CN108580911B

CN108580911B - 一种高锰无磁钢粉的制备方法

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Publication number: CN108580911B
Application number: CN201810407487.3A
Authority: CN
Inventors: 于永亮; 李普明; 吴爱杰; 袁勇; 刘增林; 张德金; 韩帅; 仇朋; 刘曌娲
Original assignee: Shandong Luyin New Material Technology Co Ltd
Current assignee: Shandong Luyin New Material Technology Co Ltd
Priority date: 2018-05-02
Filing date: 2018-05-02
Publication date: 2021-04-20
Anticipated expiration: 2038-05-02
Also published as: CN108580911A

Abstract

本发明公开了一种高锰无磁钢粉的制备方法，包括如下步骤：(1)以普碳钢的废钢和炼钢生铁为原料，加入二次料进行冶炼；(2)冶炼出钢后进行精炼，加入金属锰和硅铁，进行预合金化处理和脱氧处理；(3)精炼出钢后经高压雾化、脱水、干燥处理，制得初级粉末；(4)将初级粉末再经高温还原、破碎、筛分处理，即制备得到高锰无磁钢粉。本发明以普碳钢废钢、生铁为原料，采用水雾化法制备得到松装密度合适和压制性能良好的高锰无磁钢粉末，适用于高密度、高强度的粉末冶金无磁性结构件的生产。

Description

一种高锰无磁钢粉的制备方法

技术领域

本发明涉及粉末冶金技术领域，具体涉及一种高锰无磁钢粉的制备方法。

背景技术

高锰无磁钢具有高硬度、高耐磨性、高强度、低导磁性等优点，因而成为电力、运输和核工业等关系民生民用方面的重要材料。工业上，高锰无磁钢产品一般是通过铸造获得，但由于其加工硬化明显，难以制备精密度要求高的小零件。粉末冶金技术具备节能、省材、性能优异、产品精度高且稳定性能好等一系列优点，可用于制备复杂零件。但现有的粉末冶金制造高锰无磁钢工艺，由于Fe-Mn合金粉的强度高，且具有强烈的加工硬化的特性，导致粉末压制性和成型性差，生坯强度低，使粉末冶金制品的密度和强韧性较差；而若采用元素Mn粉和Fe粉普通压制成型，烧结时由于Mn高温时升华产生较大的蒸汽压，材料合金化困难，达不到无磁性、高密度和强韧性的要求。

发明内容

针对上述现有技术，本发明的目的是提供一种高锰无磁钢粉的制备方法。本发明以普碳钢废钢、生铁为原料，采用水雾化法制备得到松装密度合适和压制性能良好的高锰无磁钢粉末，适用于高密度、高强度的粉末冶金无磁性结构件的生产。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种高锰无磁钢粉的制备方法，包括如下步骤：

(1)以普碳钢的废钢和炼钢生铁为原料，加入二次料进行冶炼；

(2)冶炼出钢后进行精炼，加入金属锰和硅铁，进行预合金化处理和脱氧处理；

(3)精炼出钢后经高压雾化、脱水、干燥处理，制得初级粉末；

(4)将初级粉末再经高温还原、破碎、筛分处理，即制备得到高锰无磁钢粉。

优选的，步骤(1)中，普碳钢的废钢的成分要求为：Si≤0.20％，Mn≤0.50％，P≤0.04％，S≤0.04％，Cr+Ni+Cu+Mo≤0.20％，炼钢生铁的成分要求为：C≥3.50％，Si≤0.45％，Mn≤0.40％，P≤0.07％，S≤0.07％，Cr+Ni+Cu+Mo≤0.20％。

优选的，步骤(1)中，普碳钢的废钢和炼钢生铁加入的重量比为1:1。

优选的，步骤(1)中，所述二次料为焦炭块；更为优选的，焦炭块的直径为3-5cm，C_固≥80％，S≤0.50％。

优选的，步骤(1)中，检测冶炼后钢水中的C含量，以0.10％≤C≤0.30％作为出钢终点。

优选的，步骤(2)中，从精炼开始到变白渣时间≤15min，保持白渣时间≥10min，出钢温度≥1640℃，精炼完成要求钢样成分：C：0.20-0.40％，Mn：25-27％，S≤0.040％。

优选的，步骤(3)中，高压雾化使用环缝形喷嘴，喷射夹角为45-48°，水压力：11-12MPa，所用中间包漏眼直径为：15-20mm，水流量：180-250Nm³/h，雾化桶水温：50-70℃。

