[发明专利]一种基于铝热自蔓延-喷吹深度还原制备金属钛的方法

说明书

技术领域

本发明属于金属钛冶炼技术领域，特别涉及一种基于铝热自蔓延-喷吹深度还原制备金属钛的方法。

背景技术

钛被誉为继铁和铝之后的第三大金属，是国家经济发展和国防建设不可替代的战略物质，广泛应用在航空、化工、兵器、核工业、运动器材、医疗及新能源等领域。例如，一架波音B787飞机用钛量达到136吨，一架空客A380用钛量将达到146吨。一架F-22用钛36吨，前苏联“台风”级核潜艇每艘用钛量高达9000吨，年产100万吨的苛性纳电解槽用钛高达300-500吨，日产13万吨的MSF型海水淡化装置用钛1500吨。近年来3D打印技术已用于歼-15新机研制、F-22、F-35战机的钛合金整体承力框均采用3D打印技术实现，中国先进战机上的钛合金构件比例已超过20％，极大地推动金属钛的需求量。还原钛粉价格高达80万美元/吨。钛铝、钛铝钒合金仍旧是航空、航天、国防、军工等领域无法替代的高端金属结构功能材料，钛铝钒合金仍是目前唯一商业化的生物医用合金。含钛量65％～75％的高钛铁合金由于具有耐腐蚀、耐高温、耐磨、比重合适等优异的使用性能，其已成为冶炼特种钢、结构钢和特种合金的重要原材料，在航空、航天、兵器工业中有着不可替代的作用，其还广泛应用于石油、化工、机械、舰船、海洋、电力、医疗器件等民用工业。

现有钛及钛材应用的基本流程仍是以Kroll法为基础，即由钛矿→高钛渣→TiCl₄→海绵钛→钛材，该工艺存在着流程长、工艺复杂、能耗高、污染大等缺陷，严重限制了金属钛及钛合金的推广应用，开发低成本生产金属钛及其合金的清洁制备方法已然是国际研究的热点。围绕金属钛及钛合金制备方法先后提出了FFC法、直接热还原法、真空还原法等制备新方法，但该类方法存在诸多问题，离工业化还有相当距离。因此，探索规模化低成本生产金属钛及钛合金制备新方法仍然是国际界学术研究热点和难点。

发明内容

针对现有技术的不足，为解决现有以Kroll法为基础的金属钛利用流程存在的流程长、工艺复杂、能耗高、污染大等缺陷，本发明提供一种基于铝热自蔓延-喷吹深度还原制备金属钛的方法。即首先在还原剂铝不足时，采用铝热自蔓延还原工艺还原金红石或高钛渣得到高温熔体；以底吹方式向氧化铝基熔渣层喷吹CaF₂-CaO预熔渣，进行渣洗精炼，然后将得到高温熔体在中频感应炉中进行保温熔炼分离，形成上层为氧化铝基熔渣层，下层为金属钛熔体层；同时通过惰性载气携带以底吹的方式向高温金属钛熔体层中喷吹高温钙或镁蒸汽强还原剂，偏心机械搅拌，进行深度还原精炼；最后将高温熔体冷却至室温除去上部的熔炼渣，得到金属钛。

一种基于铝热自蔓延-喷吹深度还原制备金属钛的方法，具体包括以下步骤：

步骤1：物料预处理

将金红石或高钛渣：铝粉：造渣剂：KClO₃，按质量比1.0∶(0.50～0.54)∶(0.15～0.25)∶(0.20～0.25)分别称量；其中：

金红石或高钛渣，粒度≤1000μm；铝粉粒度≤5mm；造渣剂粒度≤2mm；KClO₃粒度≤2mm：

造渣剂为以下两种中的一种：

(1)按质量比10～25％的CaF₂，余量为CaO；

(2)按质量比10～25％的CaF₂，5～10％的Na₂O，余量为CaO；

将金红石或高钛渣，在550～700℃焙烧12～36h；造渣剂混合均匀后，在250～400℃焙烧8～16h；KClO₃在150～200℃干燥18～32h；

步骤2：铝热自蔓延还原

将物料混合均匀，放在自蔓延反应炉内，用镁粉点燃引发自蔓延反应得到高温熔体；

步骤3：电磁场作用下的熔分

将高温熔体经过高温导流管直接转移到中频感应炉中，同时启动电磁感应加热进行保温熔炼分离，保温温度1700～1900℃，保温时间5～10min，形成上层为氧化铝基熔渣层，下层为金属钛熔体层；

步骤4：熔渣喷吹还原精炼

放掉上层50％的氧化铝基熔渣后，进行偏心机械搅拌，搅拌转速50～120rpm，同时向氧化铝基熔渣层喷吹CaF₂-CaO预熔渣，进行渣洗熔炼，CaF₂-CaO预熔渣的质量为相对于未放渣前上层氧化铝基熔渣层质量的5～10％，喷吹后停止偏心机械搅拌，保温10～30min；