[发明专利]一种冶金用含钛合金及其低成本生产方法

说明书

本发明涉及一种冶金用含钛合金及其低成本生产方法，所述含钛合金是由下述重量份的原料制成：钛铁精矿粉100份，二氧化钛粉50‑60份，含碳还原剂50‑60份，碳酸钠5‑10份，铁粉20‑30份，粘合剂10‑20份；所述含钛合金的生产方法，是先将反应物原料预制成反应块，然后加入封闭的轨道窑式加热装置中，逐步进行碳热反应、氮化反应最后制成含钛合金；本发明生产的含钛合金中以TiN和TiCN为主，该合金可在螺纹钢冶金过程中全面应用，其中的Ti、N、C均为螺纹钢中的有益元素，可有效增加螺纹钢的强度和韧性，实现部分或全面替代螺纹钢中的含钒合金，明显降低合金化成本。

技术领域

本发明涉及钢铁冶金行业、含钛合金的生产技术领域，特别是一种冶金用含钛合金及其低成本生产方法。

背景技术

钛是钢中最重要的合金元素之一。

钛在钢中具有广泛的有益作用。钛和氮、氧、碳都有极强的亲和力，是一种良好的脱氧去气剂和固定氮、碳的有效元素。钛和碳的化合物(TiC)结合力极强，稳定性高，只有加热到1000℃以上才会缓慢溶入铁的固溶体中，TiC微粒有阻止钢晶粒长大粗化的作用，钛和N也极易结合形成TiN，这些微粒一方面可以作为异质核心促进钢在凝固过程中形核量增多，同时也阻止晶粒的异常粗化，TiC和TiN的存在，可单独和共同形成细晶强化的效果，明显提高钢材的强度。

而随着螺纹钢新国标GB/T 1499.2-2018的颁布并实施，HRB400及以上级别的螺纹钢必须经过微合金化才能达到国标要求的强度，最直接的途径是钒和钒氮的合金化，但是钒及其合金由其原料和生产过程决定的成本极高，每吨单价均在16-30万元之间甚至更高。由于钛在钢中具有与钒相似的作用，而含钛合金的价格优势明显，仅为钒合金的五分之一左右，但是由于螺纹钢生产中不进行深脱氧，直接加入钛铁后收得率偏低且极不稳定，直接加入钛铁进行合金化，效果波动明显，应用推广受到了极大限制，因此，可以采用TiN或TiCN为主的复合物合金的方式加入螺纹钢的生产过程，其中的Ti、N、C均为螺纹钢成分必要元素或者提高成品强度的元素，在钢液中，此类复合物增加了N含量，可减小O的活度，从而减少了Ti的氧化，因而Ti的含氮复合物可以代替钒及其合金，实现HRB400、HRB500级螺纹钢的低成本稳定生产。螺纹钢冶金生产中所用的TiN对有效含量、纯度、粒度、密度等要求并不十分严格。

在许多论文和专利中都提及了碳热还原生产TiN、TiC和TiCN的试验以及方法，实现了生产一定纯度的氮化钛的制备，如申请号为CN110467160B的专利，介绍了碳热还原氮化制备氮化钛的原料组合物及制备方法，以二氧化钛100份、碳质还原剂25-29份，铁和/或铁的氧化物0.6-1份，以Fe的质量计，采用该原料组合物能够制备得到氧含量0.5%以下，碳含量1.0%以下的高纯度氮化钛。其步骤包括：取以上所述原料组合物，加入粘结剂，混合并压制，在氮气气氛中分阶段解热即得，加热总时间11～19小时。该方法的主要问题是原料为纯TiO₂，成本高，分级加热时间长，能量成本消耗大，同时制得的TiN纯度高，熔点也高，不易在钢液中熔融或者溶解，从成本和成品物化性质等方面都不适用于冶金过程。申请号CN200610018702.8的专利，介绍了一种低温熔盐碳热还原合成碳氮化钛粉末的方法，属于非氧化物陶瓷制备技术，采用的技术方案是：将含碳混合物中的C和 TiO₂按摩尔比为1∶1～5混合， 外加上述混合物重量百分含量0.5～50％的熔盐和0～30％的结合剂，混合均匀后在10～600MPa压力下机压成型或成球， 在埋炭条件或氩气或氮气保护气氛下、在600～1800℃条件下保温30～1200分钟，自然冷却，其合成的碳氮化钛粉末， 碳氮化钛含量大于85％，具有B1－NaCl型的晶体结构且平均粒径大于7μm，与单纯的碳热还原相比，合成温度下降200～500℃，纯度更高，晶粒形状规则且粒径较大。该发明的重点是控制氮化钛或者碳氮化钛的纯度和晶粒尺寸，在大工业化大生产条件下，很难实现。还有申请号CN200910076143.X的专利介绍的制备氮化钛陶瓷粉末的方法，其钛源为可溶性钛盐，目标是生产高纯度氮化钛，成本过高，在冶金行业无实用价值。