优选的，步骤(3)中，采用水力旋流器和圆盘式内滤式脱水机进行脱水处理。

优选的，步骤(3)中，制备的初级粉末的成分要求为：C≤0.50％，S≤0.040％，Si≤1.0％，Mn:25-27％，HL≤1.80％，松装密度≥2.3g·cm^-3，-200≥50％。

优选的，步骤(4)中，高温还原共经历预热段、还原段和冷却段三个阶段，预热段温度：700-800℃，还原段温度：800-860℃，冷却段温度：700-800℃。

优选的，步骤(4)中，采用7000t带式还原炉进行高温还原处理，具体工艺条件为：带速：160-180mm/min，料厚：25-27mm，氢气流量：50-60Nm³/h。

上述方法制备的高锰无磁钢粉也是本发明的保护范围。本发明制备的高锰无磁钢粉其性能指标为：

Fe≥65.50％，C≤0.50％，S≤0.040％，Si≤1.0％，Mn:25-27％，HL≤1.25％，松装密度≥2.8g·cm^-3，压缩性(600MPa)≥5.60g·cm^-3，+100目≤3.0％，-200目≥50.0％。

本发明的有益效果：

本发明以普碳钢的废钢和炼钢生铁原料，通过对原料选用时合金元素含量控制、合金加入方式、冶炼时温度和成分控制以及二次还原过程的气氛、温度和时间等因素的控制，使粉末的Mn含量及O含量控制在特定范围，降低粉末的显微硬度及改变颗粒形貌，从而提高粉末的压缩性，粉末压缩性可以达5.6g·cm^-3(600MPa下单轴向压制到)，磁导率1.1以下。生产的无磁钢粉适用于高密度、高强度的粉末冶金无磁性结构件的生产。

附图说明

图1：制备高锰无磁钢粉的工艺流程示意图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

正如背景技术部分所介绍的，为了克服传统铸造的生产方法，排除加工硬化等缺点，为适用于精度要求高的较小零部件，本发明提供一种水雾化法制备高锰无磁钢粉，为粉末冶金用高锰无磁钢提供原料。该方法原料来源广泛、工艺设计合理、产品质量稳定。本发明立足现有充足的普碳钢废钢、生铁，克服了原料限制瓶颈，制得了松装密度合适和压制性能良好的粉末，使用水雾化方法制备高锰无磁钢粉成为可能。同时，本方法所用原料为钢铁业废料，燃料为混合煤气，冶炼基础好且重复加热的次数少、污染少、材料利用率高，是一种能够显著节材节能且绿色环保的工艺过程。

在本发明的一种实施方案中，给出的高锰无磁钢粉的制备方法包括如下步骤：

(1)精选优质普碳钢废钢和炼钢生铁，按1:1比例进行配料；

(2)先后配加两次料，配加第二次料时添加占配料总重量1.5-2％的焦炭，经过EBT电炉冶炼，出钢后经LF电炉精炼，分三次加入金属锰和硅铁，进行预合金化处理，脱氧处理，调整成分和温度合适后出钢，准备雾化；

(3)使用环缝形喷嘴经10-12MPa水压力进行雾化喷制，经水力旋流器和圆盘式内滤式脱水机脱水处理，煤气间接烘干，制得初级粉末；

(4)使用精还原炉进行高温还原退火处理，经破碎、筛分、合批得到最终的高锰无磁钢粉成品。

步骤(1)中，对废钢及炼钢生铁要求为：普碳废钢的成分为：Si≤0.20％，Mn≤0.50％，P≤0.04％，S≤0.04％，Cr+Ni+Cu+Mo≤0.20％，炼钢生铁的成分为：C≥3.50％，Si≤0.45％，Mn≤0.40％，P≤0.07％，S≤0.07％，Cr+Ni+Cu+Mo≤0.20％。

普碳钢是普通碳素结构钢的简称，含碳量小于0.38％，以小于0.25％最为常用。炼钢生铁是专供炼钢用的生铁，其含碳量一般大于2％，现有技术中一般将其作为废品进行处理。本发明创造性的以普碳钢的废钢和炼钢生铁作为原料，其来源广泛，成本低，克服了生产高锰无磁钢粉的原料限制瓶颈。

