用等離子炭還原氧化物煉鈦或鈦合金的新工藝制造技術

一種用等離子炭還原氧化物煉鈦或鈦合金的新工藝，用工業純二氧化鈦粉或工業純二氧化鈦粉與合金元素氧化物粉，配比按化學反應式所需炭粉，再加粘接劑混勻擠壓成型烘干，成為爐料自耗電極，與造渣劑一起裝入封閉直流電爐內通電，電極底端產生5000℃以上等離子弧區，把爐料自耗電極熔煉成鈦或鈦合金液落入鉀鈉或水冷銅坩堝內或耐火材料爐缸內，由虹吸管連續或定期自動抽入封閉鑄錠室冷卻成錠，得到無偏析、無C、H2、O2、N2的優質純金屬鈦錠或鈦合金錠。本發明專利技術生產工藝簡單，產品質量高，生產成本低，環保好，社會效益顯著。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于等離子冶金
，具體涉及一種用等離子炭還原二氧化鈦等氧化物煉鈦或鈦合金的新工藝。
技術介紹
鈦和鈦合金由于強度高、重量輕、耐腐蝕，成為航天航空的首選材料。目前市場上供應的鈦或鈦合金錠都是由鎂還原四氯化鈦或由鈉還原四氧化鈦取得的，兩種方法都要經過數天時間，還原后得到的海綿體鈦經蒸餾、濾取或經噴氬吹洗以去除海綿體中剩余反應物。然后將海綿體破碎或研磨成小顆粒，或在小顆粒中加入合金化元素制成自耗電極，再經一次或多次溶化成為鈦或鈦合金錠。因此，現在生產鈦或鈦合金企業，要建許多車間，包括:還原、蒸餾、濾取、或吹氬次洗、破碎研磨、電極制造等。工序繁雜，規模小，能耗高，占用勞動力多，污染重，并且還原劑、鎂鈉原料昂貴，所以造成生產成本高，不能滿足社會需求。如果還原劑能不用昂貴鈉鎂原料，以及采用工序簡單的大規模生產新工藝取代，則生成成本就會降低。
技術實現思路
本專利技術所要解決的技術問題是:解決上述現有技術存在的問題，而提供一種用等離子炭還原氧化物煉鈦或鈦合金的新工藝，改變用鎂或鈉還原四氧化鈦的繁雜工藝，使鈦生產工藝簡化，加上不用昂貴的鎂、鈉作還原劑，而用炭作還原劑，使鈦生產成本大大降低。本專利技術采用的技術方案是: 一種用等離子炭還原氧化物煉鈦或鈦合金的新工藝，用工業純二氧化鈦粉或工業純二氧化鈦粉與合金元素氧化物粉，配比按化學反應式所需炭粉，再加粘接劑混勻擠壓成型烘干，成為爐料自耗電極，與造渣劑一起裝入封閉直流電爐內通電，電極底端產生5000°C以上等離子弧區，把爐料自耗電極熔煉成鈦或鈦合金液落入鉀鈉或水冷銅坩堝內或耐火材料爐缸內，由虹吸管連續或定期自動抽入封閉鑄錠室冷卻成錠，得到無偏析、無C、H2、02、N2的優質純金屬鈦錠或鈦合金錠。傳統復雜的等離子發生器設在爐外耐高溫外殼內，用載氣通過高能量密度的直流電弧區，成為等離子熱載氣噴入爐內供熔煉。本專利技術直接用簡便的爐內爐料自耗電極底端與爐底之間產生5000°C以上等離子炭弧區，供炭還原二氧化鈦等氧化物，還原成鈦或鈦合金，本經濟，實用，易于推廣。本專利技術的爐料自耗電極產生的等離子炭，今后也能應用在高熔點金屬或金屬氧化物，包括Cr、T1、Er、W、Mo、Ta、Nb、S1、B......等氧化物，還原成純金屬或合金。上述技術方案中，所述等離子炭還原包括:等離子炭還原二氧化鈦成純金屬鈦或等離子炭還原二氧化鈦與煉鈦合金所需的金屬元素氧化物或非金屬元素氧化物，煉成各種各樣所需鈦合金。上述技術方案中，所述用工業純二氧化鈦粉或工業純二氧化鈦粉與合金元素氧化物粉，按化學反應式配比所需炭粉，再加粘結劑混勻擠壓成型，是指擠壓成圓形、長方形或空心圓形等，當作爐料自耗電極裝入上述形狀相適應的鉀鈉或水冷銅坩堝模內，通電熔煉成上述形狀鈦錠或鈦合金錠而節能。上述技術方案中，所述的爐料自耗電極有兩種降低其內電阻熱損失的方法: ①用電極夾持器夾中空石墨電極送電，中空石墨電極內擠壓炭不足量的爐料自耗電極，使石墨電極和爐料自耗電極任何橫斷面的總炭量，都能不過剩的滿足氧化物爐料還原成鈦或鈦合金液； ②混勻爐料擠壓在鈦或鈦合金高熔點金屬板網柱內，柱兩端裝螺母或螺桿成爐料自耗電極可接長，陽極導線接在電極頂端，螺桿夾持器供送電。上述技術方案中，所述用等離子炭還原氧化物煉鈦是在封閉式鉀鈉或水冷銅坩堝內，插入一根爐料自耗電極，按化學反應式:Ti02+2C=Ti+2C0(1) 配工業純二氧化鈦粉、炭粉加上坩堝內和坩堝壁上所需量的造渣劑成分是:48%CaO、48%AI203、4%Ti02，加粘結劑混勻擠壓成爐料自耗電極，通電后電極底端產生5000°C以上高溫區，電極中炭也氣化成雙電極炭蒸氣，懸浮在陽極與陰極之間成為等離子炭弧區，而氧化物爐料也被高能直流電離解成帶正電荷的金屬蒸氣或非金屬蒸氣向爐底匯集。