专利名称：：用碳热还原法制备钛硅铝合金的方法
技术领域：
：本发明属于材料科学领域，特别涉及一种用碳热还原法制备钛硅铝合金的方法。
背景技术：
：钛硅铝多元合金是一种新型铸造铝合金，具有良好的铸造工艺性能和高强度。传统生产钛硅铝多元合金的方法是采用熔融配制铸造而成，也就是兑掺法，将纯铝、纯钛先熔配成铝钛中间合金，再把铝钛和铝硅两个中间合金重熔配成钛硅铝合金。熔配法所需的纯金属，它们本身的冶炼就需要一个复杂的冶炼工艺过程，需要消耗大量的能源。为了生产纯铝，需经复杂的工艺流程，消耗巨额的能量，除去铝矿中的硅、钛等杂质，制得纯氧化铝，再熔盐电解获得纯铝。为了生产纯钛需去除钛矿物中的铝硅。在生产钛硅铝合金时，又通过几次重熔。该方法工艺流程长，工艺复杂，在金属冶炼和提纯过程中舍弃了大量的有价元素，故能耗高，成本贵，投资费用高，建设周期长。攀枝花地区蕴藏着极其丰富的钒钛磁铁矿，其中含有钛铁矿和钛晶石等含钛矿物，现阶段首先利用的是钛铁矿，攀枝花钢铁集团公司开采钒钛磁铁矿为原料，生产钢铁和钒产品，从选矿的尾矿中每年可回收50万吨含钛矿。此外，攀枝花钢铁集团公司每年还排放约300万吨的含钛高炉渣，至今己累计排放5000多万吨，不仅浪费了宝贵的钛资源，而且还严重污染环境。目前国家天然矿物资源日益短缺，原料价格不断上涨，通过从高炉钛渣和钛精矿中制取钛硅铝合金，可以节约资源，减少环境污染，降低钛硅铝合金的价格。目前这方面的研究还比较少。
发明内容针对现有钛硅铝合金生产方面的问题，本发明提供一种用碳热还原法制备钛硅铝合金的方法。利用含钛原料在矿热电弧炉内直接熔炼成含铝20~60%、含硅30~60%、含钛5~40%的钛硅铝合金、钛硅铝铁合金及以钛硅铝为基的其它合金。本发明的技术方案为1、以含钛渣、含钛矿或者含钛渣和含钛矿的混合物为含钛原料，以焦炭和木炭为碳质还原剂，将含钛原料和碳质还原剂混合，根据成品需要选择混合比例为含钛原料焦炭:木炭=5~14:2~3:1;然后采用球磨机磨成粒度小于lmm的粉料。2、将磨好的粉料加入粘结剂，放入混料机中混合4h，粘结剂为纸浆废液，加入量为粘结剂占全部物料总质量的10%;然后用制团机在压力大于17MPa下压制成球径为30~50mm的含钛球团，然后放入干燥机中烘干脱水，要求球团中的水分不超过1%。3、将烘干后的含钛球团、硅石、焦炭、木炭按成品所需比例混合配制批料，将配好的批料加入到交流或者直流矿热电弧炉中进行还原反应，冶炼过程为埋弧操作，操作电压为35V，电流为1500A，制备出钛硅铝合金，其中各成分所含总碳量为完全化学反应理论需要碳量的0.81.0倍；在矿热电弧炉中主要化学反应的方程式为A1203+3C=2A1+3C0tSi02+2C=Si+2CO个Ti02+2C=Ti+2COt4、每隔24小时从矿热电弧炉的铁口中放出钛硅铝合金液体，得到钛硅铝合金成品。本发明中的含钛渣是指钛铁渣、高炉钛渣等，含钛矿是指含钛尾矿(选铁尾矿、综合尾矿、选钛尾矿)、金红石、锐钛矿、钛铁矿、钛晶石、钛白粉等。本发明中的碳质还原剂为焦炭和木炭，焦炭中含固定碳81%以上；木炭中含固定碳77%以上。本发明中的钛硅铝合金成品根据需要可调节为含铝20~60%，含硅30~60%，含钛5~40%的钛硅铝合金、钛硅铝铁合金及以钛硅铝为基的其它合金。本发明用碳热还原法制备钛硅铝合金的方法，充分利用我国难以处理的含钛渣及含钛尾矿，将物料中的钛、铝和硅等有价金属通过制取钛硅铝合金而得以回收利用，变废为宝，实现了资源的综合回收利用，减少了环境污染。本发明直接由废渣或者尾矿，采用碳热还原法在矿热电弧炉内直接从含钛、含铝物中制取钛硅铝合金，原料成本低，简化了工作流程，制备过程简单，节约能源，固定投资少，降低了生产成本和能源消耗；本发明的碳热还原法是在矿热电弧炉中进行的立体反应，电能利用率可达80%，这是其它方法难以达到的。本发明的用碳热还原法制备钛硅铝合金的方法，制备的合金成分容易控制，通过调整含钛渣、含钛矿和硅石的配比，就可以制备出不同成分含量的钛硅铝合金。本发明对综合利用含钛渣和含钛矿具有重要的意义。具体实施例方式本发明实施选用攀枝花钢铁集团公司生产过程中排放的含钛渣和含钛矿作为含钛原料，其化学成分如表1所示。