本发明还对普碳钢的废钢合金成分含量进行了优选，例如，Si在钢中是非碳化物形成元素，能降低碳在奥氏体中的溶解度而促进高锰钢中碳化物析出，对奥氏体组织稳定性不利；P和S在高锰无磁钢中是有害元素，P含量过高就会以碳化物和P共晶的形式析出，P共晶是脆性组织，对钢的机械性能不利；S易形成塑性硫化物，易使钢板产生分层。因此，选用的废钢在保证钢板性能和生产稳定性的基础上，合金成分越低越好，但将其含量限定的过低，会增加生产成本和难度，因此，本发明将其分别限定为：Si≤0.20％，Mn≤0.50％，P≤0.04％，S≤0.04％，Cr+Ni+Cu+Mo≤0.20％。

C有利于钢中形成单相奥氏体组织，同时也是有效的固溶强化元素。因此，碳含量对于高锰无磁钢粉的制备而言是非常关键的，只有保证碳含量，才能确保冶炼吹氧时提供足够的C，发生氧化反应；但碳含量过高时，会在奥氏体晶界上形成连续或半连续网状碳化物，削弱了晶界强度和钢的塑性、韧性。

由于普碳钢的废钢中含碳量较低，因此为保证碳含量，确保配料后有重组的C，需要将废钢和炼钢生铁按一定的比例进行配料。综合考虑配料后的碳含量以及生产成本，本发明选择将普碳钢的废钢和炼钢生铁按重量比为1:1进行配料，其效果最优。

步骤(2)中，EBT电炉二次配料所用焦炭作为增碳剂，要求块度直径：3-5cm，C_固≥80％，S≤0.50％，LF电炉精炼过程使用的生石灰作为脱硫剂，要求：CaO≥85％。

如上所述，为保证碳的含量，还需要二次配料添加焦炭，本发明还特别对焦炭中固形碳的含量以及焦炭的添加量和添加次数进行了限定，保证焦炭中的C均匀、适量的与原料进行复配。

步骤(2)中，EBT电炉出钢终点为0.10％≤C≤0.30％。

保证出钢终点C保持一定含量，可以确保钢水不过氧化，保持碳氧平衡，C含量尽可能不超过0.30％，确保精炼时钢水C略低于最终初级粉末的C含量。

步骤(2)中，精炼快速变白渣，从精炼开始到变白渣时间≤15min，保持白渣时间≥10min，出钢温度≥1640℃，精炼完成要求钢样成分：C：0.20-0.40％，Mn：25-27％，S≤0.040％。

步骤(3)中使用环缝形喷嘴，喷射夹角为45-48°，水压力：10-12MPa，所用中间包漏眼直径为：15-20mm，水流量：180-250Nm³/h，雾化桶水温：50-70℃。

高压雾化的条件选择会直接影响雾化效率，也会影响金属粉末的性能，本发明对高压雾化的条件进行了优化选择，结果发现，采用本发明的雾化条件制备的金属粉末的球形率高，雾化过程中不会出现堵塞。

步骤(3)中制得的初级粉末：成分要求：C≤0.50％，S≤0.040％，Si≤1.0％，Mn:25-27％，HL≤1.80％(HL是使用氢损炉通入纯氢气，进行1150℃烧结1h，发生H+O＝H₂O，根据烧损的重量差计算粉末的氧含量，俗称为氢损：HL)，松装密度≥2.30g·cm^-3，-200目≥50％。

步骤(4)中，高锰初级粉末在7000t带式还原炉进行高温退火，共经历三个阶段：预热段、还原段、冷却段，预热段温度：700-800℃，还原段温度：800-860℃，冷却段温度：700-800℃，工艺带速：160-180mm/min，料厚：25-27mm，氢气流量：50-60Nm³/h。16个温度控制点设定曲线700-720-740-780-800-820-840-840-840-860-860-820-800-760-730-700℃(允许偏差±2℃)。

在高温雾化过程中，锰固溶于高温铁水中，与水发生氧化反应，由于水雾化过程冷却速度非常快，反应时间短，锰氧化物与铁氧化物难以形成分离的相，增加了铁氧化物还原的难度。本发明通过二次还原过程的气氛、温度和时间等因素的控制，使粉末的Mn含量及O含量控制在特定范围，降低粉末的显微硬度及改变颗粒形貌；特别是860℃的高温既可以保证充分的脱氧又可以使粉末团聚进一步的调整粒度分布。

为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本申请的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本申请的技术方案。

