钛铁性质与用途

钛的原子量为47.90。外层电子结构为3d4s。熔点1667℃。沸点3285℃。密度(20℃)4.5g/cm3。钛的化学性质较活泼，能与氧、氮、硫、碳生成稳定的化合物。

钛铁在炼钢中用作脱氧剂、除气剂和碳硫稳定剂。生产镇静钢用钛脱氧，可以减少钢锭上部的偏析，改善钢的质量和提高钢锭的成材率。钛与溶解在钢液中的氮可结合成稳定的氮化钛，能消除氮对钢性能的不良影响。钛与钢液中的硫生成硫化钛，可以消除导致热脆的硫化铁生成。钛与碳生成极稳定的碳化钛，碳化钛的微粒可阻止钢晶粒长大，细化钢的组织，使钢的强度提高。钛与碳间的化学亲和力大于铬与碳，在不锈钢中添加钛铁以固定碳，可消除铬在不锈钢晶界的贫化现象，提高不锈钢的抗腐蚀能力。近年来钛已作为微合金化元素生产高强度低合金钢。铸铁中加入钛，有助于细晶石墨的生成，还起脱气、孕育、净化与细化铸件组织的作用，提高铸件耐磨性。耐热铸铁添加钛可以提高铸铁件的耐热性。此外，超合金与铝合金生产用含钛复合合金作添加剂。电焊条用钛铁作涂料组分，可以提高焊接质量。

钛铁是一种用途较为广泛的特种合金，在炼钢过程中作为合金元素加入钢中，起到细化组织晶粒、固定间隙元素（C、N）、提高钢材强度等作用。在冶炼不锈钢和耐热钢时，钛与碳结合成稳定的化合物，能防止碳化铬生成，从而减少晶间腐蚀，提高铬镍不锈钢的焊接性能。用钛脱氧的产物易于上浮，镇静钢用钛脱氧可以减少钢锭上部的偏析，从而改善钢锭质量，提高钢锭的收得率。钛与溶解在钢水中的氮结合生成一种稳定的不溶于钢水的氮化钛。高钛铁又是冶炼铁基高温合金和优质不锈钢等不可缺少的合金材料。随着钢质量的提高，品种的增加，对钛铁质量及品种的要求越来越高。国际市场对含钛高的高钛铁的需求量较大，但我国目前的铁合金厂一般只生产普通中、低钛铁。对于 w(Ti) = 65%~75%、w(Al) ≤4%的高钛铁,很少有厂家正式生产。

主成分为钛和铁的铁合金。还含有铝、硅、碳、硫、磷、锰等杂质。用作炼钢脱氧剂、脱硫剂、除气剂和合金剂。按含钛量的不同主要有3个品种：FeTi30(含Ti25.0%～35.0%、Al<8.5%、Si<5.0%)，FeTi40(含Ti35.0%～45.0%，Al<9.5%，Si<4.0%)和FeTi70(含Ti65%～75%，A10.5%～5%，Si<0.5%)。此外，还有多种含钛复合合金如Ti-Si-Fe，Ti-B-Al-V，Ti-B-Al-Cr，Ti-Al，Ni-Ti-Al，Ti-B-Al，Ti-Cr-Al等，用作钛添加剂。

钛是1791年格雷戈尔(W. Gregor)发现的，但当时未命名，直到1795年克拉普罗特(M. H. Klaproth)发现钛后，才命名为“Titans”(钛)。罗西(A. Rossi)于1901年提出电铝热法冶炼钛铁的专利，1937年苏联研究铝热法冶炼钛铁的工艺。从50年代中期起，因废钛金属料的增加，开始生产70%Ti的钛铁。中国于1959年在锦州铁合金厂开始用铝热法工业规模生产钛铁。

目前国际市场上供应的高钛铁主要是 w(Ti)68­72%、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%的优质高钛铁，这种高钛铁采用钛屑重熔法生产。国内也有采用这种方法来生产高钛铁，但成本很高。

为了降低炼钢成本，国内钢铁企业采购高钛铁时适当放低了要，W 厂生产IF 钢使用的高钛铁要求：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%。

