CN107414039B - 不锈钢纤维及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种不锈钢纤维及其制备方法，制备方法包括如下步骤：（1）将所需量的金属铝或其合金、铜或其合金装入用304不锈钢薄板制作的扁平状料盒子，或用304不锈钢软薄皮子包覆成扁平状，料盒子或包覆体仅在扁平的上面或下面之一具有一个或多个开口；（2）将304不锈钢原料加入熔炼炉升温熔炼成钢水；将装有金属铝、铜的料盒子或包覆体开口向下加入钢水中；（3）调整钢水的搅拌及温度条件，使金属或其合金连同料盒子或包覆体逐渐熔入钢水；（4）钢水继续搅、静置、调整温度，通过熔抽机制备钢纤维。本发明工艺所制得的不锈钢纤维颜色、机械强度的离散性小，耐热性及抗氧化性大幅提高。

Description

不锈钢纤维及其制备方法

技术领域

本发明属金属加工领域，具体涉及一种不锈钢纤维及其制备方法。

背景技术

钢纤维，作为一种结构增强材料，近年来获得了广泛应用，其中熔抽法生产的当量直径0.3-0.8mm、长径比30-100的短纤维，因生产工艺简单、成本低、产量高，市场认可度较高。

熔抽法钢纤维的主要生产设备包括钢水炉和熔抽机，其中钢水炉提供化学成分及温度合适的钢水。熔抽机的核心部件是熔抽轮，熔抽轮通常由耐磨且导热良好的铜合金制成，外缘具有一道或多道不连续的∧形或其它形状的凸纹；熔抽轮内设冷却水、冷却气以维持较低的表面温度，经连接轴筒与熔抽机的其它辅助机构如转速控制、垂直升降及水平位置控制机构、冷却系统相连接，通过这些辅助机构控制、调整熔抽轮的运转状态。

熔抽法钢纤维生产过程中，熔抽机熔抽轮的旋转轴线保持水平，控制适当转速，从钢水液面上方接触钢水，连续抽取钢水并抛射到周围气体空间中，急速冷却、凝固，形成一根根的钢纤维。钢纤维尺寸、外形及横断面形状，与熔抽轮转速、铜合金的导热能力、内冷条件及外缘凸纹的尺寸、形状、线速度，及钢水的成分、温度，以及熔抽轮浸入钢水的深度相关联；通过这些条件的适当选择与控制，可获得所需尺寸、外形、断面形状的钢纤维产品。

所述熔抽法属熔体快淬法，钢水冷却速度较快，所得钢纤维的金相结构介于晶态和非晶态之间，具有微晶结构，强度和韧性较高，横截面可呈不规则月牙形，表面自然粗糙，用于水泥基、沥青基、树脂基结构件时，可形成较好结合，起到增强、抗压、抗拉、抗磨等作用，能够提高结构件的整体性能和寿命。

从金属材质分类，钢纤维主要包括碳钢纤维和不锈钢纤维。碳钢纤维价格较低，主要用于混凝土补强，可较大程度地提高混凝土构筑物的力学性能和可靠性，但由于耐蚀能力不够，混凝土构筑物的使用寿命和可靠性经常不能满足要求。不锈钢纤维，耐腐蚀、耐高温氧化性能高于碳钢纤维，其中304不锈钢纤维价格适中，在建材、道路、水坝、机场跑道、桥梁路面混凝土构筑物中有广泛的应用前景，也可用于很多种耐温构件的增强。所述304不锈钢是一种应用广泛的通用型不锈钢，综合性能良好，具有较优的耐腐蚀性和成型性，通常含铬18-20%，含镍8-10%。

304不锈钢纤维生产中，一个主要问题是纤维的颜色不一致、机械强度离散性较大。该问题除了和不锈钢材质、组成有关，还可能主要源于纤维形成和冷却过程中，因空气冷淬速度不一致性而导致的钢水结晶、凝固、氧化情况差异；另一个问题是温度较高如850℃时的抗氧化能力不够。

