一种钛铁矿制备的碳化钛及冶炼工艺、及其应用
【技术领域】
[0001]本发明属于冶金技术领域，尤其涉及一种钛铁矿制备的碳化钛及冶炼工艺、及其应用。
【背景技术】
[0002]钛铁矿(FeT13)的理论T12含量为52.63%，在自然界中，钛铁矿分为岩矿和砂矿两大类，从岩矿中选出的钛铁矿品位(Ti02) —般为42?48 %，而从砂矿中选得的钛铁矿品位(T12)—般为50?64%。我国攀枝花-西昌地区(即攀西地区)蕴藏着丰富的钛铁矿资源，每年攀西地区钛资源经选矿法回收的钛铁矿精矿达到30万吨，但由于攀西地区钛铁矿精矿属于岩矿型钛铁矿，结构致密，氧化镁含量高，品位低，至今仍未开发出一条适合该资源特点的有效途径。
[0003]碳化钛具有NaCl型立方晶系结构，晶胞参数是0.4327nm，空间群为Fm3m，具有高熔点、高硬度、耐磨、耐腐蚀的特点，同时还具有良好的导热性、导电性和化学稳定性。目前国内外制备碳化钛的方法主要有碳热还原T12法、直接反应法、溶胶凝胶法、微波合成法、机械球磨法、化学气相沉积法和钛铁矿直接碳热还原法等。专利CN101734660A中公开了一种微波合成纳米级碳化钛的方法，将二氧化钛和乙炔炭黑烘干后，按照料:锆球子:无水乙醇=1:1?5: 3?6的质量比球磨混勾，烘干，利用微波加热合成纳米级碳化钛。专利CN101734660A中公开了一种真空碳热还原制备碳化钛粉的方法，采用真空冶金的方法，以二氧化钛和碳为原料，钛白粉和碳粉的质量比为20:9?21，经破碎，压块后放入真空炉内，以10°C/min?15°C/min的升温速率加热至1300°C?1600°C，保温2?10小时，炉内压力为1pa?lOOPa，制得超细碳化钛粉。专利CN101871070A中公开了一种利用攀枝花钛铁矿为原料，在碳热、铝热还原的基础上采用热压烧结工艺直接制备低成本Al203/Ti(C，N)/Fe金属陶瓷复合材料的方法。其缺点是制备的金属陶瓷复合材料中不可避免Mg、S1、Mn、Ca等杂质。采用储量丰富的攀枝花钛铁矿为原料制备碳化钛，相比于其他制备方法成本更加低廉，其主要的技术难题在于如何除去钛铁矿中的主要杂质元素镁、锰、硅和钙等。本发明利用真空条件下，杂质元素镁、硅、锰和钙能被碳粉还原成相应气态物质从攀枝花钛铁矿中分离出来的特点，开发了真空碳热还原钛铁矿制备碳化钛粉末的新方法。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种钛铁矿制备的碳化钛及冶炼工艺、及其应用。本发明采用钛铁矿作为原料，降低了制备成本;并通过工艺的合理设计有效降低了还原产物中的杂质元素，使材料性能得以提升。
[0005]为实现上述目的本发明采用的技术方案如下。
[0006]—种钛铁矿制备碳化钛的真空冶炼工艺，此工艺所用原材料为钛铁矿和碳粉，将其混料均匀后，压制成块，在真空炉中进行碳热还原反应，得到铁和碳化钛粉末，溶液浸出得到碳化钛粉末。
[0007]此工艺优选的技术方案为，所述碳热还原反应的温度为1200°C?1700°C，时间2?10小时。
[0008]此工艺优选的技术方案为，所述真空炉的压力保持为IPa?200Pa。
[0009]此工艺优选的技术方案为，所述工艺包括以下步骤:
[0010]I)将原料钛铁矿和碳粉按质量比38:12?15称重配比，放入球磨机中球磨混匀；[0011 ] 2)将球磨后的原料在150Mpa?250Mpa压力下，压样成块；
[0012]3)将块料放入真空炉内，升温至1200 0C?1700 V，保温2?1小时，使物料发生真空碳热还原反应，真空炉压力保持在IPa?200Pa ；
[0013]4)将步骤(3)得到的产物用酸或三氯化铁溶液浸出，得到碳化钛粉末。
