CN108330396A - 一种3d打印粉末及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种3D打印粉末及其制备方法，所述3D打印粉末中各元素所占质量百分比分别为碳0.06％～0.09％、硅1.1％～1.4％、锰1.8％～2.0％、磷0.03％～0.07％、硫0.03％～0.05％、铬15％～19％、镍8％～11％，其余为铁和不可避免的杂质，制备方法包括以下步骤：1)造粒：添加不锈钢二次除尘灰、还原剂和粘结剂造粒；2)烧结成型：对造粒小球进行烧结成型；3)炼化合金液体：将小球、镍铁和铬铁装入真空感应熔炼炉内进行真空炼化；4)制粉：使用雾化制粉装置对炼化的合金液体雾化制粉，即得所述3D打印粉末。是一种重新利用不锈钢二次除尘灰的新途径，解决了不锈钢二次除尘灰在真空感应炉无法熔化、也无法去除除尘灰中的无机物杂质的问题，由该方法生产出的3D打印粉末符合使用要求，具有广泛推广的前景。
Description
技术领域
本发明涉及3D打印领域，尤其涉及一种3D打印粉末及其制备方法。
背景技术
电炉生产一吨不锈钢约产生除尘灰40千克，每年可以产生数万吨的不锈钢二次除尘灰。由于缺少相应的处理技术，堆积如山的除尘灰不仅严重污染了环境，而且造成了资源的极大浪费。
目前行业内在回收利用不锈钢二次除尘灰时，基本都是直接将不锈钢二次除尘灰通过还原和造粒的形式处理掉，回收其中的金属和贵重金属，例如专利CN106834570A和CN105219954A，其利用附加值不高。因此，需要寻找一种新的重新利用不锈钢二次除尘灰的方案。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种重新利用不锈钢二次除尘灰的新方案，生产出符合使用要求的3D打印粉末的3D打印粉末的制备方法。
本发明采用的技术手段如下：
一种3D打印粉末，所述3D打印粉末中各元素所占质量百分比分别为碳0.06％～0.09％、硅1.1％～1.4％、锰1.8％～2.0％、磷0.03％～0.07％、硫0.03％～0.05％、铬15％～19％、镍8％～11％，其余为铁和不可避免的杂质。3D打印粉末符合使用要求，具有广泛推广的前景。
一种3D打印粉末的制备方法，包括以下步骤：
1)造粒：添加不锈钢二次除尘灰、还原剂和粘结剂造粒；
2)烧结成型：对造粒小球进行烧结成型；
3)炼化合金液体：将小球、镍铁和铬铁装入真空感应熔炼炉内进行真空炼化；
4)制粉：对炼化的合金液体雾化制粉，即得所述3D打印粉末。
本发明提供的一种3D打印粉末的制备方法，是一种重新利用不锈钢二次除尘灰的新途径，解决了不锈钢二次除尘灰在真空感应炉无法熔化、也无法去除除尘灰中的无机物杂质的问题，由该方法生产出的3D打印粉末符合使用要求，具有广泛推广的前景。
在本发明中，提供的一种3D打印粉末的制备方法，造粒时，在不锈钢二次除尘灰中添加粘结剂使除尘灰容易成型，并且添加还原剂，在烧结过程中能够将不锈钢二次除尘灰中的金属氧化物。造粒完成后在皮带式烧结机中对造粒小球进行高温烧结成型，烧结时间以小球成型后从1.5米以上高度自由落体不破碎为标准，该小球氧含量低于100ppm，烧结成型后，粘结剂挥发，氧化镁等无机熔剂在表面脱落，小球主要为熔融状态的不锈钢冷却后与少量氧化钙与氧化镁等无机熔剂的混合物；炼化合金液体合金液体时，加入镍铁和铬铁不仅仅是为了调节成品粉末的金属含量，使各个元素的含量趋于符合使用要求，同时也是为了使小球在真空感应熔炼炉易于熔化，节省能源。制粉时，在雾化制粉装置制成粉末后，通过气体分级装置分别将不同粒度的不锈钢粉末进行收集，收集的不同产品真空密封。
优选的，所述步骤1)中，基于总质量百分比，添加8％～15％的还原剂，1％～5％的粘结剂，其余为不锈钢二次除尘灰。本发明中，在不引入其他杂质的情况下，使用的粘结剂包括羧甲基纤维素钠、羧甲基淀粉钠，使用的还原剂包括碳粉、石墨粉、焦粉。采用有机粘结剂在高温烧结中挥发掉，不残留，不会给成品粉末引入其他杂质；还原剂使用碳类物质，能够保留二次除尘灰中的贵重金属元素，有效去除二氧化硅、氧化镁等熔渣成分，碳最终生成碳类气体从小球挥发。
