电磁力作用下的铝热强化还原法制备低氧高钛铁的基础研究

To solve the existing problems such as the reduction rate of TiO2 and metal-slag separation kinetic conditions are insufficient in the process that using aluminothermic method for high grade ferrotitanium, we put forward the new method to prepare low oxygen high titanium iron by aluminium heat strengthening reduction under the electromagnetic force. In the project, we will make a systematic study on basic scientific problems in key steps of the new method such as aluminothermic reduction smelting, separation of metal slag under the electromagnetic force, depth reduction of second injection and the adjustment of alloy composition. We have made a detailed study of the the design principle of component of the efficient aluminum composite reductant, thermodynamic laws in aluminothermic strengthen reduction of TiO2, thermodynamic laws of the inhibition formation of low price titanium oxide, initial conditions of aluminothermic reduction, the influencing rules of second injection reduction conditions on the process of aluminothermic reduction, reduction rate of TiO2, oxygen content of high ferrotitanium and the existed states of inclusions, the influencing rules of electromagnetic stirring conditions and the second injection reduction to the relative flow between metal and slag and the inclusion strengthen removal and distribution. So we determined the establishment of strengthening reduction mechanism of TiO2, the strengthening removal mechanisms of inclusions in alloy. It offers theory foundation to the industrial application of preparation of low oxygen high titanium iron by the method of aluminothermic strengthening reduction.

针对现有铝热法制备高钛铁存在着TiO2还原强度不够和金-渣分离动力学条件不足等技术缺陷，提出了电磁力作用下铝热强化还原制备低氧高钛铁的新方法。项目将对新方法中强化铝热还原熔炼、电磁力作用下的金渣分离和二次喷吹深度还原及合金成分调整等关键步骤中的基础科学问题进行系统研究。详细研究了高效铝基复合还原剂成分设计原则，以及其强化还原TiO2的热力学规律和抑制低价钛氧化物生成的热力学规律；铝热还原初始条件和二次喷吹还原条件对铝热还原过程、TiO2原率和高钛铁合金中氧含量以及夹杂物赋存状态的影响规律；电磁搅拌条件和二次喷吹还原对金、渣相对流动影响规律和夹杂物强化去除和分布的影响，确定了建立TiO2强化还原机理及和合金中夹杂物强化去除机制。为铝热强化还原制备低氧高钛铁的工业化应用提供了理论依据。

项目在系统研究了金属热还原法制备钛/钛合金中氧、夹杂物赋存状态及分布规律基础上，利用甚高温DSC技术证实了TiO2的分步还原现象，揭示了TiO2还原过程中钛氧化物的价态演变机制。提出了“多级深度热还原”理论，即首先利用电负性较弱的铝或镁做还原剂将高价态的TiO2还原成低价钛氧化物前驱体，然后利用电负性强的钙（或氢气）做还原剂对前驱体进行深度还原制得钛/钛合金，该理论突破了金属热还原法直接制备金属钛的世界性难题。发明了深度多级还原直接制备金属钛及钛合金的新方法，解决了钛氧化物金属热还原彻底脱氧的热力学平衡极限的科学难题。首次以氧化钛为原料，采用多级深度热还原制备出钛铝、钛铝钒、低氧钛铁合金；制备出纯度>99.0%的球形金属钛粉，为钛材低成本清洁利用奠定了基础。. 项目研究取得了重要的理论和技术突破，提出了“多级深度热还原”理论，突破了金属热还原法直接制备金属钛/钛合金的世界性难题。形成了具有我国独立知识产权的多级深度金属热还原直接制备金属钛及钛合金的关键技术。项目成果已以专利许可实施方式在山东淄博傅山企业集团进行推广应用，专利许可实施使用费450万元。具体包括：百吨级还原钛粉和万吨级低氧钛铁项目建设，示范工程潜在价值在2亿元以上。同时建立了东北大学傅山研究院，全面推进本项目及相关成果的示范工程建设。. 项目研究出色完成了预期研究目标，发表论文11篇，其中SCI收录2篇次（1区1篇，2区1篇），特邀研究论文1篇，EI收录9篇次；出版专著1部；获授权发明专利3项。