表1含钛渣和含钛矿的化学成分<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>本发明实施采用的硅石中主要成分质量百分比含量为SiOS98%。本发明实施采用的焦炭中含固定碳81%以上；木炭中含固定碳77%以上。本发明实施采用的纸浆废液为造纸r排放纸浆废液。实施例1:采用含钛渣为原料，其主要成分质量百分比含量为110222%，Si0223%，Al20313%。将含钛渣和碳质还原剂混合后磨成粒度小于lmm的粉料，其混合质量比例为含钛渣焦炭:木炭=14:3:1;然后在粉料中加入粘结剂纸浆废液，放入混合机中充分混合，其中纸浆废液加入量为物料总质量的10%;混合均匀后将物料放入对辊式造球机中，以大于17MPa压力压制成球径为3050mm度含钛球团；将获得的含钛球团放入干燥机中烘干脱水，脱水后的含钛球团水份小于1%。将脱水后的含钛球团，硅石，焦炭和木炭放入63KVA矿热电弧炉中进行冶炼，冶炼过程为埋弧操作，操作电压为35V，电流为1500A，其中含钛球团占物料总质量80%，硅石占物料总质量15%，焦炭占物料总质量的4%，木炭占物料总质量的1%;间隔2小时放出一次钛硅铝合金，获得的钛硅铝合金成分为钛40%，硅38%，铝20%，余量为Fe。实施例2:采用含钛渣为原料，其主要成分质量百分比含量为110213%，Al20375%。将含钛渣和碳质还原剂混合后磨成粒度小于lmm的粉料，其混合质量比例为含钛渣:焦炭:木炭=5:3:1;然后在粉料中加入粘结剂纸浆废液，放入混合机中充分混合，其中纸浆废液加入量为物料总质量的10%;混合均匀后将物料放入对辊式造球机中，以大于17MPa压力压制成球径为3050mm的含钛球团；将获得的含钛球团放入干燥机中烘干脱水，脱水后的含钛球团水份小于1%。将脱水后的含钛球团，硅石，焦炭和木炭放入63KVA矿热电弧炉中进行冶炼，冶炼过程为埋弧操作，操作电压为35V，电流为1500A，其中含钛球团占总质量50%，硅石占物料总质量35%，焦炭占物料总质量的10%，木炭占物料总质量的5%;间隔3小时放出一次钛硅铝合金，获得的钛硅铝合金成分为钛14%，硅44%，铝40%，余量为Fe。实施例3:用含钛矿和含钛渣的混合料为混合原料，其中含钛矿的主要成分质量百分比含量为Ti0212%，Si0235%，Al20313%，含钛渣的主要成分质量百分比含量为1^0218%，Al2O360%。将混合原料和碳质还原剂混合后磨成粒度小于lmm的粉料，其混合质量比例为含钛矿含钛渣:焦炭:木炭=3:3:2:1;然后在粉料中加入粘结剂纸浆废液，放入混合机中充分混合，其中纸浆废液加入量为物料总质量的10%;混合均匀后将物料放入对辊式造球机中，以大于17MPa压力压制成球径为3050mm的含钛球团；将获得的含钛球团放入干燥机中烘干脱水，脱水后的含钛球团水份小于1%。将脱水后的含钛球团，硅石，焦炭和木炭放入63KVA矿热电弧炉中进行冶炼，冶炼过程为埋弧操作，操作电压为35V，电流为1500A，其中含钛球团占物料总质量78%，硅石占物料总质量15%,焦炭占物料总质量的5%，木炭占物料总质量的2%;间隔4小时放出一次钛硅铝合金，获得的钛硅铝合金成分为钛30%，硅30%，铝39%，余量为Fe。实施例4:,采用含钛渣为原料，其主要成分质量百分比含量为Ti02l6X，Al2O370%。将含钛渣和碳质还原剂混合后磨成粒度小于lmm的粉料，其混合质量比例为含钛渣:焦炭:木炭=6:2:1;然后在粉料中加入粘结剂纸浆废液，放入混合机中充分混合，其中纸浆废液加入量为物料总质量的10%;混合均匀后将物料放入对辊式造球机中，以大于17MPa压力压制成球径为3050mm的含钛球团；将获得的含钛球团放入干燥机中烘干脱水，脱水后的含钛球团水份小于1%。将脱水后的含钛球团，硅石，焦炭和木炭放入63KVA矿热电弧炉中进行冶炼，冶炼过程为埋弧操作，操作电压为35V，电流为1500A，其中含钛球团占总质量50%，硅石占物料总质量35%，焦炭占物料总质量的10%，木炭占物料总质量的5%;间隔3小时放出一次钛硅铝合金，获得的钛硅铝合金成分为钛5%，硅34%，铝60%，余量为Fe。实施例5:采用含钛矿为原料，其主要成分质量百分比含量为110212%，Si0236%，Al2O310%。