优选的，所述步骤2)中，在1250℃～1320℃下对造粒小球进行烧结成型。在1250℃～1320℃温度下，粘结剂充分挥发，有效金属氧化物充分被还原，难熔部分则聚集在了小球表面，在皮带机的碰撞逐渐脱落，保留有效金属成分。
优选的，所述步骤2)中，经过烧结成型的小球直径为5～10mm。直径过大则有可能烧结过程粘结剂挥发不完全，金属氧化物还原不完全，影响产品质量；直径过小在则可能随熔渣被清楚，造成浪费。
优选的，所述步骤3)中，基于总质量百分比，在真空感应熔炼炉装入60％～70％的小球，15％～20％的镍铁和15％～20％的铬铁。本方案采用添加镍铁和铬铁，而不是直接添加镍金属和铬金属，是基于本发明采用真空感应熔炼炉进行熔炼，需要添加具有较好磁导性的物料，有助于物料的熔化，并且其添加的物料的成分是制备本发明3D打印粉末所必需的。
优选的，所述步骤3)中，所述镍铁中碳含量不超过2％，镍含量不低于40％；所述铬铁中碳含量不超过2％，铬含量不低于60％。由于成品中需要碳含量较低，镍和铬的含量比较高，需要通过镍铁和铬铁来调整成品元素含量，同时也要求镍铁和铬铁需要有较好的磁导性，否则无助于物料的熔化。
优选的，所述步骤3)中，在真空感应熔炼炉中的装料方式为，将镍铁与铬铁放在感应炉底，上面堆积小球，镍铁与铬铁避免留下空隙。本发明在真空感应熔炼炉中的装料时并非是无序的堆放，这样虽然也可以熔化，但是采用的是感应式的熔化，需要物料具有良好的磁导性，本发明采用将镍铁与铬铁放在感应炉底，上面堆积小球的方式，在真空感应熔炼炉内能够很好的将涡流导通，形成良好的涡流循环，有助于原料的熔化，避免涡流不畅导致局部高温对真空感应熔炼炉造成损害。
优选的，所述步骤3)中，先抽真空，真空度为20Pa～30Pa，在升温炼化，升温曲线为：0-30min，温度逐渐升到800℃；30-60min，温度逐渐升到1200℃；60-65min，恒温1200℃；65-95min，温度逐渐升到1700℃；95min以后，温度恒为1700℃。一般可以允许最开始的时候就将温度升到最终恒温的100℃以上，让原料持续在真空感应熔炼炉内熔化，但是这样的升温方式可能会造成熔炉的损坏和粉末成品质量的不好，不同的物料熔化时间与熔化难度均有区别，只有选择正确的熔化曲线，才能顺利地熔化所有装入料并达到制备3D打印粉末所需要的过热度。由于电磁感应是通过产生电流，由电流与金属本身电阻形成的热效应熔化金属。过快，会导致始终有部分物料无法熔化；过慢，影响生产效率。因此需要针对不同的物料开发不同的升温曲线。针对本发明的构思，经过多次试验，从一次性升温到分多次多阶段升温进行试验，对于本发明来说，在该升温曲线下，原料在真空感应熔炼炉内熔化的速率比较快，熔化状态好，对真空感应熔炼炉不会造成损坏，其成品3D打印粉末的质量也比较好。
优选的，所述步骤4)中，使用雾化制粉装置对炼化的合金液体进行雾化制粉，将所述步骤3)中炼化的合金液体倒入保温中间包内，控制保温中间包温度为1900℃～2000℃，保温时间为5分钟以内；之后开启雾化制粉装置，以雾化喷嘴3.5MPa～4MPa的压力作用下，制成所述3D打印粉末。
附图说明
图1为本发明实施例一的粉末微观结构图；
图2为本发明实施例二的粉末微观结构图；
图3为本发明实施例三的粉末微观结构图；
图4为本发明实施例四的粉末微观结构图；
图5为本发明实施例五的粉末微观结构图；
图6为本发明实施例六的粉末微观结构图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例一：
一种3D打印粉末的制备方法，包括以下步骤：
1)基于总质量分数比，在不锈钢二次除尘灰中添加10％的碳粉，1％的羧甲基纤维素钠混合成粘稠状物质，搅拌机搅拌20分钟后，使用造粒机造粒；
2)将小球堆放在小型皮带式烧结机中，在1250℃条件下进行烧结造粒成型。烧结时间以小球成型后从1.5米以上高度自由落体不破碎为标准，经过烧结成型的小球直径为5～10mm。
