一種鈦鐵礦制備的碳化鈦及冶煉工藝、及其應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于冶金技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種鈦鐵礦制備的碳化鈦及冶煉工藝、及其應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]鈦鐵礦(FeT13)的理論T12含量為52.63%，在自然界中，鈦鐵礦分為巖礦和砂礦兩大類，從巖礦中選出的鈦鐵礦品位(Ti02) —般為42?48 %，而從砂礦中選得的鈦鐵礦品位(T12)—般為50?64%。我國(guó)攀枝花-西昌地區(qū)(即攀西地區(qū))蘊(yùn)藏著豐富的鈦鐵礦資源，每年攀西地區(qū)鈦資源經(jīng)選礦法回收的鈦鐵礦精礦達(dá)到30萬(wàn)噸，但由于攀西地區(qū)鈦鐵礦精礦屬于巖礦型鈦鐵礦，結(jié)構(gòu)致密，氧化鎂含量高，品位低，至今仍未開(kāi)發(fā)出一條適合該資源特點(diǎn)的有效途徑。
[0003]碳化鈦具有NaCl型立方晶系結(jié)構(gòu)，晶胞參數(shù)是0.4327nm，空間群為Fm3m，具有高熔點(diǎn)、高硬度、耐磨、耐腐蝕的特點(diǎn)，同時(shí)還具有良好的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性和化學(xué)穩(wěn)定性。目前國(guó)內(nèi)外制備碳化鈦的方法主要有碳熱還原T12法、直接反應(yīng)法、溶膠凝膠法、微波合成法、機(jī)械球磨法、化學(xué)氣相沉積法和鈦鐵礦直接碳熱還原法等。專利CN101734660A中公開(kāi)了一種微波合成納米級(jí)碳化鈦的方法，將二氧化鈦和乙炔炭黑烘干后，按照料:鋯球子:無(wú)水乙醇=1:1?5: 3?6的質(zhì)量比球磨混勾，烘干，利用微波加熱合成納米級(jí)碳化鈦。專利CN101734660A中公開(kāi)了一種真空碳熱還原制備碳化鈦粉的方法，采用真空冶金的方法，以二氧化鈦和碳為原料，鈦白粉和碳粉的質(zhì)量比為20:9?21，經(jīng)破碎，壓塊后放入真空爐內(nèi)，以10°C/min?15°C/min的升溫速率加熱至1300°C?1600°C，保溫2?10小時(shí)，爐內(nèi)壓力為1pa?lOOPa，制得超細(xì)碳化鈦粉。專利CN101871070A中公開(kāi)了一種利用攀枝花鈦鐵礦為原料，在碳熱、鋁熱還原的基礎(chǔ)上采用熱壓燒結(jié)工藝直接制備低成本Al203/Ti(C，N)/Fe金屬陶瓷復(fù)合材料的方法。其缺點(diǎn)是制備的金屬陶瓷復(fù)合材料中不可避免Mg、S1、Mn、Ca等雜質(zhì)。采用儲(chǔ)量豐富的攀枝花鈦鐵礦為原料制備碳化鈦，相比于其他制備方法成本更加低廉，其主要的技術(shù)難題在于如何除去鈦鐵礦中的主要雜質(zhì)元素鎂、錳、硅和鈣等。本發(fā)明利用真空條件下，雜質(zhì)元素鎂、硅、錳和鈣能被碳粉還原成相應(yīng)氣態(tài)物質(zhì)從攀枝花鈦鐵礦中分離出來(lái)的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了真空碳熱還原鈦鐵礦制備碳化鈦粉末的新方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種鈦鐵礦制備的碳化鈦及冶煉工藝、及其應(yīng)用。本發(fā)明采用鈦鐵礦作為原料，降低了制備成本;并通過(guò)工藝的合理設(shè)計(jì)有效降低了還原產(chǎn)物中的雜質(zhì)元素，使材料性能得以提升。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下。
[0006]—種鈦鐵礦制備碳化鈦的真空冶煉工藝，此工藝所用原材料為鈦鐵礦和碳粉，將其混料均勻后，壓制成塊，在真空爐中進(jìn)行碳熱還原反應(yīng)，得到鐵和碳化鈦粉末，溶液浸出得到碳化鈦粉末。
[0007]此工藝優(yōu)選的技術(shù)方案為，所述碳熱還原反應(yīng)的溫度為1200°C?1700°C，時(shí)間2?10小時(shí)。
[0008]此工藝優(yōu)選的技術(shù)方案為，所述真空爐的壓力保持為IPa?200Pa。
[0009]此工藝優(yōu)選的技術(shù)方案為，所述工藝包括以下步驟:
[0010]I)將原料鈦鐵礦和碳粉按質(zhì)量比38:12?15稱重配比，放入球磨機(jī)中球磨混勻；[0011 ] 2)將球磨后的原料在150Mpa?250Mpa壓力下，壓樣成塊；
[0012]3)將塊料放入真空爐內(nèi)，升溫至1200 0C?1700 V，保溫2?1小時(shí)，使物料發(fā)生真空碳熱還原反應(yīng)，真空爐壓力保持在IPa?200Pa ；
[0013]4)將步驟(3)得到的產(chǎn)物用酸或三氯化鐵溶液浸出，得到碳化鈦粉末。