发明内容

本发明通过在304不锈钢熔融液中添加金属铝、铜，较大程度地解决了304不锈钢纤维颜色、机械强度的不一致性问题及耐高温氧化能力较低的问题，所制得304不锈钢纤维的颜色、机械强度的离散性较小，较高温度如850℃时的抗氧化性大幅提高。

本发明的技术方案具体为：

一种不锈钢纤维的制备方法，主要包括如下步骤：

（1）将所需量的金属铝或其合金、铜或其合金，装入用304不锈钢薄板制作的扁平状料盒子，或者用304不锈钢软薄皮子包覆成扁平状，料盒子或包覆体仅在扁平的上面或下面之一具有一个或多个开口；

（2）将304不锈钢原料加入熔炼炉，升温熔炼成钢水，温度1460-1550℃；将装有金属铝或其合金、铜或其合金的料盒子或包覆体开口向下，加入钢水中；金属铝、铜的投料量分别占不锈钢水总质量的1.0-3.0%、0.8-2.0%；

（3）调整钢水的搅拌及温度条件，使金属或其合金连同料盒子或包覆体逐渐熔入钢水；

（4）金属铝、铜连同料盒子或包覆体熔入后，钢水继续搅拌5-20分钟，静置5-30分钟，同时调整温度到1460-1500℃，通过熔抽机制备钢纤维。

优选地，金属铝、铜的投料量分别占不锈钢水总质量的1.5-2.5%、1.0-1.5%。

优选地，料盒子或包覆体中还可包含金属硅或其合金，硅的投料量占不锈钢水总质量的0.5-1.2%。

优选地，料盒子或包覆体的等效直径与高度的比为2-5。

优选地，装有所述金属或其合金的料盒子或包覆体加入钢水之前，用氩气吹扫、置换所容纳的空气。

优选地，加入装有金属铝或其合金、铜或其合金的料盒子或包覆体之前，钢水温度1460-1500℃。

优选地，钢水表面可吹保护气如氩气，也可覆以略有隔氧作用的除渣剂或保温灰。

所述钢水熔炉，包括电弧炉、感应炉，优选采用对钢水搅拌效果较好的感应炉。

本发明的另一方面，还提供了按照上述方法中的任一种制备的不锈钢纤维。

本发明中，所引入金属铝、硅所起到的主要作用，可能是在钢水经熔抽轮抽取、抛射到空气中的急速冷却、凝固过程中，在不锈钢纤维表面以内的金属表层形成了极细微的铁铝、铁硅微晶结构，并在不锈钢纤维表面形成了致密的氧化铝保护层，限制了不锈钢纤维形成过程中表层金属的氧化程度，使不锈钢纤维的颜色较为一致，提高了纤维的耐高温氧化、耐腐蚀能力。

本发明中，所加入的金属铝、硅、铜，都能起到细化钢纤维内部微晶结构的作用，从而改善了钢纤维机械强度的一致性，其中铜的主要作用是细化不锈钢纤维的微晶结构304不锈钢中通常含有硅，但含硅量一般低于1.0%，本发明通过引入更多的硅，对提高钢纤维的耐高温氧化性能起到了明显的作用。三种单质元素的引入，对提高304不锈钢纤维的耐高温氧化性能起到了明显的协同作用。

本发明中，将所需量的金属铝、铜、硅，装入用304不锈钢薄板制作的扁平状料盒子，或用304不锈钢软薄皮子包覆成扁平状，料盒子或包覆体仅在扁平的上面或下面之一具有开口，这是将金属铝、铜、硅引入钢水的一种简单有效的办法，显著降低了挥发、氧化、侵蚀所造成的损失和烟尘。由于金属铝或其合金、硅或其合金的密度较低，通常低于或远低于钢水的密度，因而不经包装、包覆直接投入钢水，会上浮到钢水表面，大量挥发或与空气发生剧烈反应造成损失和较大烟尘，或受到除渣剂或保温灰的侵蚀损失。