3)在真空感应熔炼炉内装料，装入造粒小球34kg，镍铁8kg，铬铁8kg；装料时，将块状镍铁与铬铁放在感应炉底，上面堆积造粒小球，块状镍铁与铬铁之间避免留下空隙。打开真空感应熔炼炉，先抽真空，真空度为20Pa，然后开始升温，升温曲线为：0-30min，温度逐渐升到800℃；30-60min，温度逐渐升到1200℃；60-65min，恒温1200℃；65-95min，温度逐渐升到1700℃；95min以后，温度恒为1700℃；
4)升温结束后，熔化的钢水在中间包中保温5min，中间包温度设置为1900℃；调整好雾化喷嘴压力，并开启雾化制粉装置，在压力作用下，保温中间包内钢水流出，在雾化喷嘴3.5MPa的压力作用下，制成粉末。通过气体分级装置分别将不同粒度的不锈钢粉末进行收集，收集的不同产品真空密封。
本实施例所制备的3D打印粉末，其粉末成分与微观结构如表1与图1所示：
表13D打印粉末成分表
| 物质 | C | Si | Mn | P | S | Cr | Ni |
| 平均含量 | 0.06 | 1.1 | 1.8 | 0.04 | 0.03 | 18 | 8 |
实施例二：
一种3D打印粉末的制备方法，包括以下步骤：
1)基于总质量分数比，在不锈钢二次除尘灰中添加10％的碳粉，5％的羧甲基纤维素钠混合成粘稠状物质，搅拌机搅拌25分钟后，使用造粒机造粒；
2)将小球堆放在小型皮带式烧结机中，在1320℃条件下进行烧结造粒成型。烧结时间以小球成型后从1.5米以上高度自由落体不破碎为标准，经过烧结成型的小球直径为5～10mm。
3)在真空感应熔炼炉内装料，装入造粒小球32kg，镍铁10kg，铬铁8kg；装料时，将块状镍铁与铬铁放在感应炉底，上面堆积造粒小球，块状镍铁与铬铁之间避免留下空隙。打开真空感应熔炼炉，先抽真空，真空度为30Pa，然后开始升温，升温曲线为：0-30min，温度逐渐升到800℃；30-60min，温度逐渐升到1200℃；60-65min，恒温1200℃；65-95min，温度逐渐升到1700℃；95min以后，温度恒为1700℃；
4)升温结束后，熔化的钢水在中间包中保温4min，中间包温度设置为2000℃；调整好雾化喷嘴压力，并开启雾化制粉装置，在压力作用下，保温中间包内钢水流出，在雾化喷嘴4MPa的压力作用下，制成粉末。通过气体分级装置分别将不同粒度的不锈钢粉末进行收集，收集的不同产品真空密封。
本实施例所制备的3D打印粉末，其粉末成分与微观结构如表1与图1所示：
表23D打印粉末成分表
| C | Si | Mn | P | S | Cr | Ni | |
| 平均含量 | 0.07 | 1.2 | 1.9 | 0.03 | 0.04 | 17 | 9 |
实施例三：
一种3D打印粉末的制备方法，包括以下步骤：
1)基于总质量分数比，在不锈钢二次除尘灰中添加8％的石墨粉，5％的羧甲基淀粉钠混合成粘稠状物质，搅拌机搅拌20分钟后，使用造粒机造粒；
2)将小球堆放在小型皮带式烧结机中，在1320℃条件下进行烧结造粒成型。烧结时间以小球成型后从1.5米以上高度自由落体不破碎为标准，经过烧结成型的小球直径为5～10mm。
3)在真空感应熔炼炉内装料，装入造粒小球30kg，镍铁10kg，铬铁10kg；装料时，将块状镍铁与铬铁放在感应炉底，上面堆积造粒小球，块状镍铁与铬铁之间避免留下空隙。打开真空感应熔炼炉，先抽真空，真空度为25Pa，然后开始升温，升温曲线为：0-30min，温度逐渐升到800℃；30-60min，温度逐渐升到1200℃；60-65min，恒温1200℃；65-95min，温度逐渐升到1700℃；95min以后，温度恒为1700℃；
4)升温结束后，熔化的钢水在中间包中保温5min，中间包温度设置为1900℃；调整好雾化喷嘴压力，并开启雾化制粉装置，在压力作用下，保温中间包内钢水流出，在雾化喷嘴3.5MPa的压力作用下，制成粉末。通过气体分级装置分别将不同粒度的不锈钢粉末进行收集，收集的不同产品真空密封。
本实施例所制备的3D打印粉末，其粉末成分与微观结构如表1与图1所示：
表33D打印粉末成分表
| C | Si | Mn | P | S | Cr | Ni | |
| 平均含量 | 0.06 | 1.4 | 2.0 | 0.03 | 0.04 | 19 | 8 |
实施例四：
一种3D打印粉末的制备方法，包括以下步骤：