[0014]5.根據(jù)權(quán)利要求4所述鈦鐵礦制備碳化鈦的冶煉工藝，其特征在于，步驟I)中所述球磨工藝為，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為200?500rpm，球磨時(shí)間2?10小時(shí)。
[0015]上述工藝中，物料發(fā)生真空碳熱還原反應(yīng)，從而除去了鈦鐵礦中的雜質(zhì)元素鎂、硅、錳和鈣。雜質(zhì)元素鎂、硅、錳和鈣在真空條件下被碳粉還原成氣態(tài)物質(zhì)從原料中分離出來(lái)，冷凝在抽濾瓶中形成Mg2Si04、Mn0和CaO。
[0016]此工藝優(yōu)選的技術(shù)方案為，所述碳熱還原反應(yīng)的工藝為，以5?15°C/min的速率升溫至12000C?17000C，保溫2?10小時(shí)，然后以5?15°C/min的速率降至室溫。
[0017]此工藝優(yōu)選的技術(shù)方案為，步驟4)中所述酸為鹽酸、硫酸中的一種。
[0018]此工藝優(yōu)選的技術(shù)方案為，所述碳粉為木炭、活性炭、石墨、石油焦、煤炭、炭黑中的一種或幾種的組合。
[0019]本發(fā)明還涉及上述工藝制備的碳化鈦，所述碳化鈦的純度大于98%，粒度小于10μmD
[0020]本發(fā)明還涉及上述工藝的應(yīng)用，所述碳熱還原反應(yīng)后，得到的鐵和碳化鈦粉末，直接用于制備Fe-T i C復(fù)合材料。
[0021]本發(fā)明具有如下的有益效果:
[0022]1、本發(fā)明采用鈦鐵礦為原料，相比于其他制備方法成本更加低廉，有利于我國(guó)豐富的鈦鐵礦資源的利用與開(kāi)發(fā)；
[0023]2、本發(fā)明采用真空冶煉的工藝，在IPa?200Pa條件下，在1200°C?1700°C碳熱還原2?10小時(shí)，將鈦鐵礦中的雜質(zhì)元素鎂、硅、錳和鈣還原分離出來(lái)，降低了還原產(chǎn)物中雜質(zhì)元素的含量。
[0024]3、本發(fā)明利用酸或三氯化鐵溶液，將還原產(chǎn)物鐵和碳化鈦粉末浸出，得到了超細(xì)碳化鈦粉末，其純度I 98wt%。還原產(chǎn)物也可直接制備Fe-TiC復(fù)合材料。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步說(shuō)明。
[0026]實(shí)施例1:將攀枝花鈦鐵礦和活性炭按照質(zhì)量比38: 15稱料，鈦鐵礦成分為:42.47%Fe0,46.22%Ti02,3.99%Mg0,4.15%Si02a.60%Al203,0.76%Mn0,0.61%Ca0o)lt原料放入球磨機(jī)中球磨2小時(shí)，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為350rpm，使鈦鐵礦和活性炭充分混勻。將球磨后的原料在230Mpa壓力下，用壓樣機(jī)壓制成Φ 1.8cm X 0.5cm的圓柱狀塊料，將塊料放入放入真空爐內(nèi)，以5°C/min的升溫速率加熱至1500°C，保溫2小時(shí)，然后以5°C/min的降溫速率降至室溫，期間真空爐壓力保持在100?200Pa。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，攀枝花鈦鐵礦中的雜質(zhì)元素鎂、硅、錳和鈣在真空條件下被活性炭還原成氣態(tài)物質(zhì)從原料中分離出來(lái)，冷凝在抽濾瓶中形成Mg2S1^MnO和CaO。碳熱還原反應(yīng)結(jié)束后，還原產(chǎn)物中雜質(zhì)元素鎂的含量由原礦中的3.99%降低到0.0327%，雜質(zhì)元素硅由原礦中的4.15%降低到0.7836%，雜質(zhì)元素錳由原礦中的0.76 %降低到0.1704%，雜質(zhì)元素鈣由原礦中的0.61%降低到0.2857 %。將得到的還原產(chǎn)物鐵和碳化鈦粉末用0.5mol/L的三氯化鐵溶液浸出，得到了純度2 98%的碳化鈦粉末，碳化鈦粒度小于I Oym。
[0027]實(shí)施例2:將攀枝花鈦鐵礦和石墨按照質(zhì)量比38:12稱料，鈦鐵礦成分為:42.47 %Fe0，46.22%Ti02，3.99%Mg0，4.15%Si02，1.60%Al203，0.76%Mn0，0.61%Ca0。將原料放入球磨機(jī)中球磨5小時(shí)，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為300rpm，使鈦鐵礦和石墨充分混勻。將球磨后的原料在230Mpa壓力下，用壓樣機(jī)壓制成Φ 1.8cm X 0.5cm的圓柱狀塊料，將塊料放入真空爐內(nèi)，以5°C/min的升溫速率加熱至1600°C，保溫3小時(shí)，然后以5°C/min的降溫速率將至室溫，期間真空爐壓力保持在I?lOOPa。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，攀枝花鈦鐵礦中的雜質(zhì)元素鎂、硅、錳和鈣在真空條件下被石墨還原成氣態(tài)物質(zhì)從原料中分離出來(lái)，冷凝在抽濾瓶中形成Mg2Si04、Mn0和CaO。碳熱還原反應(yīng)結(jié)束后，還原產(chǎn)物中雜質(zhì)元素鎂的含量由原礦中的3.99%降低到
