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一种由钛铁矿制备钛铁合金的方法
技术领域
本发明涉及钛铁合金制备技术领域，尤其是涉及一种由钛铁矿制备钛铁合金的方法。
背景技术
我国钛铁矿床分布广泛，储量丰富。攀枝花—西昌地区是我国钛铁矿的主要成矿带，也是世界上同类矿床的重要产区之一，原矿的化学成分如表1所示：
表1 四川攀枝花钛铁精矿化学成分
 

化学    成分    ∑Fe   TiO₂   V₂O₅  CaO  MgO   SiO₂   Al₂O₃  MnO S P百分  含量  (wt％)     31.75     47.74    0.10    1.16    4.60    2.64    1.20    0.75    0.64     0.013
目前钛铁精矿，依据其矿种特性的不同，主要有三种用途，一是用作高炉炼铁的原料，回收铁；二是用作回转窑直接还原的原料，后经电炉熔化还原回收铁；三是精矿中TiO₂含量很高，用作电炉冶炼高钛渣的原料，主要目的是回收钛，铁作为副产品回收。无论是哪种方式，都没有实现钛铁矿中铁、钛的同时回收利用，从而造成资源浪费.因此，开发钛铁矿的铁、钛同时回收利用技术，实现资源的深度开发与充分利用，具有重要的意义。
在由钛铁生产金属钛的过程中，要经过多道除铁工序，在重熔法生产高钛铁合金时又在钛中加入铁。在生产铁的过程中要除去铁矿中的钛，而在生产钢材时又需要加入钛。钛密度低，熔点高，易氧化，在钢液面上被氧化烧掉很多，损失太大，且不易控制含量。但在炼钢时加入钛铁合金时，钛铁合金与钢的熔点接近，比重和钢差不多，也易混合均匀。因此，如果以矿石为原料生产出低氧含量的钛铁合金产品，将会极大推动钛产品和钢产品的发展。
目前钛合金都是采用纯金属经高温真空熔炼和粉末冶金二种方法制备，制备过程需要特定的生产设备、生产流程长且能量消耗大。
熔盐电解法是目前较新的一种金属及合金的制备方法，其核心是将固态金属氧化物作为阴极，在低于金属熔点和熔盐分解电压的条件下电解，其中金属氧化物得到电子被还原，氧离子化进入熔盐并迁移至阳极放电，在阴极则留下纯净的金属或合金。这种方法以氧化物为原料一步电解得到杂质含量很低的金属和合金，大大缩短了工艺流程，省去了目前工业生产所用克劳尔法中的氯化、精制TiCl₄、镁还原的复杂工序，特别是整个过程中没有氯气的放出，避免了污染，减少冶金过程的能耗和环境污染，并且大大降低了生产金属的成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种由钛铁矿制备钛铁合金的方法，其制备工艺步骤简单、操作简便且成本低，能大幅度减少冶金过程中的能耗和环境污染，并且能有效避免矿产资源的浪费。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种由钛铁矿制备钛铁合金的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤一、制备钛铁矿电极：将选矿后矿中主要杂质元素为P、S、Mg、Al、Ca、O和Si的钛铁矿原料经常规的粉碎、均匀混合、冷等静压压制成型以及高温烧结后，制成钛铁矿电极，所述钛铁矿原料经粉碎后的粉末粒度在50μm以下；
步骤二、熔盐电解反应：以步骤一中的钛铁矿电极为阴极，石墨棒为阳极且在氩气保护下进行熔盐电解反应，获得矿中主要杂质元素为S、P和Si的钛铁矿初级产品，熔盐电解反应所用熔盐电解液的电解质为金属氯化物，电解温度为850℃～1200℃，电解电压为2.5～3.5V直流电压；
步骤三、真空熔炼：对步骤二中的钛铁矿初级产品进行清洗且烘干后，放入真空炉中进行真空熔炼，去除所述钛铁矿初级产品中所含有的杂质元素S、P和Si后，获得钛铁合金，熔炼真空度为0.67～13.3Pa，熔炼温度为1350℃～1370℃。
步骤二中所述的进行熔盐电解反应时，将钛铁矿电极放置在阴极篮筐内后再插入装有熔盐电解液的石墨坩埚中。
步骤二中所述熔盐电解液的电解质为CaCl₂。
步骤一中所述的制备钛铁矿电极时，采用压力机在100～200MPa的压力下对经粉碎并均匀混合后的钛铁矿原料粉末进行压制成型，再采用高温烧结炉在800℃～1000℃的温度下对压制成型的钛铁矿坯料进行高温烧结，制成钛铁矿电极。
步骤二中所述熔盐电解反应的电解时间为6～10h。
步骤三中所述的对所述钛铁矿初级产品进行清洗且烘干后，先将所述钛铁矿初级产品压制成钛铁矿电极后，再放入所述真空炉中进行真空熔炼。
步骤三中所述的对所述钛铁矿初级产品进行清洗且烘干时，所用的清洗液为添加有体积浓度为1～5％的稀盐酸的清水，烘干温度在100℃以下。
