本发明涉及冶金工程领域，尤其是一种焊接材料用钛系原料及其制备方法。
背景技术：
焊接材料由焊芯和药皮组成，焊芯在焊接过程中熔融后与母材结合起到连接作用，药皮由多种矿物、合金以及化工产品细颗粒混合而成，主要包括稳弧剂、造渣剂、造气剂、增塑剂和稀释剂；焊接时药皮形成焊接熔渣，焊接熔渣会与金属液体发生一系列的物理化学反应，在很大程度上决定了焊缝的质量和性能，对碳、硫、磷等杂质元素有较高要求。
碳对焊缝是有害元素，碳的含量越高，焊缝出现气孔和裂缝的倾向越大。碳含量过高可能引起碳的严重偏析，并易产生结晶焊缝，使焊缝的冲击韧性和塑性急剧下降，同时碳氧化后会产生大量一氧化碳，容易引起飞溅或留在焊缝中形成气孔，因此在一般焊接材料中，碳的含量越低越好。
硫在钢中一般以mns和fes这两种化合物的形态存在，既能熔解于熔渣，也能熔于钢液中。fes的熔点为1193℃，而fes和fe形成共晶的熔点只有958℃，fe、fes、feo形成的共晶熔点更低，是促使焊缝产生热裂缝和热脆性的主要原因之一。硫化物夹杂易降低焊缝的机械性能，特别是对塑性和韧性不利。硫还会使焊缝产生气孔，使焊缝的抗腐蚀性能降低。此外，硫极易产生偏析，焊缝中加强硫偏析的元素含量越高，硫对焊缝的危害越大。
磷在钢中主要以fep的形式存在，也能与fe形成共晶。磷的偏析作用很强，会引起焊缝内金属不均匀，并且碳的含量越高，磷的分布不均匀性就越大。磷的主要危害是产生脆化作用，使钢的韧性显著降低，尤其在低温时更为明显。因此，低碳钢焊缝金属中含磷量应限制在w(p)0.045％以下，合金钢焊缝金属中含磷量应限制在w(p)0.035％以下。
在焊接材料中，钛系原料对提高焊接材料的引弧性能、稳定电弧、造渣和改善焊缝形成等综合性能有显著的促进作用，在焊接过程中形成熔渣后可保护熔滴金属和焊接熔池，改善熔渣的流动性和焊缝的成型性能。因此，合理选择焊接材料的钛系原料是提高焊缝金属的质量、减小焊缝中有害杂质的含量、减小有益合金元素的烧损、使焊缝金属得到合适的化学成分的关键步骤。目前，焊接材料中所使用的钛系原料主要有天然金红石、人造金红石和还原钛铁矿三类，而天然金红石价格高、资源匮乏；人造金红石生产工艺复杂、价格高、产品质量稳定性差；还原钛铁矿中tio2含量低、含钛物相呈锐钛型，碳、硫、磷等对焊接材料有害的杂质元素含量过高。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是：提供一种利用攀枝花钛精矿制得的焊接材料用钛系原料，碳、硫、磷等有害杂质元素含量低、原料来源充足、生产成本低。
为解决上述技术问题本发明所采用的技术方案是：焊接材料用钛系原料，所述钛系原料按重量百分比计包括以下组分：tio2≥70％、c≤0.03％、s≤0.03％、p≤0.01％；含钛物相为金红石型。
进一步的是：所述钛系原料中各组分的粒度在0.075mm～0.425mm范围内的比例＞90％。
本发明还提供了制备上述焊接材料用钛系原料的方法，包括以下步骤：
a、电炉冶炼
将还原剂和tio2≥45％的钛精矿加入冶炼电炉，经过高温作用得到tio2≥74％的酸溶性钛渣；
b、破碎筛分
将酸溶性钛渣经过快速冷却、破碎、筛分，对钛渣进行粒度优选；
c、高温焙烧
将经过筛分的酸溶性钛渣经过高温焙烧处理，使酸溶性钛渣中的含钛物相结构由锐钛型转变为金红石型。
进一步的是：所述步骤a中的还原剂为焦炭或无烟煤。
进一步的是：所述步骤b中优选出粒度为40目～160目的钛渣。
进一步的是：所述步骤c中高温焙烧的温度为850℃～1200℃。
进一步的是：所述步骤c中高温焙烧的方式为流态化焙烧、微波加热焙烧、回转窑加热焙烧、倒焰窑加热焙烧、推板窑加热焙烧或馒头窑加热焙烧。