本发明中，包装、包覆金属铝或其合金、铜或其合金、硅或其合金的扁平状304不锈钢料盒子或包覆体加入熔炼炉后，漂浮在钢水表面；所容纳的金属铝或其合金、铜或其合金、硅或其合金因熔点低于或远低于钢水温度，会先于和钢水材质、熔点基本相同的料盒子、薄钢皮而逐渐熔化，并逐渐从内侧侵蚀、熔解料盒子、薄钢皮内表面，浸入钢水液面下的料盒子、薄钢皮外表面也逐渐受到钢水侵蚀、熔解，因而钢水液面下的料盒子、薄钢皮会先破孔，所容纳金属液逐渐逸出熔入钢水。不锈钢料盒子或包覆体内的气体如空气，受热后会膨胀并在所容纳金属熔化前的逐渐升温过程中，大部分从下部开口逸出；所容纳金属逐渐熔化的过程中，气体除了继续逸出，还会推动所容纳金属的熔化液逐渐逸出并与钢水熔混；所容纳金属全部熔化并逐渐熔入钢水的过程中，所容纳气体会逐渐升温膨胀，也有助于推动所容纳金属液逐渐逸出。最终所述金属或其合金连同料盒子或包覆体逐渐熔入钢水，中间有时会有所述金属液以较高浓度漂浮到钢水表面，形成烟尘，但数量较少，一般低于所容纳金属总量的15%，即以金属铝、铜、硅作为原料包装投料时，有85%以上的金属能真正混熔入钢水，若以铝铁合金、硅铁合金作为原料包装投料时，能真正混熔入钢水的铝、硅比例会更高一些，因为铝铁合金的密度和熔点、硅铁合金的密度更接近于钢水，且与钢水的相熔性更好。

本发明中，可采用薄钢皮容纳所述金属或其合金，尤其在钢水温度较低时，所包覆的金属或其合金的升温熔化过程中，浸入钢水的薄钢皮外表面会有钢水凝固，形成厚壁，有时可保持到所容纳金属液逐渐逸出熔入钢水中。

本发明工艺所制备的304不锈钢纤维，颜色较一致、机械强度离散性较小，在较高温度如800℃时的抗氧化能力较高。调整熔抽机熔抽轮的转速、水冷条件及外缘凸纹的尺寸、形状、线速度，可制得当量直径0.3-0.8mm、长径比30-100，以及外形及横断面形状合适的短纤维。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明的技术方案进行具体说明，但不构成对本发明的限制。

实施例1

通过熔抽法制备304不锈钢纤维，主要包括如下步骤：

（1）用厚度1.0mm的304不锈钢薄板制作Φ200x40mm的筒状扁平料盒子，下端面具有一个Φ60mm的开口，所有接缝通过氩弧焊全部焊死、焊透，钢筒重0.7kg；将Φ15x80mm尺寸的金属铝条1.6kg、Φ6x60mm尺寸的金属铜条1.1kg从料盒子下端面开口装入、塞紧，制成加料盒子；所用金属铝条、铜条的纯度都在99.0%以上（质量百分数）。

（2）将304不锈钢原料97kg加入工频感应熔炼炉，升温熔炼成钢水，钢水温度1500℃时将装有金属铝、铜的加料盒子开口向下，放入钢水中；加料盒子放入钢水之前，用氩气吹扫、置换所容纳的空气；钢水表面吹氩气保护；

