鈦鐵介紹

鈦的原子量為47.90。外層電子結(jié)構(gòu)為3d4s。熔點1667℃。沸點3285℃。密度(20℃)4.5g/cm3。鈦的化學(xué)性質(zhì)較活潑，能與氧、氮、硫、碳生成穩(wěn)定的化合物。

鈦鐵在煉鋼中用作脫氧劑、除氣劑和碳硫穩(wěn)定劑。生產(chǎn)鎮(zhèn)靜鋼用鈦脫氧，可以減少鋼錠上部的偏析，改善鋼的質(zhì)量和提高鋼錠的成材率。鈦與溶解在鋼液中的氮可結(jié)合成穩(wěn)定的氮化鈦，能消除氮對鋼性能的不良影響。鈦與鋼液中的硫生成硫化鈦，可以消除導(dǎo)致熱脆的硫化鐵生成。鈦與碳生成極穩(wěn)定的碳化鈦，碳化鈦的微粒可阻止鋼晶粒長大，細(xì)化鋼的組織，使鋼的強度提高。鈦與碳間的化學(xué)親和力大于鉻與碳，在不銹鋼中添加鈦鐵以固定碳，可消除鉻在不銹鋼晶界的貧化現(xiàn)象，提高不銹鋼的抗腐蝕能力。近年來鈦已作為微合金化元素生產(chǎn)高強度低合金鋼。鑄鐵中加入鈦，有助于細(xì)晶石墨的生成，還起脫氣、孕育、凈化與細(xì)化鑄件組織的作用，提高鑄件耐磨性。耐熱鑄鐵添加鈦可以提高鑄鐵件的耐熱性。此外，超合金與鋁合金生產(chǎn)用含鈦復(fù)合合金作添加劑。電焊條用鈦鐵作涂料組分，可以提高焊接質(zhì)量。

鈦鐵是一種用途較為廣泛的特種合金，在煉鋼過程中作為合金元素加入鋼中，起到細(xì)化組織晶粒、固定間隙元素（C、N）、提高鋼材強度等作用。在冶煉不銹鋼和耐熱鋼時，鈦與碳結(jié)合成穩(wěn)定的化合物，能防止碳化鉻生成，從而減少晶間腐蝕，提高鉻鎳不銹鋼的焊接性能。用鈦脫氧的產(chǎn)物易于上浮，鎮(zhèn)靜鋼用鈦脫氧可以減少鋼錠上部的偏析，從而改善鋼錠質(zhì)量，提高鋼錠的收得率。鈦與溶解在鋼水中的氮結(jié)合生成一種穩(wěn)定的不溶于鋼水的氮化鈦。高鈦鐵又是冶煉鐵基高溫合金和優(yōu)質(zhì)不銹鋼等不可缺少的合金材料。隨著鋼質(zhì)量的提高，品種的增加，對鈦鐵質(zhì)量及品種的要求越來越高。國際市場對含鈦高的高鈦鐵的需求量較大，但我國目前的鐵合金廠一般只生產(chǎn)普通中、低鈦鐵。對于 w(Ti) = 65%~75%、w(Al) ≤4%的高鈦鐵,很少有廠家正式生產(chǎn)。

主成分為鈦和鐵的鐵合金。還含有鋁、硅、碳、硫、磷、錳等雜質(zhì)。用作煉鋼脫氧劑、脫硫劑、除氣劑和合金劑。按含鈦量的不同主要有3個品種：FeTi30(含Ti25.0%～35.0%、Al<8.5%、Si<5.0%)，F(xiàn)eTi40(含Ti35.0%～45.0%，Al<9.5%，Si<4.0%)和FeTi70(含Ti65%～75%，A10.5%～5%，Si<0.5%)。此外，還有多種含鈦復(fù)合合金如Ti-Si-Fe，Ti-B-Al-V，Ti-B-Al-Cr，Ti-Al，Ni-Ti-Al，Ti-B-Al，Ti-Cr-Al等，用作鈦添加劑。

