CN103643089B - 一种高碳铝铁合金及其制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明属于铁合金技术领域，具体是一种高碳铝铁合金及其制备工艺，该工艺采用碳热法还原铁矿石和铝土矿直接生产高碳铝铁合金，具体步骤如下：按一定比例的铁矿石、铝土矿、还原剂为原料，经细碎后的原料混合、混捏、压块制团及烧结成球团，在电炉中熔炼，待球团加热至熔融态的金属液时，加适量催化剂（废钢）促进碳热法还原，高效获得高碳铝铁合金，其所获合金组成（重量%）为：C 5~8.5%，Al 35~60%，Fe 35~60%。该生产工艺的一个独创点就是通过加入适量的铁矿石，来降低铝还原的吉布斯自由能，从而实现矿石直接生产铝铁合金的方法。另外，本发明在一定程度上解决废钢固体废弃物的循环利用，改善环境。

Description

一种高碳铝铁合金及其制备工艺
技术领域
本发明属于铁合金技术领域，具体涉及一种采用碳热法还原铁矿石和铝土矿直接生产高碳铝铁合金的制备方法。
背景技术
铝铁合金具有硬度高、耐热、耐磨、抗腐蚀等优良的力学性能，并且铝铁合金依旧保持了铝合金质量轻的特点，这正可以满足各类发动机和航空零部件对材料的性能要求。其次，铝、铁两种金属在地壳中蕴藏量极大，分布很广，是工业中普遍使用的原材料，价格较低，因此发展铝铁合金有着诱人的前景。以美国联合信号公司为代表的科研机构就正在重点研究Al-Fe合金系，并计划使该合金作为Ti-6Al-4N的替代材料，期望降低航天器件的生产成本，发挥Al-Fe合金在航天工业中的作用。同时，该合金在炼钢脱氧剂中也担任着重要的地位。但目前铝铁合金多数采用纯铝加铁经二次熔炼成铝铁合金，这样将耗费贵重的铝，造成成本高，又耗能。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种碳热法还原铁矿石和铝土矿直接生产高碳铝铁合金的制备方法。该制备方法采用废钢作为碳热还原反应的催化剂，从而达到循环利用固体废弃物的目的，改善环境。
本发明的目的是这样实现的：用电炉直接冶炼生产铝铁合金。根据铝的还原特性，氧与铝的亲和力，由吉布斯自由能方程式可得：
算出氧化铝的还原反应平衡温度T=2342K，而三氧化二铁的还原反应平衡温度T=911K。铝的还原温度远高于铁的还原温度。在较低温度下，铝反应难以进行，需要辅助其他手段来降低反应温度。当上述两个还原反应按一定比例耦合后，可以明显降低氧化铝的还原温度，为碳热法还原铝土矿和铁矿石直接生产高碳铝铁合金提供了一个理论依据。另外，本发明的一个创新点是将铝土矿、铁矿石和还原剂磨碎混合、压制成球团，这样保证了原料与还原剂紧密的粘和在一起，增大两者的接触面积，有利于还原反应的进行，缩短熔炼时间，减少能耗。
本发明的技术方案是：一种高碳铝铁合金， 该高碳铝铁合金的各组分的重量百分比为：C 5~8.5%，Al 35~65%，Fe 27~60%，P≤0.1%，S≤0.04%。
本发明的另一目的是提供上述高碳铝铁合金的工艺，该方法采用碳热法还原铝土矿和铁矿石直接生产高碳铝铁合金，具体包括以下步骤：
步骤1：将原料为铝土矿、铁矿石和焦炭按照按权利要求1所述的各组分所占的重量百分比计算出每种原料的所需量，分别称取粉碎，备用；其中，所述铝土矿和铁矿石的粒径为10~20mm，焦炭的粒径控制不大于8mm；
步骤2：将步骤1）处理得到的原料混合、混捏、压块制团及造球团，备用；
步骤3：将步骤2制取的球团装入电炉熔炼，在温度为1100-1250℃后加入催化剂—废钢，继续加热至1400~1750℃，熔炼时间2~4h；其中，所述催化剂—废钢加入量为原料总量的1-4%；
步骤4：将经步骤3熔炼完成后，取样、检测熔融金属液P≤0.1%，S≤0.04%，在温度为1150~1200℃浇铸成型，得到高碳铝铁合金。
进一步，所述铝土矿的化学成分的质量百分比：Al2O3 50-56.65%，SiO2 5%，Fe2O310-15%，TiO2 3-5%，H2O20- 25%，其余为微量元素。
进一步，所述步骤2中的烧制球团的粒径控制在30~50mm，并且抗压强度不小于4kN/球。
进一步，所述铝土矿、铁矿石和还原剂配比量中保证铁矿石含量占20%以上。
本发明的碳热法还原铝土矿和铁矿石直接生产高碳铝铁合金的制备方法有以下几点创新之处：
（1）采用矿石直接生产高碳铝铁合金，降低生产能耗；
（2）碳热法还原反应中，加入铁矿石来降低氧化铝的还原反应温度，延长电炉冶炼寿命；
（3）压制球团，使被还原剂和还原剂紧密接触，增大两者接触面积，促进反应进行；
（4）生产的高碳铝铁合金具有硬度高，耐热、耐磨性等优良的力学性能，可以作为炼钢优良的脱氧剂。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
实施例1：（投料铝土矿900kg，铁矿石300kg，废钢34 kg，还原剂碳285 kg，总料1519 kg）
900 kg铝土矿(其化学成分（质量百分比）：Al2O3 50%，SiO2 5%，Fe2O3 15%，TiO23%，H2O 25%，其余为微量元素)、300 kg铁矿石（其成分为Al2O3 2%，MnO 0.8%，SiO2 35%，CaO1.5%，其余为Fe2O3）、285 kg还原剂碳（其主要化学成分为C 75~85%）细碎成10~20mm的粉状原料，并均匀混捏，使用压机将混合料压制成团，装入回转窑中烧结成球团；将合格的球团装入电炉中熔炼，喷嘴、电弧加热球团至熔融态金属液，然后将34 kg废钢（其成分为C0.1%，Si 0.04%，Mn 0.3%，其余为Fe）加入电炉里，促进还原反应的进行，保持1750℃加热温度熔炼，大约3h后，取样检测P、S达标进行成型浇铸铁合金锭。所得到的高碳铝铁合金化学成分为：C 6%，Al 60%，Fe 34%。
实施例2：（投料铝土矿185 kg，铁矿石130 kg，废钢9.5 kg，还原剂碳60kg，总料374.5 kg）
185 kg铝土矿(其化学成分（质量百分比）：Al2O3 40%，SiO2 5%，Fe2O3 15%，TiO25%，H2O 25%，其余为微量元素)、130 kg铁矿石（其成分为Al2O3 1.5%，MnO 0.3%，SiO247.3%，CaO 0.5%，其余为Fe2O3）、60 kg还原剂碳（其主要化学成分为C 75~85%）细碎成10~20mm的粉状原料，并均匀混捏，使用压机将混合料压制成团，装入回转窑中烧结成球团；将合格的球团装入电炉中熔炼，喷嘴、电弧加热球团至熔融态金属液，然后将9.5 kg废钢（其成分为C 0.21%，Si 0.05%，Mn 0.25%，其余为Fe）加入电炉里，促进还原反应的进行，保持熔炼温度为1625℃，大约3h后，取样检测P、S达标进行成型浇铸铁合金锭。所得到的高碳铝铁合金化学成分为：C5%，Al 35%，Fe 60%。
实施例3：（投料铝土矿100 kg，铁矿石80 kg，废钢4 kg，还原剂碳45 kg，总料229kg）
100 kg铝土矿(其化学成分（质量百分比）：Al2O3 56.65%，SiO2 5%，Fe2O3 10%，TiO23%，H2O 20%，其余为微量元素)、80 kg铁矿石（其成分为Al2O3 5%，MnO 0.5%，SiO2 5%，CaO1.5%，MgO 5.5%，TiO2 15.5%其余为Fe2O3）、45 kg还原剂碳（其主要化学成分为C 75~85%）细碎成10~20mm的粉状原料，并均匀混捏，使用压机将混合料压制成团，装入回转窑中烧结成球团；将合格的球团装入电炉中熔炼，喷嘴、电弧加热球团至熔融态金属液，然后将4kg废钢（其成分为C 0.15%，Si 0.08%，Mn 0.03%，其余为Fe）加入电炉里，促进还原反应的进行，保持1535℃加热温度熔炼，大约3h后，取样检测P、S达标进行成型浇铸铁合金锭。所得到的高碳铝铁合金化学成分为：C 8.3%，Al 40%，Fe 60%。