帶負電荷的氧氣遇炭成C0排出爐外，爐料中的H2、02、N2也被高溫加熱體積膨脹變大，產生巨大浮力排出爐外，因爐渣中含有Ti02，高溫下防止Tie生成，所以能得到無偏折，無c、h2、02、n2的純金屬欽徒。上述技術方案中，所述的用等離子炭還原氧化物煉鈦鐵合金是按化學反應式 2Ti02+Fe203+7C=2FeTi+7C0(3) 用工業純二氧化鈦粉、三氧化二鐵粉、炭粉加粘結劑混勻擠壓成爐料自耗電極烘干，插入封閉式耐火材料爐缸，再加造渣劑48%Ca0、48%AI203、4% Fe203通直流電冶煉，產生熔點低的鈦鐵合金液，落入耐火材料砌造的爐缸內，由爐缸底側壁虹吸管自動連續或定期抽入爐旁封閉式鑄錠室，冷卻成無C、H2、02、N2的優質鈦鐵合金錠，并能連續大規模低成本生產。上述技術方案中，所述的用等離子炭還原氧化物煉鈦鋁合金，例如煉航空發動機應用的先進材料，31.17%A1、61.57%T1、0.38%S1、6.75%W，其化學反應式: A1203+3C=2AI+3C0 (3) Ti0z+2C=Ti+2C0 (1) Si0z+2C=Si+2C0 (4)2/3W03+2C=2/3ff+2C0 (5) 配二氧化二招粉、二氧化鈦粉、二氧化娃粉、二氧化鶴粉、炭粉，加上相.禍內和相■禍壁上造渣劑所需量48%CaO、48% Al203、4% Ti02粉加粘結劑混勻擠壓成所需形狀的爐料自耗電極烘干，裝入相適應形狀的水冷銅坩堝內，通電熔煉能得到無偏折、無C、H2、02、N2的優質鈦鋁合金錠。其它航空航天、船艦車輛所需輕質高強度耐腐蝕的不同化學成分的鈦合金，也可采用上述類似設備和方法熔煉。優點及效果: 1、生產工藝簡單:從爐料到煉成鈦錠只需一臺簡單的等離子電爐，就能取代傳統技術用鎂或鈉還原四氧化鈦爐，一級蒸餾、濾取或噴氬吹洗、破碎、研磨小顆粒制電極、一次或多次熔煉成鈦錠的方法。2、產品質量高，鈦錠中Η2、02、Ν2都比現有鈦錠低。3、生產成本最低，因設備簡單生產周期短，規模大，勞力消耗少，廉價炭代替昂貴鈦或鈉，能耗低，成產成本大降。4、環保好，僅用一臺封閉式電爐，排煙易處理，符合環保要求，無其它污染源。5、社會效益大，輕質耐腐蝕高強度鈦價大降后，能為航空、船艦、車輛減重而節省燃油消耗，減少地球污染源。工作原理: 按物理化學知識，等離子實質上是讓氣體具有很高能量而離子化，因此能導電，所有氣體在一大氣壓下用直流電加熱到5000°C — 30000°C時都能成為熱等離子體而導電，利用這種高能量密度的等離子熱氣焊接金屬已廣泛應用。瑞典幾十年前就實驗過等離子煉鐵法，許多學者也探討用等離子熱熔煉高熔點金屬和活潑金屬，但都把等離子發生器裝在爐外，需要耐高溫材料做外殼保護等離子發生器，造成材料難求，設備投資多，能耗損失大，沒有經濟實用價值而停產。本專利技術取消傳統思維，首創等離子發生器在爐缸自耗電極底端，使設備簡單，熱量充分利用。與現有技術相比，本專利技術生產工藝簡單，產品質量最高，生產成本最低，環境保護好。【附圖說明】圖1為本專利技術等離子炭還原二氧化鈦等氧化物煉鈦或煉鈦鋁合金電爐生產原理不意圖； 圖2為本專利技術等離子炭還原二氧化鈦和三氧化二鐵連續煉鈦鐵合金電爐示意圖； 圖3為本專利技術金屬板網柱導電的爐料自耗電極縱剖面示意圖。附圖標記說明: 1-爐料自耗電極，2-中空石墨電極，3-煙囪，4-爐蓋，5-絕緣層，6-爐渣，本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種用等離子炭還原氧化物煉鈦或鈦合金的新工藝，其特征在于，用工業純二氧化鈦粉或工業純二氧化鈦粉與合金元素氧化物粉，配比按化學反應式所需炭粉，再加粘接劑混勻擠壓成型烘干，成為爐料自耗電極，與造渣劑一起裝入封閉直流電爐內通電，電極底端產生5000℃以上等離子弧區，把爐料自耗電極熔煉成鈦或鈦合金液落入鉀鈉或水冷銅坩堝內或耐火材料爐缸內，由虹吸管連續或定期自動抽入封閉鑄錠室冷卻成錠，得到無偏析、無C、H2、O2、N2的優質純金屬鈦錠或鈦合金錠。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：丁公權，丁小波，丁小軍，
申請(專利權)人：丁公權，
類型：發明
國別省市：河南;41