（3）调整钢水的搅拌及温度条件，使金属或其合金连同料盒子或包覆体逐渐熔入钢水；

（4）金属铝、铜连同料盒子或包覆体熔入后，钢水继续搅拌10分钟，静置15分钟，同时调整温度到1480℃，适当调整熔炼炉的倾斜角度，通过熔抽机制备钢纤维。

所制得304不锈钢纤维为平直形，横断面呈月牙形，尺寸大体为0.3x0.5x25mm；表面颜色接近于大块304不锈钢颜色，略带较浅的灰蓝，但纤维间及单根纤维不同部位颜色的差别不明显，不显杂色。

将所得304不锈钢纤维取样，进行金属元素分析、抗拉强度试验、35℃盐雾锈蚀试验、850℃高温氧化试验。投入装有金属铝、铜的加料盒子之前，将钢水取样进行金属元素分析，记为改质前钢水成分。

将投入装有金属铝、铜的加料盒子之前的钢水样金属元素分析结果、钢纤维的金属元素分析结果，以及金属的添加量，汇总列入表1；将钢纤维的抗拉强度试验、35℃盐雾锈蚀试验、850℃高温氧化试验结果，汇总列入表2。

实施例2-6

基本同实施例1，区别在于304不锈钢加料盒子中所装入金属铝条、铜条的数量不同，有的还装入了尺寸10-15mm的不规则形状金属硅，金属硅的纯度99.0%以上（质量百分数）。将钢水通过熔抽机分别制备钢纤维。

各实施例所制得304不锈钢纤维皆为平直形，横断面呈月牙形，尺寸大体为0.3x0.5x25mm；表面颜色接近于大块304不锈钢颜色，略带较浅的灰蓝，但纤维间及单根纤维不同部位颜色的差别不明显，不显杂色。

将所得304不锈钢纤维分别取样，进行金属元素分析、抗拉强度试验、35℃盐雾锈蚀试验、850℃高温氧化试验。投入装有金属铝、铜的加料盒子之前，将钢水取样进行金属元素分析。

将投入装有金属铝、铜的加料盒子之前的钢水样金属元素分析结果、钢纤维的金属元素分析结果，以及金属的添加量，汇总列入表1；将钢纤维的抗拉强度试验、35℃盐雾锈蚀试验、850℃高温氧化试验结果，汇总列入表2。

实施例7

基本同实施例1，区别在于用厚度0.2mm的304不锈钢薄皮子包覆金属铝条、铜条，包紧成圆饼状，包覆体下面留一直径约40mm的口，包覆体的等效直径与高度的比约为3；所用厚度0.2mm的304不锈钢薄皮子质量约为0.2kg。所述包覆体在钢水温度1460℃时加入。将钢水通过熔抽机制备钢纤维。

所制得304不锈钢纤维为平直形，横断面呈月牙形，尺寸大体为0.3x0.5x25mm；表面颜色接近于大块304不锈钢颜色，略带较浅的灰蓝，但纤维间及单根纤维不同部位颜色的差别不明显，不显杂色。

将所得304不锈钢纤维取样，进行金属元素分析、抗拉强度试验、35℃盐雾锈蚀试验、850℃高温氧化试验。投入装有金属铝、铜的加料盒子之前，将钢水取样进行金属元素分析。

将投入装有金属铝、铜的加料盒子之前的钢水样金属元素分析结果、钢纤维的金属元素分析结果，以及金属的添加量，汇总列入表1；将钢纤维的抗拉强度试验、35℃盐雾锈蚀试验、850℃高温氧化试验结果，汇总列入表2。

对比例1

基本同实施例1，区别在于末用不锈钢盒子，将金属铝条、铜条用Φ1.0x2000mm的304不锈钢丝捆扎，放入温度1460℃钢水，结果挥发烟尘特别大。将钢水通过熔抽机制备钢纤维。

所制得304不锈钢纤维为平直形，横断面呈月牙形，尺寸大体为0.3x0.5x25mm；表面颜色与大块304不锈钢颜色有差别，略带灰蓝色，纤维间及单根纤维不同部位颜色的略有差别，略显杂色。

