一种由钛渣制备硅钛合金的方法及系统

技术领域

本发明涉及合金制备技术领域，尤其涉及一种由钛渣制备硅钛合金的方法及系统。

背景技术

在东南亚国家海滨包括近海和沿海陆地，储藏大量的钒钛磁铁矿砂。该种矿砂储量大，主要含铁、钛和钒。这些金属矿物对我国都属于战略矿物、紧缺金属。因此，目前研究开发该矿种综合利用关键技术，尽快利用这种铁矿砂对我国钢铁工业、钛工业和钒工业都具有重大战略意义。

钒钛磁铁矿砂综合利用主要方法有回转窑-电炉法、转底炉-电炉法、隧道窑-电炉法、竖炉-电炉法。通过这些方法使得钒钛铁得以分离，得到含钒铁水和钛渣，含钒铁水进一步分离后制得五氧化二钒和微合金化钢，钛渣化学成分一般如下，见表1。

表1钛渣化学成分(wt％)

钛渣中主要成分为二氧化钛、二氧化硅、氧化铝、氧化钙和氧化镁，钛渣温度为1500～1580℃。传统方法是利用氯化法，由钛渣制备四氯化钛，再用液态金属镁还原反应四氯化钛制得海绵钛，流程长，成本高。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种由钛渣制备硅钛合金的方法及系统。本发明实现了低成本、短流程地制备钛硅合金。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种由钛渣制备硅钛合金的方法，包括以下步骤：

将钛渣预热，得到预热钛渣；

在通入煤气的条件下，将所述预热钛渣和硅铝合金粉混合进行还原反应，得到硅钛合金。

优选的，所述预热的温度为1500～1580℃。

优选的，所述预热钛渣和硅铝合金粉的质量比为100:5～10。

优选的，所述硅铝合金粉的粒径为60～200目。

优选的，所述硅铝合金粉中硅的质量含量为50～60％，铝的质量含量为40～50％。

优选的，所述预热钛渣与煤气的用量比为1t:10～20m

优选的，所述还原反应的温度为1600～1700℃。

本发明还提供了一种由钛渣制备硅钛合金的系统，包括：

炉体，所述炉体的顶部与热装钛渣容器通过热钛渣管道阀门连通；

冷却系统，所述冷却系统包裹所述炉体；

煤气喷枪，所述煤气喷枪设于所述炉体表面，向所述炉体内部通入煤气；

硅铝合金粉喷枪，所述硅铝合金粉设于所述炉体表面，向所述炉体内部通入硅铝合金粉；

出渣口、出料口和废气通道，所述出渣口、出料口和废气通道设于所述炉体表面，所述出渣口的垂直高度高于所述出料口的垂直高度。

优选的，所述炉体表面煤气喷枪和硅铝合金粉喷枪的数量总和为偶数。

优选的，其特征在于，所述煤气喷枪和硅铝合金粉喷枪的数量总和为4、6或8，所述煤气喷枪和硅铝合金粉喷枪的数量比为1:1。

本发明提供了一种由钛渣制备硅钛合金的方法，包括以下步骤：

将钛渣预热，得到预热钛渣；在通入煤气的条件下，将所述预热钛渣和硅铝合金粉混合进行还原反应，得到硅钛合金。

本发明以硅铝合金为还原反应剂制备硅钛合金，还原反应的温度低，实现了低成本、短流程地制备钛硅合金。

且本发明在生产工艺、生产设备上需求较低，能够充分利用预热钛渣和煤气带进的热量，大大地节约生产成本，降低生产强度。

本发明还提供了一种由钛渣制备硅钛合金的系统(即闪速悬浮熔炼炉)，包括：炉体，所述炉体的顶部与热装钛渣容器通过热钛渣管道阀门连通；冷却系统，所述冷却系统包裹所述炉体；煤气喷枪，所述煤气喷枪设于所述炉体表面，向所述炉体内部通入煤气；硅铝合金粉喷枪，所述硅铝合金粉设于所述炉体表面，向所述炉体内部通入硅铝合金粉；出渣口、出料口和废气通道，所述出渣口、出料口和废气通道设于所述炉体表面，所述出渣口的垂直高度高于所述出料口的垂直高度；悬浮分离区，所述悬浮分离区位于所述炉体的内部，所述悬浮分离区设置于所述出渣口的上方，所述悬浮分离区发生还原反应。本发明的由钛渣制备硅钛合金的系统经对现有熔炼炉进行改进，并在炉体上安装多个喷枪来实现由钛渣制备硅钛合金。