[0014]5.根据权利要求4所述钛铁矿制备碳化钛的冶炼工艺，其特征在于，步骤I)中所述球磨工艺为，球磨机转速为200?500rpm，球磨时间2?10小时。
[0015]上述工艺中，物料发生真空碳热还原反应，从而除去了钛铁矿中的杂质元素镁、硅、锰和钙。杂质元素镁、硅、锰和钙在真空条件下被碳粉还原成气态物质从原料中分离出来，冷凝在抽滤瓶中形成Mg2Si04、Mn0和CaO。
[0016]此工艺优选的技术方案为，所述碳热还原反应的工艺为，以5?15°C/min的速率升温至12000C?17000C，保温2?10小时，然后以5?15°C/min的速率降至室温。
[0017]此工艺优选的技术方案为，步骤4)中所述酸为盐酸、硫酸中的一种。
[0018]此工艺优选的技术方案为，所述碳粉为木炭、活性炭、石墨、石油焦、煤炭、炭黑中的一种或几种的组合。
[0019]本发明还涉及上述工艺制备的碳化钛，所述碳化钛的纯度大于98%，粒度小于10μmD
[0020]本发明还涉及上述工艺的应用，所述碳热还原反应后，得到的铁和碳化钛粉末，直接用于制备Fe-T i C复合材料。
[0021]本发明具有如下的有益效果:
[0022]1、本发明采用钛铁矿为原料，相比于其他制备方法成本更加低廉，有利于我国丰富的钛铁矿资源的利用与开发；
[0023]2、本发明采用真空冶炼的工艺，在IPa?200Pa条件下，在1200°C?1700°C碳热还原2?10小时，将钛铁矿中的杂质元素镁、硅、锰和钙还原分离出来，降低了还原产物中杂质元素的含量。
[0024]3、本发明利用酸或三氯化铁溶液，将还原产物铁和碳化钛粉末浸出，得到了超细碳化钛粉末，其纯度I 98wt%。还原产物也可直接制备Fe-TiC复合材料。
【具体实施方式】
[0025]下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
[0026]实施例1:将攀枝花钛铁矿和活性炭按照质量比38: 15称料，钛铁矿成分为:42.47%Fe0,46.22%Ti02,3.99%Mg0,4.15%Si02a.60%Al203,0.76%Mn0,0.61%Ca0o)lt原料放入球磨机中球磨2小时，球磨机转速为350rpm，使钛铁矿和活性炭充分混匀。将球磨后的原料在230Mpa压力下，用压样机压制成Φ 1.8cm X 0.5cm的圆柱状块料，将块料放入放入真空炉内，以5°C/min的升温速率加热至1500°C，保温2小时，然后以5°C/min的降温速率降至室温，期间真空炉压力保持在100?200Pa。实验过程中，攀枝花钛铁矿中的杂质元素镁、硅、锰和钙在真空条件下被活性炭还原成气态物质从原料中分离出来，冷凝在抽滤瓶中形成Mg2S1^MnO和CaO。碳热还原反应结束后，还原产物中杂质元素镁的含量由原矿中的3.99%降低到0.0327%，杂质元素硅由原矿中的4.15%降低到0.7836%，杂质元素锰由原矿中的0.76 %降低到0.1704%，杂质元素钙由原矿中的0.61%降低到0.2857 %。将得到的还原产物铁和碳化钛粉末用0.5mol/L的三氯化铁溶液浸出，得到了纯度2 98%的碳化钛粉末，碳化钛粒度小于I Oym。
[0027]实施例2:将攀枝花钛铁矿和石墨按照质量比38:12称料，钛铁矿成分为:42.47 %Fe0，46.22%Ti02，3.99%Mg0，4.15%Si02，1.60%Al203，0.76%Mn0，0.61%Ca0。将原料放入球磨机中球磨5小时，球磨机转速为300rpm，使钛铁矿和石墨充分混匀。将球磨后的原料在230Mpa压力下，用压样机压制成Φ 1.8cm X 0.5cm的圆柱状块料，将块料放入真空炉内，以5°C/min的升温速率加热至1600°C，保温3小时，然后以5°C/min的降温速率将至室温，期间真空炉压力保持在I?lOOPa。实验过程中，攀枝花钛铁矿中的杂质元素镁、硅、锰和钙在真空条件下被石墨还原成气态物质从原料中分离出来，冷凝在抽滤瓶中形成Mg2Si04、Mn0和CaO。碳热还原反应结束后，还原产物中杂质元素镁的含量由原矿中的3.99%降低到