鈦是1791年格雷戈爾(W. Gregor)發(fā)現(xiàn)的，但當(dāng)時未命名，直到1795年克拉普羅特(M. H. Klaproth)發(fā)現(xiàn)鈦后，才命名為“Titans”(鈦)。羅西(A. Rossi)于1901年提出電鋁熱法冶煉鈦鐵的專利，1937年蘇聯(lián)研究鋁熱法冶煉鈦鐵的工藝。從50年代中期起，因廢鈦金屬料的增加，開始生產(chǎn)70%Ti的鈦鐵。中國于1959年在錦州鐵合金廠開始用鋁熱法工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)鈦鐵。

目前國際市場上供應(yīng)的高鈦鐵主要是 w(Ti)68-72%、w (Al)<4.0%、w (Si)<0.5%、w (N)<0.4%、w (C)<0.1%、w (S)<0.015%、w (P)<0.02%、w (TO)<1.0%的優(yōu)質(zhì)高鈦鐵，這種高鈦鐵采用鈦屑重熔法生產(chǎn)。國內(nèi)也有采用這種方法來生產(chǎn)高鈦鐵，但成本很高。

為了降低煉鋼成本，國內(nèi)鋼鐵企業(yè)采購高鈦鐵時適當(dāng)放低了要，W 廠生產(chǎn)IF 鋼使用的高鈦鐵要求：w(Ti)>65%、w (Al)<4.5%、w (Si)<0.5%、w (TO)65%、w (Al)<4.0%、w (Si)<0.5%、w (TO)<5.0%。

工業(yè)生產(chǎn)鈦鐵的原料有鈦鐵精礦(Fe-TiO₃)、金紅石(TiO₂)、鈦白粉(TiO₂)及廢鈦金屬料(Ti，Ti-V-Al等)，其中除廢鈦金屬料外，都要用還原劑還原才能得到鈦鐵和鈦合金。TiO₂是比較難還原的氧化物。用碳還原TiO₂只有在高溫下才能實現(xiàn)，并且生成TiC而不是Ti。得到高碳鈦鐵。用硅還原TiO₂是不能實現(xiàn)的，但添加CaO作熔劑，則可以促使硅還原反應(yīng)發(fā)生。鈦與硅生成穩(wěn)定的硅化物，對硅還原反應(yīng)有利，但生產(chǎn)的鈦鐵含硅高。用鋁還原TiO₂生成Ti是可能的。但如配鋁低于化學(xué)計算值，則生成大量TiO。TiO比TiO₂更穩(wěn)定，用鋁也不能將它還原。它是強堿性氧化物，能與Al₂O₃或SiO₂組成爐渣。所以要添加CaO來阻止TiO的成渣反應(yīng)，而且對TiO₂的還原也有利。比較圖 2的反應(yīng)，用鋁還原鈦鐵礦(FeTiO₃)比還原TiO₂容易，添加CaO也有同樣效果。所以用鋁還原鈦精礦是生產(chǎn)鈦鐵的主要方法。得到的產(chǎn)品含碳低，但鋁、硅較高。綜合上述分析，生產(chǎn)鈦鐵的主要方法有鋁熱法，電硅熱法和電碳熱法，還有廢鈦金屬料重熔法。

鈦鐵重熔法

用鈦廢料和廢鋼作原料，在感應(yīng)爐內(nèi)重熔，生產(chǎn)約70%Ti（Fe-Ti系在約68%Ti有低共熔點）的鈦鐵。為了減少鈦在重熔過程中的燒損，把鈦廢料裝在鋼筒中后壓緊。并添加氯化鋇和氯化鈉的混合物，或冰晶石，或類似的低熔點混合物作熔劑，覆蓋在鈦鐵熔體上面。重熔法還可生產(chǎn)各種鈦復(fù)合合金。

