钛铁(ferrotitanium)

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％～35.0O％、Al<8．5％、Si<5.0％)，FeTi40(含Ti35.0％～45.0％，Al<9．.5％，Si<4.0％)和FeTi70(含Ti65％～75％，．Al0.5％～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。

性质与用途 钛的原子量为47．90。外层电子结构为3d²4s²。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。钛铁二元系相图见图1。从图中看出，它们之间有3个金属间化合物，在高温下稳定的化合物为TiFe₂，而TiFe和Ti₂Fe为转熔化合物，有两个低共熔点，位于Ti约14％、温度1340℃和Ti约68％、温度1085℃处。工业钛铁的物理性能如下：

                               熔化范围温度／℃                   密度／g•cm^-3

FeTi30                1350～1500                                  约6．2

FeTi40               1300～1480                                   约5．9

FeTi70              1070～1480                                      约5．4 

 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。

生产工艺     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。还原TiO₂的主要还原反应的△F^。-T图见图2。从图中看出，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。

铝热法 原料有钛精矿(TiO₂>48％，TFe33％～38％，FeO>33％，SiO₂≤1．5％，S≤0.04％，P≤0.04％，C≤0.05％，H₂O<2.0％，粒度50～120目占80％以上)；硅铁(Si>72％，S≤0.02％，P≤0.04％，C≤0.15％，粒度<1mm)；铁矿(TFe>64％，FeO<2．O％，SiO₂<7％，S≤0.05，P≤0.02％，C<0.1％；粒度<1mm)；石灰(CaO>85%，SiO₂<2.0％，S≤0.02％，P≤0.02％，C<0.4％；粒度<2mm)；铝粒(Al>98％，Fe<1.1％，Si<1％，Cu<0.05％；粒度0.1～2.0mm的占80％以上)。生产工艺流程见图3。

钛精矿先在回转窑或其他设备内以约1000℃焙烧，其目的是去除钛精矿的水分与有机物，使部分低价氧化物转变为较高价的氧化物。铁矿石破碎后，在900～1100℃煅烧后粉碎。配料时利用热钛精矿的余热(<250℃)，提高炉料的入炉温度。钛铁冶炼采用下部点火法。冶炼设备布置见图4。冶炼炉筒是四片铸铁件拼成，用螺栓联结固定。炉罩是铸铁件并砌轻质黏土砖衬。冶炼用一批炉料的配比(kg)如下：

                                      钛精矿                    铝粒         铁矿                硅铁         石灰

主料                                 100                      41.5        3.5                      2.0             0.1

精炼料                                                         2.3                 9.5                  2.0            1.0

每炉加钛精矿8．1t。冶炼时间约15min。产钛铁6～6．5t。操作步骤是：先加一批主料于熔炼炉底部作底料，其上加引火剂。用明火点燃引火剂。待引发后即开始还原反应。当底料反应结束，由料仓经过溜槽，往熔池表面陆续加入主料。加料速度以能覆盖熔池表面且不产生“死料”区为原则。主料加完即加入精炼料(为81批料的总和)。最后再加少量石灰粉。放渣后让钛铁锭在砂窝中冷却。产出钛铁的成分为：Ti约30％，Al约8％，Si约1.5％，C<0.10％。炉渣成分为：Al₂O₃73％～75％，TiO₂13％～15％，CaO9％～10％，SiO₂<1.0％，MgO约5％，FeO<1％。渣铁比约1.3。生产lt钛铁(30％Ti)消耗：钛精矿(TiO₂50％)1100～1300kg，铝锭470～5lOkg，硅铁(Si75％)约44kg，石灰(CaO>85％)130～150kg，铁矿(TFe>64％)约150kg。钛冶炼回收率74％～75％。

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(从图1知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。

电硅热法 在电炉内用硅铁还原TiO₂一FeO一CaO一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。

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Ti20％～25％，C5％～8％，Si 1％～2％，Al 1％～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％，Si 17％～20％，C 1.8％～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。

钛铝系复合合金Ti—B—Al—V，Ti—B—Al—cr等复合合金用于碳素钢和合金钢冶炼。添加这些元素可以控制钢的硬化性，也可以改善不锈钢和耐热合金的热加工性。Ti—Al，Ni—Ti—Al，Ti—B—Al与Ti—Cr-Al等复合合金，主要用于超合金与铝合金生产。这些合金可根据成分要求用铝热法，电铝热法和重熔法生产。