0.0157%，杂质元素硅由原矿中的4.15%降低到0.3374%，杂质元素锰由原矿中的0.76%降低到0.1051%，杂质元素钙由原矿中的0.61 %降低到0.1934%。将得到的还原产物铁和碳化钛粉末用0.5mol/L的盐酸溶液浸出，得到了纯度2 98%的碳化钛粉末，碳化钛粒度小于1ymο
【主权项】
1.一种钛铁矿制备碳化钛的真空冶炼工艺，其特征在于，此工艺所用原材料为钛铁矿和碳粉，将其混料均匀后，压制成块，在真空炉中进行碳热还原反应，得到铁和碳化钛粉末，溶液浸出得到碳化钛粉末。2.根据权利要求1所述钛铁矿制备碳化钛的冶炼工艺，其特征在于，所述碳热还原反应的温度为1200 0C?1700 0C，时间2?1小时。3.根据权利要求1所述钛铁矿制备碳化钛的冶炼工艺，其特征在于，所述真空炉的压力保持为IPa?200Pa。4.根据权利要求1所述钛铁矿制备碳化钛的冶炼工艺，其特征在于，所述工艺包括以下步骤: 1)将原料钛铁矿和碳粉按质量比38:12?15称重配比，放入球磨机中球磨混匀； 2)将球磨后的原料在150Mpa?250Mpa压力下，压样成块； 3)将块料放入真空炉内，升温至12000C?17000C，保温2?10小时，使物料发生真空碳热还原反应，真空炉压力保持在IPa?200Pa ； 4)将步骤(3)得到的产物用酸或三氯化铁溶液浸出，得到碳化钛粉末。5.根据权利要求4所述钛铁矿制备碳化钛的冶炼工艺，其特征在于，步骤I)中所述球磨工艺为，球磨机转速为200?500rpm，球磨时间2?1小时。6.根据权利要求1或2或4所述钛铁矿制备碳化钛的冶炼工艺，其特征在于，所述碳热还原反应的工艺为，以5?15°C/min的速率升温至1200°C?1700°C，保温2?10小时，然后以5?15°C/min的速率降至室温。7.根据权利要求4所述钛铁矿制备碳化钛的冶炼工艺，其特征在于，步骤4)中所述酸为盐酸、硫酸中的一种。8.根据权利要求1或4所述钛铁矿制备碳化钛的冶炼工艺，其特征在于，所述碳粉为木炭、活性炭、石墨、石油焦、煤炭、炭黑中的一种或几种的组合。9.如权利要求1或4所述冶炼工艺制备的碳化钛，其特征在于，所述碳化钛的纯度大于98%，粒度小于ΙΟμπι。10.如权利要求1或4所述冶炼工艺制备的应用，其特征在于，所述碳热还原反应后，得到的铁和碳化钛粉末，直接用于制备Fe-TiC复合材料。
【专利摘要】本发明公开了一种钛铁矿制备的碳化钛及冶炼工艺、及其应用。此工艺所用原材料为钛铁矿和碳粉，将其混料均匀后，压制成块，在真空炉中进行碳热还原反应，得到铁和碳化钛粉末，溶液浸出得到碳化钛粉末；所得碳化钛的纯度大于98％，粒度小于10μm；真空碳热还原产物铁和碳化钛粉末用于制备Fe-TiC复合材料。该方法以钛铁矿作为原料，降低了制备成本；并通过工艺的合理设计有效降低了还原产物中的杂质元素，使材料性能得以提升。
【IPC分类】C22B5/10, C22C33/02, C22B9/04, C01B31/30, C22C1/05
【公开号】CN105567970
【申请号】CN201610007013
【发明人】张国华, 苟海鹏, 吴柯汉, 周国治
【申请人】北京科技大学
【公开日】2016年5月11日
【申请日】2016年1月5日