0.0157%，雜質(zhì)元素硅由原礦中的4.15%降低到0.3374%，雜質(zhì)元素錳由原礦中的0.76%降低到0.1051%，雜質(zhì)元素鈣由原礦中的0.61 %降低到0.1934%。將得到的還原產(chǎn)物鐵和碳化鈦粉末用0.5mol/L的鹽酸溶液浸出，得到了純度2 98%的碳化鈦粉末，碳化鈦粒度小于1ymο
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種鈦鐵礦制備碳化鈦的真空冶煉工藝，其特征在于，此工藝所用原材料為鈦鐵礦和碳粉，將其混料均勻后，壓制成塊，在真空爐中進(jìn)行碳熱還原反應(yīng)，得到鐵和碳化鈦粉末，溶液浸出得到碳化鈦粉末。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述鈦鐵礦制備碳化鈦的冶煉工藝，其特征在于，所述碳熱還原反應(yīng)的溫度為1200 0C?1700 0C，時(shí)間2?1小時(shí)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述鈦鐵礦制備碳化鈦的冶煉工藝，其特征在于，所述真空爐的壓力保持為IPa?200Pa。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述鈦鐵礦制備碳化鈦的冶煉工藝，其特征在于，所述工藝包括以下步驟: 1)將原料鈦鐵礦和碳粉按質(zhì)量比38:12?15稱重配比，放入球磨機(jī)中球磨混勻； 2)將球磨后的原料在150Mpa?250Mpa壓力下，壓樣成塊； 3)將塊料放入真空爐內(nèi)，升溫至12000C?17000C，保溫2?10小時(shí)，使物料發(fā)生真空碳熱還原反應(yīng)，真空爐壓力保持在IPa?200Pa ； 4)將步驟(3)得到的產(chǎn)物用酸或三氯化鐵溶液浸出，得到碳化鈦粉末。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述鈦鐵礦制備碳化鈦的冶煉工藝，其特征在于，步驟I)中所述球磨工藝為，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為200?500rpm，球磨時(shí)間2?1小時(shí)。6.根據(jù)權(quán)利要求1或2或4所述鈦鐵礦制備碳化鈦的冶煉工藝，其特征在于，所述碳熱還原反應(yīng)的工藝為，以5?15°C/min的速率升溫至1200°C?1700°C，保溫2?10小時(shí)，然后以5?15°C/min的速率降至室溫。7.根據(jù)權(quán)利要求4所述鈦鐵礦制備碳化鈦的冶煉工藝，其特征在于，步驟4)中所述酸為鹽酸、硫酸中的一種。8.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述鈦鐵礦制備碳化鈦的冶煉工藝，其特征在于，所述碳粉為木炭、活性炭、石墨、石油焦、煤炭、炭黑中的一種或幾種的組合。9.如權(quán)利要求1或4所述冶煉工藝制備的碳化鈦，其特征在于，所述碳化鈦的純度大于98%，粒度小于ΙΟμπι。10.如權(quán)利要求1或4所述冶煉工藝制備的應(yīng)用，其特征在于，所述碳熱還原反應(yīng)后，得到的鐵和碳化鈦粉末，直接用于制備Fe-TiC復(fù)合材料。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種鈦鐵礦制備的碳化鈦及冶煉工藝、及其應(yīng)用。此工藝所用原材料為鈦鐵礦和碳粉，將其混料均勻后，壓制成塊，在真空爐中進(jìn)行碳熱還原反應(yīng)，得到鐵和碳化鈦粉末，溶液浸出得到碳化鈦粉末；所得碳化鈦的純度大于98％，粒度小于10μm；真空碳熱還原產(chǎn)物鐵和碳化鈦粉末用于制備Fe-TiC復(fù)合材料。該方法以鈦鐵礦作為原料，降低了制備成本；并通過(guò)工藝的合理設(shè)計(jì)有效降低了還原產(chǎn)物中的雜質(zhì)元素，使材料性能得以提升。
【IPC分類】C22B5/10, C22C33/02, C22B9/04, C01B31/30, C22C1/05
【公開(kāi)號(hào)】CN105567970
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201610007013
【發(fā)明人】張國(guó)華, 茍海鵬, 吳柯漢, 周國(guó)治
【申請(qǐng)人】北京科技大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年5月11日
【申請(qǐng)日】2016年1月5日