工业生产钛铁的原料有钛铁精矿(Fe-TiO₃)、金红石(TiO₂)、钛白粉(TiO₂)及废钛金属料(Ti，Ti-V-Al等)，其中除废钛金属料外，都要用还原剂还原才能得到钛铁和钛合金。TiO₂是比较难还原的氧化物。用碳还原TiO₂只有在高温下才能实现，并且生成TiC而不是Ti。得到高碳钛铁。用硅还原TiO₂是不能实现的，但添加CaO作熔剂，则可以促使硅还原反应发生。钛与硅生成稳定的硅化物，对硅还原反应有利，但生产的钛铁含硅高。用铝还原TiO₂生成Ti是可能的。但如配铝低于化学计算值，则生成大量TiO。TiO比TiO₂更稳定，用铝也不能将它还原。它是强碱性氧化物，能与Al₂O₃或SiO₂组成炉渣。所以要添加CaO来阻止TiO的成渣反应，而且对TiO₂的还原也有利。比较图 2的反应，用铝还原钛铁矿(FeTiO₃)比还原TiO₂容易，添加CaO也有同样效果。所以用铝还原钛精矿是生产钛铁的主要方法。得到的产品含碳低，但铝、硅较高。综合上述分析，生产钛铁的主要方法有铝热法，电硅热法和电碳热法，还有废钛金属料重熔法。

钛铁重熔法

用钛废料和废钢作原料，在感应炉内重熔，生产约70%Ti（Fe-Ti系在约68%Ti有低共熔点）的钛铁。为了减少钛在重熔过程中的烧损，把钛废料装在钢筒中后压紧。并添加氯化钡和氯化钠的混合物，或冰晶石，或类似的低熔点混合物作熔剂，覆盖在钛铁熔体上面。重熔法还可生产各种钛复合合金。

钛铁电硅热法

在电炉内用硅铁还原TiO₂-FeO-CaO-CaF₂熔体。可以生产出Fe-Ti-Si，Si-Ca-Ti等复合合金。如增加其他氧化物或添加其他铁合金后，则可制成多元的钛复合合金。

钛铁电碳热法

在小型电炉内用焦炭作还原剂，石灰作熔剂，可以生产含i20%～25%，C5%～8%，Sil%～2%，Al1%～2%，余量为铁的高碳钛铁。要得到含碳较低的钛铁，可在炉料中添加硅石。如炉料组成为：47%钛铁矿(TiO₂51.5%)，28.5%硅石，24.5%焦屑，可炼出Ti29%～30%，Si17%～20%，C1.8%～2%的中碳钛铁。提高炉料内硅石的配比，可炼出Si约30%与C0.1%～0.3%的低碳高硅钛铁。如炉料中增加铝矾土，可炼出Ti-Al-Si-Fe复合合金。

钛铁冶炼中的不正常现象

1）湿炉料掺杂炉料中，发生沸腾现象，炉气逸出不均匀，喷出大量炉料；镁砂含有水分作砂窝也有喷料现象。

2）炉料混合不均匀，冶炼进行得也不均匀。

3）单位配热量低，反应缓慢，冶炼时间长。原因是还原剂不够，发热量低，或炉料预热温度低，形成冶炼的冷行程，铁锭底部粘渣较多，渣中铁粒较多或铁锭熔合不好，较为松散或夹渣。

4）单位配热量高或预热温度高，反应剧烈，炉渣搅动，造成喷渣，铁锭坚硬不易破碎，铁锭含铝量高，产量降低。

影响高钛铁冶炼钛回收率的因素

1）随着单位配热的提高，钛回收率提高。但当配热达3250kj/kg 以后钛回收率反而下降。

2）在单位配热一定的情况下，随着石灰的配入量增加，钛的回收率提高，但过多的配入石灰，渣熔点降低，反应温度降低，钛回收率降低。

3）上部点火，钛回收率可达到73%以上。

4）铝粒的粒度越细，钛的回收率越高，粒度大的铝粒除回收率降低外，合金含铝量也有所提高。2100433B

钛铁矿物理特性

铁黑色或钢灰色；条痕钢灰色或黑色。含赤铁矿包裹体时呈褐或褐红色。金属至半金属光泽。不透明。无解理。有时出现或裂开。硬度5~ 5.5。性脆。相对密度4.0~5.0。具弱磁性。