附图说明

图1为本发明由钛渣制备硅钛合金的流程图；

图2为本发明由钛渣制备硅钛合金的装置的剖面结构图，其中，1为热装钛渣容器，2为炉体，3为冷却系统，4为煤气喷枪，5为出渣口，6为出料口，7为硅铝合金粉喷枪，8为废气通道，9为热钛渣管道阀门。

具体实施方式

本发明提供了一种由钛渣制备硅钛合金的方法，包括以下步骤：

将钛渣预热，得到预热钛渣；

在通入煤气的条件下，将所述预热钛渣和硅铝合金粉混合进行还原反应，得到硅钛合金。

图1为本发明由钛渣制备硅钛合金的流程图。

本发明将钛渣预热，得到预热钛渣。本发明对所述钛渣的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的来源即可，具体的如钒钛磁铁矿砂生产的热钛渣。

在本发明中，所述钛渣中二氧化钛的质量含量优选为47.31％～49.97％，更优选为48.64％，二氧化硅的质量含量优选为11.49％～15.98％，更优选为13.74％，三氧化二铝的质量含量优选为13.98％～18.6％，更优选为16.29％，氧化钙的质量含量优选为10.18％～11.08％，更优选为10.85％，氧化镁的质量含量优选为7.16％～9.13％，更优选为7.57％，氧化亚铁的质量含量优选为0.76％～4.59％，更优选为2.68％。

在本发明中，所述预热的温度优选为1500～1580℃，更优选为1540℃。

在本发明中，所述预热钛渣的加料速率优选为20～50公斤/分钟，更优选为30～40公斤/分钟，最优选为38公斤/分钟。

得到预热钛渣后，本发明在通入煤气的条件下，将所述预热钛渣和硅铝合金粉混合进行还原反应，得到硅钛合金。

在本发明中，所述预热钛渣和硅铝合金粉的质量比优选为100:5～10，更优选为100:7.5。

在本发明中，所述硅铝合金粉的粒径优选为60～200目，更优选为150目。

在本发明中，所述硅铝合金粉中硅的质量含量优选为50～60％，更优选为50％，铝的质量含量优选为40～50％，更优选为50％。

在本发明中，所述硅铝合金粉的加料速率优选为1～5公斤/分钟，更优选为3～4公斤/分钟。在本发明中，所述硅铝合金粉优选通过硅铝合金粉喷枪加入，所述硅铝合金粉喷枪的压力优选为1～4MPa，更优选为2～3MPa。

在本发明中，所述预热钛渣与煤气的用量比优选为1t:10～20m

在本发明中，所述煤气中一氧化碳的质量含量优选为24～30％，二氧化碳的质量含量优选为4～6％，氢气的质量含量优选为13～15％，甲烷的质量含量优选为1.8～2.4％；氧气的质量含量优选为小于0.6％，氮气的质量含量优选为47～51％。

在本发明中，所述煤气只起到加热作用。

在本发明中，所述还原反应的温度优选为1600～1700℃，更优选为1620～1650℃。

在本发明中，所述还原反应优选还得到轻质铝钙镁渣，所述轻质铝钙镁渣优选依次经水淬、干燥，供生产轻质耐火板使用。

在本发明中，所述还原反应完成后优选还包括将所得液态合金冷却，得到所述硅钛合金。本发明对所述冷却的具体方式没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的方式即可。

在本发明中，所述液态合金密度很大，而轻质铝钙镁渣密度很小，所以轻质铝钙镁渣漂浮在液态合金之上，能够实现轻质铝钙镁渣与硅钛合金的分离。

得到硅钛合金后，本发明对所述硅钛合金的再应用没有特殊的限定，优选包括对所述硅钛合金进行熔盐精炼得到纯钛和纯硅。本发明对所述熔盐精炼的具体方式采用CN202010092231.5中公开的方法处理即可。

本发明还提供了一种由钛渣制备硅钛合金的系统，包括：

炉体，所述炉体的顶部与热装钛渣容器通过热钛渣管道阀门连通；

冷却系统，所述冷却系统包裹所述炉体；

煤气喷枪，所述煤气喷枪设于所述炉体表面，向所述炉体内部通入煤气；

硅铝合金粉喷枪，所述硅铝合金粉设于所述炉体表面，向所述炉体内部通入硅铝合金粉；

出渣口、出料口和废气通道，所述出渣口、出料口和废气通道设于所述炉体表面，所述出渣口的垂直高度高于所述出料口的垂直高度。

图2为本发明由钛渣制备硅钛合金的装置的剖面结构图，其中，1为热装钛渣容器，2为炉体，3为冷却系统，4为煤气喷枪，5为出渣口，6为出料口，7为硅铝合金粉喷枪，8为废气通道，9为热钛渣管道阀门。

