三氧化钛铁的熔炼工艺需要结合其化学特性进行优化设计。这种化合物通常采用电弧炉熔炼法，在还原性气氛下进行操作能够有效防止氧化。关键工艺参数包括炉温控制在1500-1650℃范围内，配合碳质还原剂（如石油焦或石墨）的精确配比，还原时间一般维持在2-3小时。需要特别注意原料的纯度要求，特别是Fe2O3和TiO2的杂质含量应分别控制在0.5%和0.3%以下。
实际操作中通常采用分阶段升温策略，先在800-1000℃进行预还原，再逐步提升至最终熔炼温度。熔池深度建议保持在40-60cm之间，这样既能保证反应充分又不会过度消耗电能。值得注意的是，由于三氧化钛铁的熔点较高（约1580℃），必须使用镁质或铬镁质耐火材料作为炉衬。炉内压力宜维持在微正压状态(0.05-0.1MPa)以隔绝空气。
为了提高金属回收率，通常会在出炉前加入少量铝粉(0.5-1.2%)作为最终还原剂。熔炼产物需要进行缓冷处理，冷却速率控制在30-50℃/小时为宜，这样可以获得更均匀的组织结构。对于工业化生产，还需要配套烟气净化系统，因为过程中会产生含钛粉尘和CO气体。通过X射线衍射分析可以准确判断产物中FeTiO3的结晶程度。