将含钛矿和碳质还原剂混合后磨成粒度小于lmm的粉料，其混合质量比例为含钛矿焦炭:木炭=13:3:1;然后在粉料中加入粘结剂纸浆废液，放入混合机中充分混合，其中纸浆废液加入量为物料总质量的10%;混合均匀后将物料放入对辊式造球机中，以大于17MPa压力压制成球径为3050mm的含钛球团；将获得的含钛球团放入干燥机中烘干脱水，脱水后的含钛球团水份小于1%。将脱水后的含钛球团，硅石，焦炭和木炭放入63KVA矿热电弧炉中进行冶炼，冶炼过程为埋弧操作，操作电压为35V，电流为1500A，其中含钛球团占物料总质量65%，硅石占物料总质量30%，焦炭占物料总质量的4%，木炭占物料总质量的1%;间隔2小时放出一次钛硅铝合金，获得的钛硅铝合金成分为钛15%，硅60%，铝24%，余量为Fe。实施例6:采用含钛矿为原料，其主要成分质量百分比含量为11025%，Si0244%，Al20313%。将含钛矿和碳质还原剂混合后磨成粒度小于lmm的粉料，其混合质量比例为含钛矿焦炭:木炭=8:3:1;然后在粉料中加入粘结剂纸浆废液，放入混合机中充分混合，其中纸浆废液加入量为物料总质量的10%;混合均匀后将物料放入对辊式造球机中，以大于17MPa压力压制成球径为3050mm的含钛球团；将获得的含钛球团放入干燥机中烘干脱水，脱水后的含钛球团水份小于1%。将脱水后的含钛球团，硅石，焦炭和木炭放入63KVA矿热电弧炉中进行冶炼，冶炼过程为埋弧操作，操作电压为35V，电流为1500A，其中含钛球团占物料总质量80%，硅石占物料总质量15%，焦炭占物料总质量的4%，木炭占物料总质量的1%;间隔2小时放出一次钛硅铝合金，获得的钛硅铝合金成分为钛6%，硅60%，铝33%，余量为Fe。权利要求1、一种用碳热还原法制备钛硅铝合金的方法，其特征在于包括以下步骤(1)以含钛渣、含钛矿或者两者的混合物为含钛原料，焦炭和木炭为碳质还原剂，将含钛原料和碳质还原剂混合，混合比例为含钛原料∶焦炭∶木炭＝5～14∶2～3∶1；磨成粒度小于1mm的粉料；(2)将磨好的粉料加入粘结剂，粘结剂的加入量占物料总质量的10％；然后进行混合，在压力大于17Mpa的条件下压制成球径为30～50mm的含钛球团，然后烘干脱水，球团中的水分不超过1％；(3)将含钛球团、硅石、焦炭、木炭按成品所需比例配制批料，将配好的批料置于到反应炉中进行还原反应，每隔2～4小时出炉，冶炼出钛硅铝合金。2、根据权利要求1所述的用碳热还原法生产钛硅铝合金的方法，其特征在于所述的含钛渣和含钛矿含钛渣是指钛铁渣、高炉钛渣等；含钛矿包括含钛尾矿、金红石、锐钛矿、钛铁矿、钛晶石、钛白粉等。3、根据权利要求1所述的用碳热还原法生产钛硅铝合金的方法，其特征在于所述的反应炉及其操作使用的反应炉是直流或交流矿热电弧炉，冶炼过程为埋弧操作。4、根据权利要求1所述的用碳热还原法生产钛硅铝合金的方法，其特征在于所述的配制批料含钛球团、硅石、焦炭和木炭配制批料是采用亏碳配方，其各成分所含总碳量为完全化学反应理论需要碳量的0.8~1.0倍。5、根据权利要求1所述的用碳热还原法生产钛硅铝合金的方法，其特征在于所述的钛硅铝合金成品用碳热还原法在矿热电弧炉中生产含铝20~60%，含硅30~60%，含钛5~40%的钛硅铝合金、钛硅铝铁合金及以钛硅铝为基的其它合金。6、根据权利要求1所述的用碳热还原法生产钛硅铝合金的方法，其特征在于所述的碳质还原剂碳质还原剂为焦炭、木炭，焦炭中含固定碳81%以上；木炭中含固定碳77%以上。全文摘要本发明涉及一种用碳热还原法制备钛硅铝合金的方法，其特征在于以含钛渣、含钛矿或含钛渣和含钛矿的混合物为含钛原料，加入碳质还原剂混合磨细；再加入粘结剂混合、制备成含钛球团并烘干；将含钛球团、硅石和碳质还原剂按成品所需比例混合配制批料；将配制的批料置于矿热电弧炉内进行冶炼，得到钛硅铝合金成品。本发明用含钛废渣或者尾矿，采用碳热还原法在矿热电弧炉内直接制取钛硅铝合金，降低了生产成本和能源消耗，对综合利用含钛渣和含钛矿具有重要的意义。文档编号C22B5/00GK101298642SQ20081001186公开日2008年11月5日申请日期2008年6月16日优先权日2008年6月16日发明者吴文远,孙树臣,庄艳歆,涂赣峰,雪边,邢鹏飞,波高申请人:东北大学