一種鈦鐵礦制備的碳化鈦及冶煉工藝、及其應用
【技術領域】
[0001]本發明屬于冶金技術領域，尤其涉及一種鈦鐵礦制備的碳化鈦及冶煉工藝、及其應用。
【背景技術】
[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%。我國攀枝花-西昌地區(即攀西地區)蘊藏著豐富的鈦鐵礦資源，每年攀西地區鈦資源經選礦法回收的鈦鐵礦精礦達到30萬噸，但由于攀西地區鈦鐵礦精礦屬于巖礦型鈦鐵礦，結構致密，氧化鎂含量高，品位低，至今仍未開發出一條適合該資源特點的有效途徑。
[0003]碳化鈦具有NaCl型立方晶系結構，晶胞參數是0.4327nm，空間群為Fm3m，具有高熔點、高硬度、耐磨、耐腐蝕的特點，同時還具有良好的導熱性、導電性和化學穩定性。目前國內外制備碳化鈦的方法主要有碳熱還原T12法、直接反應法、溶膠凝膠法、微波合成法、機械球磨法、化學氣相沉積法和鈦鐵礦直接碳熱還原法等。專利CN101734660A中公開了一種微波合成納米級碳化鈦的方法，將二氧化鈦和乙炔炭黑烘干后，按照料:鋯球子:無水乙醇=1:1?5: 3?6的質量比球磨混勾，烘干，利用微波加熱合成納米級碳化鈦。專利CN101734660A中公開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，鈦白粉和碳粉的質量比為20:9?21，經破碎，壓塊后放入真空爐內，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，爐內壓力為1pa?lOOPa，制得超細碳化鈦粉。專利CN101871070A中公開了一種利用攀枝花鈦鐵礦為原料，在碳熱、鋁熱還原的基礎上采用熱壓燒結工藝直接制備低成本Al203/Ti(C，N)/Fe金屬陶瓷復合材料的方法。其缺點是制備的金屬陶瓷復合材料中不可避免Mg、S1、Mn、Ca等雜質。采用儲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，其主要的技術難題在于如何除去鈦鐵礦中的主要雜質元素鎂、錳、硅和鈣等。本發明利用真空條件下，雜質元素鎂、硅、錳和鈣能被碳粉還原成相應氣態物質從攀枝花鈦鐵礦中分離出來的特點，開發了真空碳熱還原鈦鐵礦制備碳化鈦粉末的新方法。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是提供一種鈦鐵礦制備的碳化鈦及冶煉工藝、及其應用。本發明采用鈦鐵礦作為原料，降低了制備成本;并通過工藝的合理設計有效降低了還原產物中的雜質元素，使材料性能得以提升。
[0005]為實現上述目的本發明采用的技術方案如下。
[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，在真空爐中進行碳熱還原反應，得到鐵和碳化鈦粉末，溶液浸出得到碳化鈦粉末。
[0007]此工藝優選的技術方案為，所述碳熱還原反應的溫度為1200°C?1700°C，時間2?10小時。
[0008]此工藝優選的技術方案為，所述真空爐的壓力保持為IPa?200Pa。
[0009]此工藝優選的技術方案為，所述工藝包括以下步驟:
[0010]I)將原料鈦鐵礦和碳粉按質量比38:12?15稱重配比，放入球磨機中球磨混勻；[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，升溫至1200 0C?1700 V，保溫2?1小時，使物料發生真空碳熱還原反應，真空爐壓力保持在IPa?200Pa ；
[0013]4)將步驟(3)得到的產物用酸或三氯化鐵溶液浸出，得到碳化鈦粉末。
[0014]5.根據權利要求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，球磨機轉速為200?500rpm，球磨時間2?10小時。
[0015]上述工藝中，物料發生真空碳熱還原反應，從而除去了鈦鐵礦中的雜質元素鎂、硅、錳和鈣。雜質元素鎂、硅、錳和鈣在真空條件下被碳粉還原成氣態物質從原料中分離出來，冷凝在抽濾瓶中形成Mg2Si04、Mn0和CaO。
[0016]此工藝優選的技術方案為，所述碳熱還原反應的工藝為，以5?15°C/min的速率升溫至12000C?17000C，保溫2?10小時，然后以5?15°C/min的速率降至室溫。
[0017]此工藝優選的技術方案為，步驟4)中所述酸為鹽酸、硫酸中的一種。
[0018]此工藝優選的技術方案為，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]本發明還涉及上述工藝的應用，所述碳熱還原反應后，得到的鐵和碳化鈦粉末，直接用于制備Fe-T i C復合材料。
[0021]本發明具有如下的有益效果:
[0022]1、本發明采用鈦鐵礦為原料，相比于其他制備方法成本更加低廉，有利于我國豐富的鈦鐵礦資源的利用與開發；
[0023]2、本發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，將鈦鐵礦中的雜質元素鎂、硅、錳和鈣還原分離出來，降低了還原產物中雜質元素的含量。
[0024]3、本發明利用酸或三氯化鐵溶液，將還原產物鐵和碳化鈦粉末浸出，得到了超細碳化鈦粉末，其純度I 98wt%。還原產物也可直接制備Fe-TiC復合材料。