在本发明中，所述炉体表面煤气喷枪和硅铝合金粉喷枪的数量总和优选为偶数，更优选为4、6或8，所述煤气喷枪和硅铝合金粉喷枪的数量比优选为1:1。

在本发明中，所述煤气喷枪和硅铝合金粉喷枪优选间隔设置，有利于预热钛渣充分被煤气进行混合后进行还原反应。

在本发明中，所述废气通道中的废气优选包括煤气经过还原反应后的产物和热气，所述废气中二氧化碳的质量含量优选为25～30％，水蒸气的质量含量优选为20～30％，氮气质量含量优选为35～50％，O

在本发明中，所述热装钛渣容器带入的热装钛渣、煤气喷枪中带入的煤气以及硅铝合金粉喷枪中带入的硅铝合金粉优选在悬浮分离区(虚拟区)进行混合，然后进行还原反应，所述悬浮分离区位于所述炉体的内部，所述悬浮分离区是预热钛渣、硅铝合金粉和煤气充分接触的区域(也就是几何上的共点设计，预热钛渣、硅铝合金粉和煤气用的通道的中心轴线与悬浮分离区的中心点是同一点)，在煤气燃烧过程中提供1600～1700℃的熔化温度下，预热钛渣中被熔炼分离出的轻质铝钙镁渣形成一道天然的屏障，所述轻质铝钙镁渣则从出渣口排出炉体外；在轻质铝钙镁渣的下方将是硅钛液态合金，所述硅钛液态合金经出料口排出炉体外。

在本发明中，所述废气通道优选设置于距离所述炉体的顶部七分之一处。

为了进一步说明本发明，下面结合实例对本发明提供的由钛渣制备硅钛合金的方法及系统进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

本实施例的由钛渣制备硅钛合金在图2所示的系统中进行。

步骤一：将钒钛磁铁矿砂生产的钛渣热装进悬浮熔炼炉

将钒钛磁铁矿砂生产的钛渣热装进悬浮熔炼炉，控制高温钛渣的流进速度，钛渣温度在1580℃；

钛渣的主要成分(质量百分比)：二氧化钛(TiO

步骤二：制硅铝合金粉

将硅铝合金采用机械粉碎方式(XMQ-240×90球磨机)破碎得到粒度为60目的硅铝合金粉，硅50wt％，铝50wt％。

步骤三：闪速悬浮还原与熔分

(A)在闪速悬浮熔炼炉的上方将高温钛渣装入一个内衬高温耐火材料的容器中，调节该容器钛渣流速，使预热钛渣流入闪速悬浮还原炉中，供料速度50公斤/分钟；

(B)将硅铝合金粉装入一个硅铝合金粉喷枪容器中，调节该喷枪压力在4MPa下，使硅铝合金粉射入闪速悬浮还原炉中，供料速度5公斤/分钟；

钛渣和硅铝合金粉的用量百分比：100公斤的钛渣中加入10公斤硅铝合金粉；

(C)在闪速悬浮还原炉的煤气喷枪，调节煤气射入闪速悬浮还原炉的压力为5MPa，每吨热装钛渣需要用煤气量为20立方米，该煤气通道引入的煤气在燃烧过程中提供1700℃的还原温度；

(D)在闪速悬浮还原炉的悬浮分离区处进行还原分离出硅钛液态合金，熔分完成后，定期从闪速悬浮还原炉中放出硅钛液态合金和轻质铝钙镁渣。

经实施例1的方法制得的硅钛合金的产率是36％。硅钛合金化学成分：Ti71wt％，Si26wt％，Fe2wt％，其他杂质1wt％。

轻质铝钙镁渣化学成分：Al

对得到的硅钛合金进行熔盐精炼得到纯钛和纯硅，具体步骤如下：

设备及熔盐的预处理：对电解槽内部所有部件特别是内坩埚、阴阳极杆、阳极筐均用砂纸打磨以除去表面的氧化物，然后盐酸酸洗两次，去离子水洗三次，干燥后将各部件安装好。然后将NaCl-KCl-NaF混合物(质量比为1:1:1)加入到内坩埚中，抽真空并升温对进行干燥。

制备低价钛熔盐：熔盐干燥完成后，继续升高炉温，向电解槽内加入TiCl

电解：待NaCl-KCl-NaF-TiClx熔盐制备完成后，充入氢气至正压并升温至电解温度，降下阴阳极，开直流电源，按照预定的电解参数进行电解。电解温度800℃、阳极电流密度0.85A/cm