偏光镜下：深红色，不透明或微透明。一轴晶。具非常高的折射率（N=2.7）和重折率。

钛铁矿化学特性

实验使用的钛铁矿为天然矿石，还原剂为木炭粉。矿石中的主要物相为CaO、MgO、SiO₂、Al₂O₃、MnO₂、V₂O₅、Cr₂O₃等。矿石的成分为47.86%TiO₂，35.12�，0.22�O，2.01%MgO，1.86%SiO₂。矿石的粒度小于0.087mm，木炭粉的粒度小于0.076mm。矿石和木炭粉在105℃干燥24h，然后按一定比例混合并压制成块。混合料中含碳量为20%。在微波碳热还原过程中，物料的温度是逐步升高的。用微波将物料从室温加热至1123—1263K需要3—8min，实验发现：钛铁矿的还原反应从一施加微波就开始进行，表明钛铁矿的微波碳热还原反应即使在极低的温度条件下就已开始进行。钛铁矿的这种特性，主要是一部分微波能会发生局域耦合共振，产生热点。这些热点的温度比其他区域的温度高得多，因而他们会产生化学反应，热点的中心就是反应的中心。此外，原子或分子在反应中心还会发生激烈的振动，能更好地满足化学反应的条件，这也会降低引发化学反应的温度。正是由于有这些热点的存在和分子或原子的激烈振动，钛铁矿的微波碳热还原反应才可能在较低的温度下进行，从而极大地降低钛铁矿碳热还原过程的能耗。

钛铁矿的微波还原速率与样品的含碳量关系十分密切。当样品的初始含碳量小于20%时，还原速率随着含碳量的增加而明显加快；当含碳量大于20%时，进一步增加含碳量对还原速率没有明显的影响。

反应式：FeTiO₃ C=Fe TiO₂ CO（1）FeTiO₃ CO=Fe TiO₂ CO₂（2）CO₂ C=2CO（3）反应速率随含碳量的增加而加快，当含碳量大于20%时，反应速率与含碳量无关。微波还原的速率比传统还原快得多。据有关对钛铁矿进行微波碳热还原和传统碳热还原研究的对比实验表明：钛铁矿的微波还原速率比传统还原快得多，在1153K时，微波碳热还原的速率是传统还原的79.06倍。微波还原在1153K的速率可以和传统还原在1422K的速率相比较，两者之间的温度差高达269K，由此也表明，当用微波加热代替传统加热时，钛铁矿的碳热还原可以在较低的温度下进行。

与铁矿石的碳热还原类似，钛铁矿的碳热还原也是强烈的吸热反应（ΔH= 181kJ/molFeTiO₃，采用传统加热还原时同样会产生“冷中心”。由于微波可以对物料进行快速的整体加热，“冷中心”的问题自然得到解决，因而反应速率明显加快。

属AB型，A代表钛，B代表铁、钴、镍等，最常见的为钛铁贮氢材料，贮氢量可达占材料自重的1.75%～1.89%。最初有一活化的难题，在高真空条件下，加热到300～400℃才开始吸氢。中国科学家解决了这一难题，在室温条件下一般真空度就可开始吸氢。此材料原料来源广，成本低，有利于大量使用。德国研制的氢能汽车、美国研制的燃料电池电动车，就是以钛铁贮氢罐供氢的。

云南是有色金属王国，对有色金属的开发自然比较重视，冶金技术日新月异，效率就是效益，该研究填补了钛铁矿微波还原的空缺，为工业利用微波碳热还原钛铁矿提供了理论依据和方法指导。通过微波碳热还原钛铁矿可以使反应速率加快，由于微波碳热还原钛铁矿可以在较低的温度下进行，所以能源的利用将大为降低，对于能源紧缺的中国来讲无疑有很大的科学价值和经济价值。相信该研究定会被应用于工业领域，产生很好的经济和社会效益。