将所得304不锈钢纤维取样，进行金属元素分析、抗拉强度试验、35℃盐雾锈蚀试验、850℃高温氧化试验。投入装有金属铝、铜的加料盒子之前，将钢水取样进行金属元素分析。

将投入装有金属铝、铜的加料盒子之前的钢水样金属元素分析结果、钢纤维的金属元素分析结果，以及金属的添加量，汇总列入表1；将钢纤维的抗拉强度试验、35℃盐雾锈蚀试验、850℃高温氧化试验结果，汇总列入表2。

对比例2

将304不锈钢原料97kg加入工频感应熔炼炉，升温熔炼成钢水，钢水表面吹氩气保护；静置15分钟，同时调整温度到1480℃，适当调整熔炼炉的倾斜角度，通过熔抽机制备钢纤维。

所制得304不锈钢纤维为平直形，横断面呈月牙形，尺寸大体为0.3x0.5x25mm；表面颜色和大块304不锈钢的颜色明显不同，呈较深的灰蓝色，且纤维间及单根纤维不同部位颜色的差别较大，呈明显的杂色。

将所得304不锈钢纤维取样，进行金属元素分析、抗拉强度试验、35℃盐雾锈蚀试验、850℃高温氧化试验。

将钢水样金属元素分析结果、钢纤维的金属元素分析结果汇总列入表1；将钢纤维的抗拉强度试验、35℃盐雾锈蚀试验、850℃高温氧化试验结果，汇总列入表2。

各实施例、对比例中所测的改质前304不锈钢水成分基本上为C 0.08%，Mn1.6%，P0.045%，S0.030%，Si 0.9%，Cr18.5%，Ni 9.0%，Al≤0.05%，Cu≤0.05%）；制得不锈钢纤维的元素分析结果中C、Mn、P、S、Cr、Ni含量略有下降或基本不变，但Al、Si、Cu含量增加。

表1 304不锈钢水的改质试验情况

。

表2 304不锈钢纤维的试验结果

。

表2中，测定抗拉强度时每份样品测100根纤维；高温空气氧化增重试验每份样品用量100g；35℃中性盐雾锈蚀试验参照GB/T 10125-2012 人造气氛腐蚀试验 盐雾试验，每份样品测200根纤维。

Claims (8)

1.一种不锈钢纤维的制备方法，主要包括如下步骤：

（1）将所需量的金属铝和铜，装入用304不锈钢薄板制作的扁平状料盒子，或者用304不锈钢软薄皮子包覆成扁平状的包覆体，料盒子或包覆体仅在扁平的上面或下面之一具有一个或多个开口；

（2）将304不锈钢原料加入熔炼炉，升温熔炼成钢水，温度1460-1550℃；将装有金属铝和铜的料盒子或包覆体开口向下，加入钢水中；金属铝和铜的投料量分别占不锈钢水总质量的1.0-3.0%、0.8-2.0%；

（3）调整钢水的搅拌及温度条件，使金属铝和铜连同料盒子或包覆体逐渐熔入钢水；

（4）金属铝和铜连同料盒子或包覆体熔入后，钢水继续搅拌5-20分钟，静置5-30分钟，同时调整温度到1460-1500℃，通过熔抽机制备钢纤维。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，金属铝和铜的投料量分别占不锈钢水总质量的1.5-2.5%、1.0-1.5%。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，料盒子或包覆体中还包含金属硅，硅的投料量占不锈钢水总质量的0.5-1.2%。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，装有所述金属铝和铜的料盒子或包覆体加入钢水之前，用氩气吹扫、置换所容纳的空气。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，加入装有金属铝和铜的料盒子或包覆体之前，钢水温度1460-1500℃。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，钢水表面吹氩气保护，或者覆以有隔氧作用的除渣剂或保温灰。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述钢水熔炼炉包括电弧炉、感应炉。

8.如权利要求1-7任一所述方法制备得到的不锈钢纤维。