1)基于总质量分数比，在不锈钢二次除尘灰中添加15％的焦粉，2％的羧甲基纤维素钠混合成粘稠状物质，搅拌机搅拌20分钟后，使用造粒机造粒；
2)将小球堆放在小型皮带式烧结机中，在1300℃条件下进行烧结造粒成型。烧结时间以小球成型后从1.5米以上高度自由落体不破碎为标准，经过烧结成型的小球直径为5～10mm。
3)在真空感应熔炼炉内装料，装入造粒小球35kg，镍铁7.5kg，铬铁7.5kg；装料时，将块状镍铁与铬铁放在感应炉底，上面堆积造粒小球，块状镍铁与铬铁之间避免留下空隙。打开真空感应熔炼炉，先抽真空，真空度为30Pa，然后开始升温，升温曲线为：0-30min，温度逐渐升到800℃；30-60min，温度逐渐升到1200℃；60-65min，恒温1200℃；65-95min，温度逐渐升到1700℃；95min以后，温度恒为1700℃；
4)升温结束后，熔化的钢水在中间包中保温5min，中间包温度设置为2000℃；调整好雾化喷嘴压力，并开启雾化制粉装置，在压力作用下，保温中间包内钢水流出，在雾化喷嘴4MPa的压力作用下，制成粉末。通过气体分级装置分别将不同粒度的不锈钢粉末进行收集，收集的不同产品真空密封。
本实施例所制备的3D打印粉末，其粉末成分与微观结构如表1与图1所示：
表43D打印粉末成分表
| C | Si | Mn | P | S | Cr | Ni | |
| 平均含量 | 0.09 | 1.1 | 1.8 | 0.07 | 0.05 | 15 | 8 |
实施例五：
一种3D打印粉末的制备方法，包括以下步骤：
1)基于总质量分数比，在不锈钢二次除尘灰中添加12％的石墨粉，3％的羧甲基淀粉钠混合成粘稠状物质，搅拌机搅拌20分钟后，使用造粒机造粒；
2)将小球堆放在小型皮带式烧结机中，在1320℃条件下进行烧结造粒成型。烧结时间以小球成型后从1.5米以上高度自由落体不破碎为标准，经过烧结成型的小球直径为5～10mm。
3)在真空感应熔炼炉内装料，装入造粒小球32kg，镍铁8kg，铬铁10kg；装料时，将块状镍铁与铬铁放在感应炉底，上面堆积造粒小球，块状镍铁与铬铁之间避免留下空隙。打开真空感应熔炼炉，先抽真空，真空度为25Pa，然后开始升温，升温曲线为：0-30min，温度逐渐升到800℃；30-60min，温度逐渐升到1200℃；60-65min，恒温1200℃；65-95min，温度逐渐升到1700℃；95min以后，温度恒为1700℃；
4)升温结束后，熔化的钢水在中间包中保温5min，中间包温度设置为1900℃；调整好雾化喷嘴压力，并开启雾化制粉装置，在压力作用下，保温中间包内钢水流出，在雾化喷嘴3.7MPa的压力作用下，制成粉末。通过气体分级装置分别将不同粒度的不锈钢粉末进行收集，收集的不同产品真空密封。
本实施例所制备的3D打印粉末，其粉末成分与微观结构如表1与图1所示：
表53D打印粉末成分表
| C | Si | Mn | P | S | Cr | Ni | |
| 平均含量 | 0.07 | 1.3 | 1.8 | 0.05 | 0.05 | 17 | 10 |
实施例五：
一种3D打印粉末的制备方法，包括以下步骤：
1)基于总质量分数比，在不锈钢二次除尘灰中添加12％的碳粉，5％的羧甲基淀粉钠混合成粘稠状物质，搅拌机搅拌20分钟后，使用造粒机造粒；
2)将小球堆放在小型皮带式烧结机中，在1250℃条件下进行烧结造粒成型。烧结时间以小球成型后从1.5米以上高度自由落体不破碎为标准，经过烧结成型的小球直径为5～10mm。
3)在真空感应熔炼炉内装料，装入造粒小球30kg，镍铁8kg，铬铁8kg；装料时，将块状镍铁与铬铁放在感应炉底，上面堆积造粒小球，块状镍铁与铬铁之间避免留下空隙。打开真空感应熔炼炉，先抽真空，真空度为20Pa，然后开始升温，升温曲线为：0-30min，温度逐渐升到800℃；30-60min，温度逐渐升到1200℃；60-65min，恒温1200℃；65-95min，温度逐渐升到1700℃；95min以后，温度恒为1700℃；
4)升温结束后，熔化的钢水在中间包中保温5min，中间包温度设置为2000℃；调整好雾化喷嘴压力，并开启雾化制粉装置，在压力作用下，保温中间包内钢水流出，在雾化喷嘴4MPa的压力作用下，制成粉末。通过气体分级装置分别将不同粒度的不锈钢粉末进行收集，收集的不同产品真空密封。
