鈦鐵性質與用途

鈦的原子量為47.90。外層電子結構為3d4s。熔點1667℃。沸點3285℃。密度(20℃)4.5g/cm3。鈦的化學性質較活潑，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，改善鋼的質量和提高鋼錠的成材率。鈦與溶解在鋼液中的氮可結合成穩(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?？勺柚逛摼ЯｉL大，細化鋼的組織，使鋼的強度提高。鈦與碳間的化學親和力大于鉻與碳，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，有助于細晶石墨的生成，還起脫氣、孕育、凈化與細化鑄件組織的作用，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，從而改善鋼錠質量，提高鋼錠的收得率。鈦與溶解在鋼水中的氮結合生成一種穩(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)質不銹鋼等不可缺少的合金材料。隨著鋼質量的提高，品種的增加，對鈦鐵質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。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發(fā)生。鈦與硅生成穩(wěn)定的硅化物，對硅還原反應有利，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，而且對TiO₂的還原也有利。比較圖 2的反應，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，冶煉進行得也不均勻。

3）單位配熱量低，反應緩慢，冶煉時間長。原因是還原劑不夠，發(fā)熱量低，或爐料預熱溫度低，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）單位配熱量高或預熱溫度高，反應劇烈，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。但當配熱達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，反應溫度降低，鈦回收率降低。

3）上部點火，鈦回收率可達到73%以上。

4）鋁粒的粒度越細，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。混合料中含碳量為20%。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)：鈦鐵礦的還原反應從一施加微波就開始進行，表明鈦鐵礦的微波碳熱還原反應即使在極低的溫度條件下就已開始進行。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)生化學反應，熱點的中心就是反應的中心。此外，原子或分子在反應中心還會發(fā)生激烈的振動，能更好地滿足化學反應的條件，這也會降低引發(fā)化學反應的溫度。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才可能在較低的溫度下進行，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系十分密切。當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；當含碳量大于20%時，進一步增加含碳量對還原速率沒有明顯的影響。

反應式：FeTiO₃ C=Fe TiO₂ CO（1）FeTiO₃ CO=Fe TiO₂ CO₂（2）CO₂ C=2CO（3）反應速率隨含碳量的增加而加快，當含碳量大于20%時，反應速率與含碳量無關。微波還原的速率比傳統(tǒng)還原快得多。據(jù)有關對鈦鐵礦進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269K，由此也表明，當用微波加熱代替?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（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行快速的整體加熱，“冷中心”的問題自然得到解決，因而反應速率明顯加快。

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。通過微波碳熱還原鈦鐵礦可以使反應速率加快，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價值和經(jīng)濟價值。相信該研究定會被應用于工業(yè)領域，產(chǎn)生很好的經(jīng)濟和社會效益。