本发明与现有技术相比具有以下优点：1、制备工艺步骤简单、操作简便且成本低。2、制备工艺设计合理，具体采用熔盐电解冶金及真空熔炼技术生产合金，能大幅度减少冶金过程中的能耗和环境污染，并且能有效避免矿产资源的浪费，首先将钛铁精矿通过选矿后，使矿中主要杂质元素为P、S、Mg、Al、Ca、O和Si，然后再通过熔盐电解反应脱氧制备钛铁合金，由于熔盐电解温度在850～1200℃，因而钛铁矿中所含有的Mg、Ca、A1等低熔点金属可直接进入熔盐中，因此电脱氧可除去钛铁矿中的O、Mg和Ca杂质，但此时仍含有S、P、Si等杂质元素。之后，根据合金与杂质元素熔点的不同，将电解后的钛铁合金，再经过真空熔炼，除去S、P、Si等杂质元素，得到纯净的钛铁合金。3、适用范围广，本发明可同时有效适用于由其它种类钛矿制备钛合金的工艺中。综上所述，本发明制备工艺步骤简单、操作简便且成本低，能大幅度减少冶金过程中的能耗和环境污染，并且能有效避免矿产资源的浪费。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的制备工艺流程图。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，本发明所述的由钛铁矿制备钛铁合金的方法，包括以下步骤：
步骤一、制备钛铁矿电极：将选矿后矿中主要杂质元素为P、S、Mg、Al、Ca、O和Si的钛铁矿原料经常规的粉碎、均匀混合、冷等静压压制成型以及高温烧结后，制成钛铁矿电极，所述钛铁矿原料经粉碎后的粉末粒度在50μm以下。
本步骤中所述的制备钛铁矿电极时，采用压力机在100～200MPa的压力下对经粉碎并均匀混合后的钛铁矿原料粉末进行压制成型，再采用高温烧结炉在800℃～1000℃的温度下对压制成型的钛铁矿坯料进行高温烧结，制成钛铁矿电极，高温烧结时间为6±0.5小时。本实施例中，在200MPa的压力下对经粉碎并均匀混合后的钛铁矿原料粉末进行压制成型，并且高温烧结温度为950℃，高温烧结时间为6小时。
步骤二、熔盐电解反应：以步骤一中的钛铁矿电极为阴极，石墨棒为阳极且在氩气保护下进行熔盐电解反应，获得矿中主要杂质元素为S、P和Si的钛铁矿初级产品，熔盐电解反应所用熔盐电解液的电解质为金属氯化物，电解温度为850℃～1200℃，电解电压为2.5～3.5V直流电压，所述熔盐电解反应的电解时间为6～10h。
本实施例中，所述熔盐电解液的电解质为CaCl₂。进行熔盐电解反应时，将钛铁矿电极放置在阴极篮筐内后再插入装有熔盐电解液的石墨坩埚中，电解温度为850℃，电解电压为3.1V，电解时间为8小时。
步骤三、真空熔炼：对步骤二中的钛铁矿初级产品进行清洗且烘干后，放入真空炉中进行真空熔炼，去除所述钛铁矿初级产品中所含有的杂质元素S、P和Si后，获得钛铁合金，熔炼真空度为0.67～13.3Pa，真空熔炼温度为1350℃～1370℃。
本步骤中对所述钛铁矿初级产品进行清洗且烘干时，所用的清洗液为添加有体积浓度为1～5％的稀盐酸的清水，烘干温度在100℃以下。另外，实际制备过程中，对所述钛铁矿初级产品进行清洗且烘干后，还可以先将所述钛铁矿初级产品压制成钛铁矿电极后，再放入所述真空炉中进行真空熔炼。
本实施例中，将经电解后得到钛铁矿初级产品清洗并烘干后，压制成电极，再进行真空熔炼，熔炼真空度为0.67～13.3Pa，熔炼温度为：1350℃～1370℃，经二次熔炼得到钛铁合金，所得到的钛铁合金中钛的质量百分比为35-45％，杂质含量分别为：0<1％，V<2.0％，Si<2.5％，P<0.05％，Cu<0.2％，C<0.10％，S<0.02％，Mn<2.5％，余量为Fe。
实施例2
本实施例中，与实施例1不同的是：步骤一中采用高温烧结炉对压制成型的钛铁矿坯料进行高温烧结时，高温烧结温度为900℃。步骤二中进行熔盐电解反应时，电解温度为950℃，电解电压为3.1V，电解时间为8小时。最终经真空熔炼后制得的钛铁合金中，钛的质量百分比为35-45％，杂质含量分别为：0<0.5％，V<2.0％，Si<2.5％，P<0.02％，Cu<0.2％，C<0.50％，S<0.02％，Mn<2.5％，余量为Fe。本实施例的其它工艺步骤以及工艺参数均与实施例1相同。
实施例3
本实施例中，与实施例1不同的是：步骤一中采用高温烧结炉对压制成型的钛铁矿坯料进行高温烧结时，高温烧结温度为900℃。步骤二中进行熔盐电解反应时，电解温度为850℃，电解电压为3.3V，电解时间为8小时。最终经真空熔炼后制得的钛铁合金中，钛的质量百分比为35-45％，杂质含量分别为：0<0.5％，V<2.0％，Si<2.5％，P<0.02％，Cu<0.2％，C<0.20％，S<0.02％，Mn<2.5％，余量为Fe。
实施例4
本实施例中，与实施例1不同的是：步骤一中采用高温烧结炉对压制成型的钛铁矿坯料进行高温烧结时，高温烧结温度为900℃。步骤二中进行熔盐电解反应时，电解温度为950℃，电解电压为3.3V，电解时间为8小时。最终经真空熔炼后制得的钛铁合金中，钛的质量百分比为35-45％，杂质含量分别为：0<0.1％，V<2.0％，Si<2.5％，P<0.02％，Cu<0.2％，C<0.50％，S<0.02％，Mn<2.5％，余量为Fe。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。