本实施例所制备的3D打印粉末，其粉末成分与微观结构如表1与图1所示：
表63D打印粉末成分表
| C | Si | Mn | P | S | Cr | Ni | |
| 平均含量 | 0.08 | 1.4 | 2.0 | 0.07 | 0.03 | 15 | 11 |
由表1～6的3D打印粉末成分表分析可知，本发明所提供的一种3D打印粉末的制备方法所制备出的3D打印粉末的成分变化范围很小，符合使用要求；由图1～6的微观结构图可知，该方法制备的3D打印粉末的颗粒圆润，颗粒与颗粒之间不产生粘附。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。
Claims (10)
1.一种3D打印粉末，其特征在于，所述3D打印粉末中各元素所占质量百分比分别为碳0.06％～0.09％、硅1.1％～1.4％、锰1.8％～2.0％、磷0.03％～0.07％、硫0.03％～0.05％、铬15％～19％、镍8％～11％，其余为铁和不可避免的杂质。
2.一种3D打印粉末的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)造粒：添加不锈钢二次除尘灰、还原剂和粘结剂造粒；
2)烧结成型：对造粒小球进行烧结成型；
3)炼化合金液体：将小球、镍铁和铬铁装入真空感应熔炼炉内进行真空炼化；
4)制粉：对炼化的合金液体雾化制粉，即得所述3D打印粉末。
3.根据权利要求2所述的3D打印粉末的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中，基于总质量百分比，添加8％～15％的还原剂，1％～5％的粘结剂，其余为不锈钢二次除尘灰。
4.根据权利要求2所述的3D打印粉末的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中，在1250℃～1320℃下对造粒小球进行烧结成型。
5.根据权利要求2所述的3D打印粉末的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中，经过烧结成型的小球直径为5～10mm。
6.根据权利要求2所述的3D打印粉末的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中，基于总质量百分比，在真空感应熔炼炉装入60％～70％的小球，15％～20％的镍铁和15％～20％的铬铁。
7.根据权利要求2所述的3D打印粉末的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中，所述镍铁中碳含量不超过2％，镍含量不低于40％；所述铬铁中碳含量不超过2％，铬含量不低于60％。
8.根据权利要求2所述的3D打印粉末的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中，在真空感应熔炼炉中的装料方式为，将镍铁与铬铁放在感应炉底，上面堆积小球。
9.根据权利要求2所述的3D打印粉末的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中，先抽真空，真空度为20Pa～30Pa，在升温炼化，升温曲线为：0-30min，温度逐渐升到800℃；30-60min，温度逐渐升到1200℃；60-65min，恒温1200℃；65-95min，温度逐渐升到1700℃；95min以后，温度恒为1700℃。
10.根据权利要求2所述的3D打印粉末的制备方法，其特征在于，所述步骤4)中，使用雾化制粉装置对炼化的合金液体进行雾化制粉，将所述步骤3)中炼化的合金液体倒入保温中间包内，控制保温中间包温度为1900℃～2000℃，保温时间为5分钟以内；之后开启雾化制粉装置，以雾化喷嘴3.5MPa～4MPa的压力作用下，制成所述3D打印粉末。
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