[发明专利]用等离子炭还原氧化物炼钛或钛合金的新工艺

说明书

技术领域

本发明属于等离子冶金技术领域，具体涉及一种用等离子炭还原二氧化钛等氧化物炼钛或钛合金的新工艺。

背景技术

钛和钛合金由于强度高、重量轻、耐腐蚀，成为航天航空的首选材料。目前市场上供应的钛或钛合金锭都是由镁还原四氯化钛或由钠还原四氧化钛取得的，两种方法都要经过数天时间，还原后得到的海绵体钛经蒸馏、滤取或经喷氩吹洗以去除海绵体中剩余反应物。然后将海绵体破碎或研磨成小颗粒，或在小颗粒中加入合金化元素制成自耗电极，再经一次或多次溶化成为钛或钛合金锭。因此，现在生产钛或钛合金企业，要建许多车间，包括：还原、蒸馏、滤取、或吹氩次洗、破碎研磨、电极制造等。工序繁杂，规模小，能耗高，占用劳动力多，污染重，并且还原剂、镁钠原料昂贵，所以造成生产成本高，不能满足社会需求。如果还原剂能不用昂贵钠镁原料，以及采用工序简单的大规模生产新工艺取代，则生成成本就会降低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：解决上述现有技术存在的问题，而提供一种用等离子炭还原氧化物炼钛或钛合金的新工艺，改变用镁或钠还原四氧化钛的繁杂工艺，使钛生产工艺简化，加上不用昂贵的镁、钠作还原剂，而用炭作还原剂，使钛生产成本大大降低。

本发明采用的技术方案是：

一种用等离子炭还原氧化物炼钛或钛合金的新工艺，用工业纯二氧化钛粉或工业纯二氧化钛粉与合金元素氧化物粉，配比按化学反应式所需炭粉，再加粘接剂混匀挤压成型烘干，成为炉料自耗电极，与造渣剂一起装入封闭直流电炉内通电，电极底端产生5000℃以上等离子弧区，把炉料自耗电极熔炼成钛或钛合金液落入钾钠或水冷铜坩埚内或耐火材料炉缸内，由虹吸管连续或定期自动抽入封闭铸锭室冷却成锭，得到无偏析、无C、H₂、O₂、N₂的优质纯金属钛锭或钛合金锭。

传统复杂的等离子发生器设在炉外耐高温外壳内，用载气通过高能量密度的直流电弧区，成为等离子热载气喷入炉内供熔炼。本发明直接用简便的炉内炉料自耗电极底端与炉底之间产生5000℃以上等离子炭弧区，供炭还原二氧化钛等氧化物，还原成钛或钛合金，本经济，实用，易于推广。

本发明的炉料自耗电极产生的等离子炭，今后也能应用在高熔点金属或金属氧化物，包括Cr、Ti、Er、W、Mo、Ta、Nb、Si、B……等氧化物，还原成纯金属或合金。

上述技术方案中，所述等离子炭还原包括：等离子炭还原二氧化钛成纯金属钛或等离子炭还原二氧化钛与炼钛合金所需的金属元素氧化物或非金属元素氧化物，炼成各种各样所需钛合金。

上述技术方案中，所述用工业纯二氧化钛粉或工业纯二氧化钛粉与合金元素氧化物粉，按化学反应式配比所需炭粉，再加粘结剂混匀挤压成型，是指挤压成圆形、长方形或空心圆形等，当作炉料自耗电极装入上述形状相适应的钾钠或水冷铜坩埚模内，通电熔炼成上述形状钛锭或钛合金锭而节能。

上述技术方案中，所述的炉料自耗电极有两种降低其内电阻热损失的方法：

①用电极夹持器夹中空石墨电极送电，中空石墨电极内挤压炭不足量的炉料自耗电极，使石墨电极和炉料自耗电极任何横断面的总炭量，都能不过剩的满足氧化物炉料还原成钛或钛合金液；

②混匀炉料挤压在钛或钛合金高熔点金属板网柱内，柱两端装螺母或螺杆成炉料自耗电极可接长，阳极导线接在电极顶端，螺杆夹持器供送电。

上述技术方案中，所述用等离子炭还原氧化物炼钛是在封闭式钾钠或水冷铜坩埚内，插入一根炉料自耗电极，按化学反应式：TiO₂+2C=Ti+2CO（1）

配工业纯二氧化钛粉、炭粉加上坩埚内和坩埚壁上所需量的造渣剂成分是：48%CaO、48%AI₂O₃、4%TiO₂，加粘结剂混匀挤压成炉料自耗电极，通电后电极底端产生5000℃以上高温区，电极中炭也气化成双电极炭蒸气，悬浮在阳极与阴极之间成为等离子炭弧区，而氧化物炉料也被高能直流电离解成带正电荷的金属蒸气或非金属蒸气向炉底汇集。带负电荷的氧气遇炭成CO排出炉外，炉料中的H₂、O₂、N₂也被高温加热体积膨胀变大，产生巨大浮力排出炉外，因炉渣中含有TiO₂，高温下防止TiC生成，所以能得到无偏折，无C、H₂、O₂、N₂的纯金属钛锭。

上述技术方案中，所述的用等离子炭还原氧化物炼钛铁合金是按化学反应式