鈦鐵電硅熱法

在電爐內(nèi)用硅鐵還原TiO₂-FeO-CaO-CaF₂熔體。可以生產(chǎn)出Fe-Ti-Si，Si-Ca-Ti等復(fù)合合金。如增加其他氧化物或添加其他鐵合金后，則可制成多元的鈦復(fù)合合金。

鈦鐵電碳熱法

在小型電爐內(nèi)用焦炭作還原劑，石灰作熔劑，可以生產(chǎn)含i20%～25%，C5%～8%，Sil%～2%，Al1%～2%，余量為鐵的高碳鈦鐵。要得到含碳較低的鈦鐵，可在爐料中添加硅石。如爐料組成為：47%鈦鐵礦(TiO₂51.5%)，28.5%硅石，24.5%焦屑，可煉出Ti29%～30%，Si17%～20%，C1.8%～2%的中碳鈦鐵。提高爐料內(nèi)硅石的配比，可煉出Si約30%與C0.1%～0.3%的低碳高硅鈦鐵。如爐料中增加鋁礬土，可煉出Ti-Al-Si-Fe復(fù)合合金。

鈦鐵冶煉中的不正?，F(xiàn)象

1）濕爐料摻雜爐料中，發(fā)生沸騰現(xiàn)象，爐氣逸出不均勻，噴出大量爐料；鎂砂含有水分作砂窩也有噴料現(xiàn)象。

2）爐料混合不均勻，冶煉進(jìn)行得也不均勻。

3）單位配熱量低，反應(yīng)緩慢，冶煉時間長。原因是還原劑不夠，發(fā)熱量低，或爐料預(yù)熱溫度低，形成冶煉的冷行程，鐵錠底部粘渣較多，渣中鐵粒較多或鐵錠熔合不好，較為松散或夾渣。

4）單位配熱量高或預(yù)熱溫度高，反應(yīng)劇烈，爐渣攪動，造成噴渣，鐵錠堅硬不易破碎，鐵錠含鋁量高，產(chǎn)量降低。

影響高鈦鐵冶煉鈦回收率的因素

1）隨著單位配熱的提高，鈦回收率提高。但當(dāng)配熱達(dá)3250kj/kg 以后鈦回收率反而下降。

2）在單位配熱一定的情況下，隨著石灰的配入量增加，鈦的回收率提高，但過多的配入石灰，渣熔點降低，反應(yīng)溫度降低，鈦回收率降低。

3）上部點火，鈦回收率可達(dá)到73%以上。

4）鋁粒的粒度越細(xì)，鈦的回收率越高，粒度大的鋁粒除回收率降低外，合金含鋁量也有所提高。2100433B

鈦鐵礦物理特性

鐵黑色或鋼灰色；條痕鋼灰色或黑色。含赤鐵礦包裹體時呈褐或褐紅色。金屬至半金屬光澤。不透明。無解理。有時出現(xiàn)或裂開。硬度5~ 5.5。性脆。相對密度4.0~5.0。具弱磁性。

