阅读说明：本技术 一种高炉与电解炉联合生产制备钛合金的方法 (Method for preparing titanium alloy by joint production of blast furnace and electrolytic furnace ) 是由 焦树强 焦汉东 王明涌 朱骏 于 2019-10-15 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种高炉与电解炉联合生产制备钛合金的方法,属于冶金工程领域。工艺步骤如下：将钒钛磁铁矿原矿经选矿获得的钒钛磁铁精矿配合焦炭、石灰石等置于高炉中冶炼获得铁水和熔融含钛高炉渣；随后铁水经高炉出铁口与电解炉连接的通道或鱼雷罐车置于电解炉内；熔融含钛高炉渣经过出渣口与电解炉连接的通道或鱼雷罐车置于电解炉内；将石墨置于熔融含钛高炉渣内作为阳极；以铁水作为阴极；采用直流电解工艺进行电解,通过控制电流密度(或槽电压)、电解质内(或阴极铁水内)钛元素(硅元素含量),最终获得液态钛-铁、钛-硅-铁或硅-铁合金产物。相对于传统制备钛合金的方法,该方法具有工艺流程简单、厂地利用率高、能耗低且易实现大规模生产的优点。(The invention relates to a method for preparing titanium alloy by joint production of a blast furnace and an electrolytic furnace, belonging to the field of metallurgical engineering. The process comprises the following steps: putting vanadium-titanium magnetite concentrate obtained by mineral separation of vanadium-titanium magnetite raw ore into a blast furnace together with coke, limestone and the like for smelting to obtain molten iron and molten titanium-containing blast furnace slag; then the molten iron is placed in an electrolytic furnace through a channel or a torpedo tank car which is connected with the electrolytic furnace through a blast furnace taphole; the molten titanium-containing blast furnace slag is placed in the electrolytic furnace through a channel or a torpedo car connected with the electrolytic furnace through a slag hole; placing graphite in molten titanium-containing blast furnace slag as an anode; taking molten iron as a cathode; electrolyzing by adopting a direct current electrolysis process, and finally obtaining a liquid titanium-iron, titanium-silicon-iron or silicon-iron alloy product by controlling the current density (or bath voltage) and the titanium element (silicon element content) in the electrolyte (or cathode molten iron). Compared with the traditional method for preparing the titanium alloy, the method has the advantages of simple process flow, high plant utilization rate, low energy consumption and easy realization of large-scale production.)

一种高炉与电解炉联合生产制备钛合金的方法

技术领域

本发明涉及一种高炉与电解炉联合生产制备钛合金的方法，属于冶金工程领域，具体可实现钛-铁、钛-硅-铁、硅-铁合金的低成本、短流程、大规模生产。

背景技术

以钛-铁、钛-硅-铁合金为代表的钛合金在工业上具有广泛的应用价值。例如，因为钛元素与氧元素具有很好的结合能力，因此炼钢过程中往往采用钛合金作为脱氧剂。同时，钢铁中添加钛元素可以改善钢的性能，因此钛合金也被广泛应用于炼钢中的合金添加剂。其次，由于钛元素在不同温度下与氢元素的结合能力不同，因此人们常常采用钛合金作为一种有效的固体储氢材料。

当前以钛-铁、钛-硅-铁为代表的钛合金主要采用对掺法制备而成，该方法主要以纯钛金属与铁或硅-铁混合熔融而成。然而，钛金属物理化学性质特殊，需要采用流程冗长、成本高昂的镁热还原法(Kroll法)制备。这就导致以对掺法制备的钛合金成本高昂，进而限制了这些钛合金的广泛应用。因此，开发新的、低成本、短流程、低能耗、可大规模应用的钛合金制备新工艺十分重要。

另一方面，我国四川攀枝花地区储存着大量的钛、铁以及钒等有价元素的复合矿产资源——钒钛磁铁矿。目前，钒钛磁铁矿的冶炼以“炼铁、提钒”为主。然而，经过该流程之后，钒钛磁铁矿中大约有50％的钛元素进入到高炉渣中。而以二氧化钛计，含钛高炉渣中钛含量高达20％以上。为有效利用渣中钛元素，冶金学者已探究了多种湿法、火法、电化学方法来处理含钛高炉渣。然而，含钛高炉渣中钛元素以多种矿相、弥散粉末其中，因此湿法、火法往往效果有限。另外，钛元素本身化学性质活泼，在高温下容易与氧、氮、氢、碳等气体元素结合；同时其具有多种价态，还原历程复杂，因此采用电化学的方法提取钛元素也颇具难度。目前，攀枝花地区的含钛高炉渣主要以堆积的形式存放在金沙江两岸。含钛高炉渣的大量堆积不仅造成环境的污染、空间的浪费，更造成了有价钛元素的浪费。

发明内容

本发明提供一种高炉与电解炉联合生产制备钛合金的方法。相对于传统制备钛合金的方法，该方法具有工艺流程简单、厂地利用率高、能耗低且易实现大规模生产的优点。

为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：一种高炉与电解炉联合生产制备钛合金的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：将钛铁矿和还原剂碳按比例均匀混合后置于熔融氧化物电解质中；

步骤二：在电解质中钛铁矿经碳热还原得到铁水；

步骤三：以石墨或惰性电极为阳极，并将石墨棒或惰性金属棒作为阴极导电杆***铁水中作为阴极，采用恒电位或恒电流方法电解；

步骤四：电解一段时间后在阴极铁水上电化学沉积得到钛铁合金产物；

步骤五：待电解质中铁和钛的含量降低至一定的值之后，再次向电解质中添加钛铁矿和还原剂碳的混合物，进行下一次循环；

步骤六：待铁水中钛含量增加到一定的量，或达到所需钛铁合金比例时，通过坩埚底部的出铁口排出液态钛铁合金产物，继续下一次循环。

进一步地，所述步骤一中钒钛磁铁矿原矿为四川攀枝花地区、河北承德地区或其它地区的含有钛元素的铁矿资源。

进一步地，所述步骤二中电解炉可以是直流电弧炉，也可以是其它由加热原件加热的可维持1200-2000℃的冶金炉，同时该炉可以实现炉内惰性气体(氩气、氦气、氮气)的保护。