阴极产品处理：取阴极板沉积物并破碎，采用酸浸方式除去夹盐。浸出过程分为两阶段，清除第一阶段用1wt％盐酸，固液体积比1:5，通风条件下浸出时间30分钟；第二阶段用0.5wt％盐酸，固液体积比1:5，通风条件下浸出时间30分钟。浸出完毕后得到的金属颗粒，再用去离子水洗至呈中性，固液体积比1:5，每次10分钟，水洗完毕经抽滤后真空干燥24h。

阳极产品处理：电解过程中，硅、铁等以阳极泥形式存在在阳极泥中，其中含硅95％，铁5％。用盐酸浸出，得到99.5wt％硅。

实施例2

本实施例的由钛渣制备硅钛合金在图2所示的系统中进行。

步骤一：将钒钛磁铁矿砂生产的钛渣热装进悬浮熔炼炉

将钒钛磁铁矿砂生产的钛渣热装进悬浮熔炼炉，控制高温钛渣的流进速度，钛渣温度在1500℃；

钛渣的主要成分(质量百分比)：二氧化钛(TiO

步骤二：制硅铝合金粉

将硅铝合金采用机械粉碎方式(XMQ-240×90球磨机)破碎得到粒度为150目的硅铝合金粉，硅55wt％，铝45wt％。

步骤三：闪速悬浮还原与熔分

(A)在闪速悬浮熔炼炉的上方将高温钛渣装入一个内衬高温耐火材料的容器中，调节该容器钛渣流速，使预热钛渣流入闪速悬浮还原炉中，供料速度20公斤/分钟；

(B)将硅铝合金粉装入一个硅铝合金粉喷枪容器中，调节该喷枪压力在2MPa下，使硅铝合金粉射入闪速悬浮还原炉中，供料速度2公斤/分钟；

钛渣和硅铝合金粉的用量百分比：100公斤的钛渣中加入5公斤硅铝合金粉；

(C)在闪速悬浮还原炉的煤气喷枪，调节煤气射入闪速悬浮还原炉的压力为2MPa，每吨热装钛渣需要用煤气量为10立方米，该煤气通道引入的煤气在燃烧过程中提供1700℃的还原温度；

(D)在闪速悬浮还原炉的悬浮分离区处进行还原分离出硅钛液态合金，熔分完成后，定期从闪速悬浮还原炉中放出硅钛液态合金和轻质铝钙镁渣。

经实施例2的方法制得的硅钛合金的产率是40％。硅钛合金化学成分：Ti65wt％，Si30wt％，Fe4wt％，其他杂质1wt％。

轻质铝钙镁渣化学成分：Al

实施例3

本实施例的由钛渣制备硅钛合金在图2所示的系统中进行。

步骤一：将钒钛磁铁矿砂生产的钛渣热装进悬浮熔炼炉

将钒钛磁铁矿砂生产的钛渣热装进悬浮熔炼炉，控制高温钛渣的流进速度，钛渣温度在1540℃；

钛渣的主要成分(质量百分比)：二氧化钛(TiO

步骤二：制硅铝合金粉

将硅铝合金采用机械粉碎方式(XMQ-240×90球磨机)破碎得到粒度为200目的硅铝合金粉，硅60wt％，铝40wt％。

步骤三：闪速悬浮还原与熔分

(A)在闪速悬浮熔炼炉的上方将高温钛渣装入一个内衬高温耐火材料的容器中，调节该容器钛渣流速，使预热钛渣流入闪速悬浮还原炉中，供料速度38公斤/分钟；

(B)将硅铝合金粉装入一个硅铝合金粉喷枪容器中，调节该喷枪压力在3MPa下，使硅铝合金粉射入闪速悬浮还原炉中，供料速度2公斤/分钟；

钛渣和硅铝合金粉的用量百分比：100公斤的钛渣中加入7.5公斤硅铝合金粉；

(C)在闪速悬浮还原炉的煤气喷枪，调节煤气射入闪速悬浮还原炉的压力为3MPa，每吨热装钛渣需要用煤气量为15立方米，该煤气通道引入的煤气在燃烧过程中提供1650℃的还原温度；

(D)在闪速悬浮还原炉的悬浮分离区处进行还原分离出硅钛液态合金，熔分完成后，定期从闪速悬浮还原炉中放出硅钛液态合金和轻质铝钙镁渣。

经实施例3的方法制得的硅钛合金的产率是38％。硅钛合金化学成分：Ti68wt％，Si28wt％，Fe3wt％，其他杂质1wt％。

轻质铝钙镁渣化学成分：Al

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并非对本发明作任何形式上的限制。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。