本发明的有益效果是：利用攀枝花出产的tio2≥45％的钛精矿来制备焊接材料用钛系原料，在高温中利用还原剂将钛精矿中的feo还原成金属fe，使tio2富积在渣中，渣、铁分离得到tio2含量高的酸溶性钛渣，再对钛渣进行冷却、破碎、筛分，选取粒度符合要求的钛渣经过高温焙烧，将钛渣中的含钛物相由锐钛型转变为金红石型，有利于焊接材料的引弧、稳定电弧，造渣和改善焊缝成形，能有效提高焊缝质量；大幅度降低了钛渣中有害杂质元素的含量，得到的钛系原料杂质含量低、产品质量稳定，且生产工艺简单、生产效率高、生产成本低、推广前景好。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面结合实施例对本发明进行进一步的说明。
本发明提供了一种焊接材料用钛系原料，所述钛系原料按重量百分比计包括以下组分：tio2≥70％、c≤0.03％、s≤0.03％、p≤0.01％；含钛物相为金红石型。本钛系原料中碳、硫、磷此类对焊接有害的杂质元素含量较低，远低于还原钛铁矿中有害杂质元素的含量，满足焊接材料对钛系原料的要求。
钛系原料中粒度在0.075mm～0.425mm范围内的组分的比例＞90％，且在制备过程中要进行筛选，粒度可根据焊接材料对钛系原料的要求进行调节。
本发明选用攀枝花产的钛精矿作为制备的原料，攀枝花的钛精矿产量占全国的90％以上，原料来源充足。
本发明所述的焊接材料用钛系原料的制备方法包括以下步骤：
a、电炉冶炼
将还原剂和tio2≥45％的钛精矿加入冶炼电炉，还原剂为焦炭或无烟煤，经过高温作用，钛精矿中的feo被c还原成金属fe，从而可方便的将铁和渣进行分离，而tio2富积在渣中，将铁和渣分离后得到tio2≥74％的酸溶性钛渣；
b、破碎筛分
将酸溶性钛渣经过快速冷却、破碎、筛分，对钛渣进行粒度优选，选取粒度为40目～160目的钛渣进入后续工艺流程，此步骤筛选后剩余的细粒级钛渣可用于硫酸法钛白粉生产，能降低硫酸法钛白粉生产过程中对钛渣的细磨时间，节约生产成本；
c、高温焙烧
将经过筛分的酸溶性钛渣经过高温焙烧处理，焙烧时温度为850℃～1200℃，主要目的是改变酸溶性钛渣中含钛物相结构，使酸溶性钛渣中的含钛物相结构由锐钛型转变为金红石型，同时会大幅度降低酸溶性钛渣中碳、硫、磷此类有害杂质元素的含量，使其达到焊接材料的要求。高温焙烧的焙烧方式可选用流态化焙烧、微波加热焙烧、回转窑加热焙烧、倒焰窑加热焙烧、推板窑加热焙烧或馒头窑加热焙烧；本发明中优流态化焙烧、回转窑加热焙烧和微波加热焙烧。
实施例1
选取主要化学成分如表1的攀枝花产钛精矿：
表1实施例1钛精矿主要化学成分
将上述钛精矿和焦炭一起送入12.5mw钛渣电炉中，经过冶炼得到酸溶性钛渣，其主要化学成分见表2：
表2实施例1酸溶性钛渣主要化学成分
酸溶性钛渣从电炉出渣后，经过快速冷却后进行破碎，然后进行粒度优选，选取40～160目的钛渣备用，剩余钛渣装袋后送至钛白粉生产企业用于硫酸法钛白粉生产。选用流态化反应器作为高温焙烧的工具，将选取出的40～160目的钛渣加入反应器高温料仓进行流态化焙烧，控制流态化反应器焙烧温度为850～1200℃，气速为0.3～0.7m/s，物料平均停留时间为1.0～2.5h，经过高温焙烧的钛渣自然冷却后即得到成品的焊接材料用钛系原料，成品的主要化学成分见表3：
表3实施例1成品钛系原料主要化学成分
实施例2
选取主要化学成分如表4的攀枝花产钛精矿：
表4实施例2钛精矿主要化学成分
将上述钛精矿和焦炭一起送入12.5mw钛渣电炉中，经过冶炼得到酸溶性钛渣，其主要化学成分见表2：
表2实施例2酸溶性钛渣主要化学成分
酸溶性钛渣从电炉出渣后，经过快速冷却后进行破碎，然后进行粒度优选，选取40～160目的钛渣备用，剩余钛渣装袋后送至钛白粉生产企业用于硫酸法钛白粉生产。选用微波反应器作为高温焙烧的工具，将选取出的40～160目的钛渣进行微波加热焙烧，控制焙烧温度为850～1200℃，物料平均停留时间为1.5～3.0h，经过高温焙烧的钛渣自然冷却后即得到成品的焊接材料用钛系原料，成品的主要化学成分见表6：
表6实施例2成品钛系原料主要化学成分