【具體實施方式】
[0025]下面結合具體實施例對本發明的技術方案做進一步說明。
[0026]實施例1:將攀枝花鈦鐵礦和活性炭按照質量比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原料放入球磨機中球磨2小時，球磨機轉速為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，以5°C/min的升溫速率加熱至1500°C，保溫2小時，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。實驗過程中，攀枝花鈦鐵礦中的雜質元素鎂、硅、錳和鈣在真空條件下被活性炭還原成氣態物質從原料中分離出來，冷凝在抽濾瓶中形成Mg2S1^MnO和CaO。碳熱還原反應結束后，還原產物中雜質元素鎂的含量由原礦中的3.99%降低到0.0327%，雜質元素硅由原礦中的4.15%降低到0.7836%，雜質元素錳由原礦中的0.76 %降低到0.1704%，雜質元素鈣由原礦中的0.61%降低到0.2857 %。將得到的還原產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]實施例2:將攀枝花鈦鐵礦和石墨按照質量比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。將原料放入球磨機中球磨5小時，球磨機轉速為300rpm，使鈦鐵礦和石墨充分混勻。將球磨后的原料在230Mpa壓力下，用壓樣機壓制成Φ 1.8cm X 0.5cm的圓柱狀塊料，將塊料放入真空爐內，以5°C/min的升溫速率加熱至1600°C，保溫3小時，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。實驗過程中，攀枝花鈦鐵礦中的雜質元素鎂、硅、錳和鈣在真空條件下被石墨還原成氣態物質從原料中分離出來，冷凝在抽濾瓶中形成Mg2Si04、Mn0和CaO。碳熱還原反應結束后，還原產物中雜質元素鎂的含量由原礦中的3.99%降低到
0.0157%，雜質元素硅由原礦中的4.15%降低到0.3374%，雜質元素錳由原礦中的0.76%降低到0.1051%，雜質元素鈣由原礦中的0.61 %降低到0.1934%。將得到的還原產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
【主權項】
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，在真空爐中進行碳熱還原反應，得到鐵和碳化鈦粉末，溶液浸出得到碳化鈦粉末。2.根據權利要求1所述鈦鐵礦制備碳化鈦的冶煉工藝，其特征在于，所述碳熱還原反應的溫度為1200 0C?1700 0C，時間2?1小時。3.根據權利要求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.根據權利要求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量比38:12?15稱重配比，放入球磨機中球磨混勻； 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，升溫至12000C?17000C，保溫2?10小時，使物料發生真空碳熱還原反應，真空爐壓力保持在IPa?200Pa ； 4)將步驟(3)得到的產物用酸或三氯化鐵溶液浸出，得到碳化鈦粉末。5.根據權利要求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，球磨機轉速為200?500rpm，球磨時間2?1小時。6.根據權利要求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，然后以5?15°C/min的速率降至室溫。7.根據權利要求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.根據權利要求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.如權利要求1或4所述冶煉工藝制備的應用，其特征在于，所述碳熱還原反應后，得到的鐵和碳化鈦粉末，直接用于制備Fe-TiC復合材料。
【專利摘要】本發明公開了一種鈦鐵礦制備的碳化鈦及冶煉工藝、及其應用。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，在真空爐中進行碳熱還原反應，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；真空碳熱還原產物鐵和碳化鈦粉末用于制備Fe-TiC復合材料。該方法以鈦鐵礦作為原料，降低了制備成本；并通過工藝的合理設計有效降低了還原產物中的雜質元素，使材料性能得以提升。
【IPC分類】C22B5/10, C22C33/02, C22B9/04, C01B31/30, C22C1/05
【公開號】CN105567970
【申請號】CN201610007013
【發明人】張國華, 茍海鵬, 吳柯漢, 周國治
【申請人】北京科技大學
【公開日】2016年5月11日
【申請日】2016年1月5日