进一步地，所述步骤二中高炉出铁口与电解炉连接的通道由无机耐火材料制备而成，鱼雷罐车为钢铁厂常用的鱼雷式铁水罐车，通入电解炉内的铁水的量根据电解炉的尺寸而定，具体为电解炉有效容积的2％至30％。

进一步地，所述步骤三中高炉出渣口与电解炉连接的通道由无机耐火材料制备而成，通入电解炉内的熔融渣的量根据铁水的量而定，具体为铁水体积的1-20 倍。

进一步地，所述步骤四中石墨阳极浸入熔融含钛高炉渣中的深度以离铁水阴极直线距离(即阴、阳极极间距)在5-100cm为准。

进一步地，所述步骤五中直流电解的电流密度为0.01-10A/cm²，槽电压为1-50V；电解过程中首先提取熔渣中的硅元素获得液态铁-硅合金并通过合金出口获得铁-硅合金产物；随后注入新的铁水，电解提取熔渣中的钛元素获得液态钛- 铁合金并通过合金出口获得铁-钛合金产物；也可以直接电解获得液态钛-硅-铁三元合金产物。

本发明创新性的提出了一种高炉与电解炉联合生产制备钛合金的新方法。在炼铁厂高炉装备的附近构建电解炉装备，利用高炉还原所得高温熔融铁水和含钛高炉渣为阴极和电解质，原位电解制备钛合金。由于液态铁阴极的去极化作用，熔渣中高价钛元素的还原过程得以简化，进而可以在阴极获得氧含量低的液态钛合金产物。最终，通过控制电解时长可依次获得液态硅-铁、钛-铁或钛-硅-铁合金。相对于传统对掺法制备钛合金，该方法的制备流程大幅缩减；同时依托炼铁厂高炉设备提供电解所需高温熔体原料，可显著降低合金制备的能耗；高炉与电解炉联合生产的特点则有效的提高的厂地的空间利用率；电解炉原料直接来源于高炉的液相产物，有利于该工艺的大规模应用及合金产物的大规模制备。

相对于现有技术，本发明的有益效果如下：

1)、以高炉所得高温熔融铁水和含钛高炉渣为原料进行电解，一步获得钛合金产物，大大缩短了合金制备的工艺流程；

2)、高温熔融铁水和含钛高炉渣在电解炉内无需二次加热，大大降低合金制备过程中的能耗；

3)、依托产能较高的高炉装备，易于实现合金的大规模制备。

附图说明

图1为实施例1的高炉与电解炉联合生产制备液态钛合金的示意图。

具体实施方式

本发明下面将通过具体实施例进行更详细的描述，但本发明的保护范围并不受限于这些实施例。

实施例1

以四川攀枝花地区的钒钛磁铁矿为原料，经过选矿获得钒钛磁铁精矿，并以此配合焦炭、石灰石为原料采用高炉冶炼获得铁水和熔融含钛高炉渣。铁水经高炉出铁口和电解炉连接的通道置于电解炉内，铁水体积为电解炉有效容积的10％。随后将熔融含钛高炉渣经高炉出渣口与电解炉连接的通道置于电解炉内，炉渣体积是铁水的3倍。将石墨阳极置于熔融含钛渣电解质内，并控制阴、阳极极间距 10cm，采用电加热的方式维持电解质温度1600℃。采用恒电流电解的方式进行电解，阴极电流密度为1A/cm²。电解至熔融含钛渣电解质中硅元素含量低于1％时，经电解炉合金出口排出液态硅-铁合金。随后，在电解炉内注入新的铁水，继续电解，并获得液态钛-铁合金。

实施例2

以河北承德地区的钒钛磁铁矿为原料，经过选矿获得钒钛磁铁精矿，并以此配合焦炭、石灰石为原料采用高炉冶炼获得铁水和熔融含钛高炉渣。铁水经鱼雷罐车置于电解炉内，铁水体积为电解炉有效容积的20％。随后将熔融含钛高炉渣经鱼雷罐车置于电解炉内，炉渣体积是铁水的4倍。将石墨阳极置于熔融含钛渣电解质内，并控制阴、阳极极间距20cm，采用电加热的方式维持电解质温度 1600℃。采用恒电压电解的方式进行电解，槽电压控制在10V。电解至熔融含钛渣电解质中钛元素含量低于0.1％时，停止电解，并最终获得液态钛-硅-铁三元合金产物。

实施例3

以四川攀枝花地区的钒钛磁铁矿为原料，经过选矿获得钒钛磁铁精矿，并以此配合焦炭、石灰石为原料采用高炉冶炼获得铁水和熔融含钛高炉渣。铁水经高炉出铁口和电解炉连接的通道置于电解炉内，铁水体积为电解炉有效容积的15％。随后将熔融含钛高炉渣经鱼雷罐车置于电解炉内，炉渣体积是铁水的3倍。将石墨阳极置于熔融含钛渣电解质内，并控制阴、阳极极间距10cm，采用电加热的方式维持电解质温度1600℃。采用恒电流电解的方式进行电解，阴极电流密度为0.5A/cm²。电解至熔融含钛渣电解质中钛元素含量低于0.1％时，停止电解并最终获得钛-硅-铁三元合金。