Claims (4)

1.一种高碳铝铁合金的制备工艺，该高碳铝铁合金的各组分的重量百分比为：C 5~8.5%，Al 35~65%，Fe 27~60%，P≤0.1%，S≤0.04%，其特征在于，该工艺采用碳热法还原铝土矿和铁矿石直接生产高碳铝铁合金，具体包括以下步骤：
步骤1：将原料为铝土矿、铁矿石和焦炭按照上述的各组分所占的重量百分比计算出每种原料的所需量，分别称取粉碎，备用；其中，所述铝土矿和铁矿石的粒径为10~20mm，焦炭的粒径控制不大于8mm；
步骤2：将步骤1处理得到的原料混合、混捏、压块制团及造球团，备用；
步骤3：将步骤2制取的球团装入电炉熔炼，在温度为1100-1250℃后加入催化剂—废钢，继续加热至1400~1750℃，熔炼时间2~4h；其中，所述催化剂—废钢加入量为原料总量的1-4%；
步骤4：将经步骤3熔炼完成后，取样、检测熔融金属液P≤0.1%，S≤0.04%，在温度为1150~1200℃浇铸成型，得到高碳铝铁合金。
2.如权利要求1所述的工艺，其特征在于：所述铝土矿的化学成分的质量百分比：Al2O350-56.65%，SiO2 5%，Fe2O3 10-15%，TiO2 3-5%，H2O20- 25%，其余为微量元素。
3.如权利要求1所述的工艺，其特征在于：所述步骤2中的烧制球团的粒径控制在30~50mm，并且抗压强度不小于4kN/球。
4.如权利要求1所述的工艺，其特征在于：所述铝土矿、铁矿石和还原剂配比量中保证铁矿石含量占20%以上。
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