爐外耐高溫外殼內(nèi)，用載氣通過高能量密度的直流電弧區(qū)，成為等離子熱載氣噴入爐內(nèi)供熔煉。本發(fā)明直接用簡便的爐內(nèi)爐料自耗電極底端與爐底之間產(chǎn)生5000°C以上等離子炭弧區(qū)，供炭還原二氧化鈦等氧化物，還原成鈦或鈦合金。經(jīng)濟(jì)，實(shí)用，易于推廣。
[0024]本發(fā)明的爐料自耗電極產(chǎn)生的等離子炭，今后也能應(yīng)用在高熔點(diǎn)金屬或金屬氧化物，包括Cr、T1、Er、W、Mo、Ta、Nb、S1、B......等氧化物，還原成純金屬或合金。
[0025]上述等離子炭還原包括:等離子炭還原二氧化鈦成純金屬鈦或等離子炭還原二氧化鈦與煉鈦合金所需的金屬元素氧化物或非金屬元素氧化物，煉成各種各樣所需鈦合金。
[