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钛铁主要在钢铁冶金行业中作为脱氧剂、除气剂和碳硫稳定剂,还用作焊条涂料以及储氢材料。目前,钛铁的制备方法主要有铝热法、重熔法、碳热还原法和熔盐电解法。铝热法具有工艺简单、生产成本低等优点,但该方法制备钛铁中Al、O和S残留量高,尤其是高钛铁。针对传统铝热法存在的缺点,本课题提出了多级深度还原制备低氧低铝钛铁的新方法,其主要步骤为:首先,在还原剂Al不足的条件下进行铝热还原获得高温熔体;再加入CaO-Al2O3基预熔渣提高渣碱度进行强化熔分;最后用还原性更强的Ca进行深度还原脱氧,得到低氧低铝钛铁。为此,本文对多级深度还原制备低氧低铝钛铁过程中的铝热还原、强化熔分、Ca深度还原过程进行了系统的研究。对铝热还原、强化熔分、Ca深度还原过程的热力学进行了计算,结果表明:在铝热还原过程中,反应体系的单位质量反应热随KClO3配比的增加而增大,而随CaO配比的增加、还原剂Al配比的降低而明显降低。Ti-Al-O熔体热力学模型计算结果显示,Al将TiO还原为Ti是Al分步还原TiO2过程中的“限制步骤”。随Al含量的升高,Al将TiO还原为Ti的反应在Ti-Al-O熔体中的“脱氧极限”逐渐降低,有利于低价钛氧化物脱氧反应的进行,熔体O含量降低。在Ti-Al-O熔体中引入新组元Fe(体系变为Ti-Al-Fe-O),进一步促进了低价钛氧化物脱氧反应的进行且Fe含量越高效果越明显。在强化熔分过程中,加入预熔渣中CaO的含量越高,越有利于合金中Al2O3夹杂的去除和脱S反应的进行。采用Ca进行深度还原脱O、脱S是可行的,但温度升高不利于脱O、脱S反应的进行。针对铝热还原过程,研究了单位质量反应热(q)、还原剂Al配比(RAl)、CaO配比(RC/A)对物料燃烧速率、渣金分离效果及合金收率的影响规律。结果表明:随着单位质量反应热的增大,物料的燃烧速率增加,合金收率增大。随着还原剂Al配比的降低,物料的燃烧速率先降低后逐渐增大,合金收率降低。随CaO配比的增大,物料的燃烧速率降低,合金收率先升高后降低。随着单位质量反应热和CaO配比升高,合金中Al2O3夹杂逐渐减少,渣金分离效果变好;随还原剂Al配比的降低,合金中Al2O3夹杂迅速增多,渣金分离效果变差。随CaO配比的增加,渣的硫容量和Ls(硫的分配比)均逐渐增大,而合金中的S含量逐渐降低。针对强化熔分过程,研究了温度、时间、预熔渣成分对铝热还原制备高温熔体的Al2O3夹杂去除及脱S效果的影响规律。结果表明:在1873～2023K范围内,随着温度升高,强化熔分后合金中O残留量呈降低趋势。随着熔分时间的增加,合金中的Al和O残留量显著降低。增加熔分时间和加入预熔渣提高渣碱度可以强化渣金分离效果。Al2O3夹杂的去除是一个颗粒上浮、聚集、重新长大、进入渣金界面、被渣吸收的分离过程。铝热还原后合金直接熔分可将Al和O残留的质量分数从10.38%和9.36%分别降至6.52%和4.54%,提高渣碱度熔分后Al和O残留的质量分数分别可降至4.24%和1.56%。随着预熔渣中CaO含量的升高,熔分后合金中Al、O和S含量均逐渐降低。当加入CaO的质量分数为66.67%预熔渣熔分后,Al、O和S残留的质量分数分别降低至3.31%、0.98%和0.182%,脱除率分别为53.51%、80.44%和54.84%。针对深度还原过程,探究了Ca加入量对脱O、脱S及合金微观组织的影响规律。结果表明:经Ca深度还原以后,合金中的Fe4Ti2O、Ti60等相因被深度还原脱氧而消失,长条状富Si结构相和Ti3Al相因合金中原子迁移而消失,出现了AlFe3相和金属Ti相。随着Ca加入量的增加,金属钛相的尺寸逐渐减小,O和S残留含量逐渐降低。铝热还原制备钛铁合金中Al、O和S残留的质量分数分别高达7.48%、8.72%和0.386%;经强化熔分后,合金中Al、O和S残留的质量分数分别降低至3.31%、2.71%和0.175%;当Ca加入量为合金质量的12%时,深度还原后合金中Al、O和S残留的质量分数分别为2.12%、0.67%和0.031%,脱除率分别为35.95%、75.28%和77.97%;整个多级深度还原过程中Al、O和S的脱除率分别为71.66%、92.32%和92.08%。采用多级深度还原可制备出Ti、Al、Si、O和S质量分数分别为72.13%、2.57%、1.79%,0.67%和0.031%的低氧低铝钛铁,符合国家高钛铁标准。