偏光鏡下：深紅色，不透明或微透明。一軸晶。具非常高的折射率（N=2.7）和重折率。

鈦鐵礦化學(xué)特性

實驗使用的鈦鐵礦為天然礦石，還原劑為木炭粉。礦石中的主要物相為CaO、MgO、SiO₂、Al₂O₃、MnO₂、V₂O₅、Cr₂O₃等。礦石的成分為47.86%TiO₂，35.12?，0.22?O，2.01%MgO，1.86%SiO₂。礦石的粒度小于0.087mm，木炭粉的粒度小于0.076mm。礦石和木炭粉在105℃干燥24h，然后按一定比例混合并壓制成塊?；旌狭现泻剂繛?0%。在微波碳熱還原過程中，物料的溫度是逐步升高的。用微波將物料從室溫加熱至1123—1263K需要3—8min，實驗發(fā)現(xiàn)：鈦鐵礦的還原反應(yīng)從一施加微波就開始進(jìn)行，表明鈦鐵礦的微波碳熱還原反應(yīng)即使在極低的溫度條件下就已開始進(jìn)行。鈦鐵礦的這種特性，主要是一部分微波能會發(fā)生局域耦合共振，產(chǎn)生熱點。這些熱點的溫度比其他區(qū)域的溫度高得多，因而他們會產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，熱點的中心就是反應(yīng)的中心。此外，原子或分子在反應(yīng)中心還會發(fā)生激烈的振動，能更好地滿足化學(xué)反應(yīng)的條件，這也會降低引發(fā)化學(xué)反應(yīng)的溫度。正是由于有這些熱點的存在和分子或原子的激烈振動，鈦鐵礦的微波碳熱還原反應(yīng)才可能在較低的溫度下進(jìn)行，從而極大地降低鈦鐵礦碳熱還原過程的能耗。

鈦鐵礦的微波還原速率與樣品的含碳量關(guān)系十分密切。當(dāng)樣品的初始含碳量小于20%時，還原速率隨著含碳量的增加而明顯加快；當(dāng)含碳量大于20%時，進(jìn)一步增加含碳量對還原速率沒有明顯的影響。

反應(yīng)式：FeTiO₃ C=Fe TiO₂ CO（1）FeTiO₃ CO=Fe TiO₂ CO₂（2）CO₂ C=2CO（3）反應(yīng)速率隨含碳量的增加而加快，當(dāng)含碳量大于20%時，反應(yīng)速率與含碳量無關(guān)。微波還原的速率比傳統(tǒng)還原快得多。據(jù)有關(guān)對鈦鐵礦進(jìn)行微波碳熱還原和傳統(tǒng)碳熱還原研究的對比實驗表明：鈦鐵礦的微波還原速率比傳統(tǒng)還原快得多，在1153K時，微波碳熱還原的速率是傳統(tǒng)還原的79.06倍。微波還原在1153K的速率可以和傳統(tǒng)還原在1422K的速率相比較，兩者之間的溫度差高達(dá)269K，由此也表明，當(dāng)用微波加熱代替?zhèn)鹘y(tǒng)加熱時，鈦鐵礦的碳熱還原可以在較低的溫度下進(jìn)行。

與鐵礦石的碳熱還原類似，鈦鐵礦的碳熱還原也是強烈的吸熱反應(yīng)（ΔH= 181kJ/molFeTiO₃，采用傳統(tǒng)加熱還原時同樣會產(chǎn)生“冷中心”。由于微波可以對物料進(jìn)行快速的整體加熱，“冷中心”的問題自然得到解決，因而反應(yīng)速率明顯加快。

屬AB型，A代表鈦，B代表鐵、鈷、鎳等，最常見的為鈦鐵貯氫材料，貯氫量可達(dá)占材料自重的1.75%～1.89%。最初有一活化的難題，在高真空條件下，加熱到300～400℃才開始吸氫。中國科學(xué)家解決了這一難題，在室溫條件下一般真空度就可開始吸氫。此材料原料來源廣，成本低，有利于大量使用。德國研制的氫能汽車、美國研制的燃料電池電動車，就是以鈦鐵貯氫罐供氫的。

云南是有色金屬王國，對有色金屬的開發(fā)自然比較重視，冶金技術(shù)日新月異，效率就是效益，該研究填補了鈦鐵礦微波還原的空缺，為工業(yè)利用微波碳熱還原鈦鐵礦提供了理論依據(jù)和方法指導(dǎo)。通過微波碳熱還原鈦鐵礦可以使反應(yīng)速率加快，由于微波碳熱還原鈦鐵礦可以在較低的溫度下進(jìn)行，所以能源的利用將大為降低，對于能源緊缺的中國來講無疑有很大的科學(xué)價值和經(jīng)濟價值。相信該研究定會被應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，產(chǎn)生很好的經(jīng)濟和社會效益。