本发明实施例中所用的未进行具体说明试验材料均为本领域常规的试验材料，均可通过商业渠道购买得到。

实施例1：

采用普碳废钢的成分为：Si≤0.20％，Mn≤0.50％，P≤0.04％，S≤0.04％，Cr+Ni+Cu+Mo≤0.20％；炼钢生铁的成分为：Si≤0.45％，Mn≤0.40％，P≤0.07％，S≤0.07％，Cr+Ni+Cu+Mo≤0.20％。按废钢：生铁＝1:1比例(重量比)配料作为原料加入EBT电炉，二次料底部配加300Kg左右焦炭(焦炭加入量为原料总重量的1.5-2％)，焦炭的要求：块度直径：3-5cm，C_固≥80％，S≤0.50％。出钢前检测：温度:1645℃，C:0.15％，Si:0.04％，Mn:0.12％，P:0.010％，S：0.030％，快速出钢(禁止氧化渣流入钢包)。

使用出钢平车送至精炼工位，使用LF精炼炉精炼，送电精炼前，使用氩气先搅拌2分钟；送电精炼开始后，根据钢水重量，手工加入合成渣适量(800-1000Kg)，添加20Kg硅铁作为脱氧剂，使用20Kg生石灰作为脱硫剂，精炼快速变白渣，从精炼开始到变白渣时间≤15min，白渣精炼时间不低于10分钟，提温至1650℃，再加入1t金属Mn。重复以上操作三次(每炉规定硅铁的加入量合计60Kg，金属锰的加入量为原料的18-20％)。加大氩气流量搅拌，送电升温至1560℃以上，再加入硅铁40Kg，氩气持续保持大流量，强脱氧还原10分钟，钢水提温至1650℃，取样分析：C：0.40％，Si：0.27％，Mn:27.5％，S：0.032％。

精炼出钢开始雾化，使用环缝形喷嘴，喷射夹角为48°，喷嘴前水压力：11MPa，所用中间包漏眼直径为：18mm，水流量：190Nm³/h，雾化桶水温：58℃，雾化时间：70min，经水力旋流器和圆盘式内滤式脱水机脱水处理，煤气间接烘干、筛分制得初级粉末，检测指标如下：Fe：63.50％，C：0.35％，S：0.030％，Si：0.26％，Mn:26.9％，HL：1.60％，松装密度：2.35g·cm^-3，+100目：5.0％，-200目：53.5％。

初级粉末在7000t带式还原炉进行高温还原退火，工艺带速：170mm/min，料厚：26mm，氢气流量：55Nm³/h。16个温度控制点设定曲线：700-720-740-780-800-820-840-840-840-860-860-820-800-760-730-700℃(允许偏差±2℃)。还原后的粉末经过高速粉碎机(一种破碎效率较高的工业用粉碎机，通过转轴带动锤头高速旋转破碎粉末，出粉率高，节能环保)破碎后过100目筛，合批(合批量30t，合批时间10min)得到成品100目的高锰无磁钢粉的指标为：Fe：65.50％，C：0.30％，S：0.024％，Si：0.26％，Mn:26.35％，HL：1.25％，松装密度：2.85g·cm^-3，压缩性(600MPa)：5.65g·cm^-3，+100目：0.9％，-200目≥54.5％。粉末经配加特殊配方辅料压制烧结后，检测磁导率为：1.05，客户使用后性能良好，市场反馈优良。

实施例2：

采用普碳废钢的成分为：Si≤0.20％，Mn≤0.50％，P≤0.04％，S≤0.04％，Cr+Ni+Cu+Mo≤0.20％，炼钢生铁的成分为：Si≤0.45％，Mn≤0.40％，P≤0.07％，S≤0.07％，Cr+Ni+Cu+Mo≤0.20％。按废钢:生铁＝1:1比例配料进炉，二次料配加260Kg焦炭块，焦炭的要求：块度直径：3-5cm，C_固≥80％，S≤0.50％。出钢前检测：温度:1650℃，C:0.19％，Si:0.03％，Mn:0.10％，P:0.008％，S：0.032％，快速出钢(禁止氧化渣流入钢包)，使用出钢平车送至精炼工位，送电精炼前，使用氩气先搅拌2分钟；送电精炼开始后，手工加入合成渣，添加20Kg硅铁作为脱氧剂，使用生石灰作为脱硫剂，白渣精炼时间不低于10分钟，提温至1650℃，再加入1t金属Mn。重复以上操作三次后。加大氩气流量搅拌，送电升温至1560℃以上，加入硅铁40Kg，氩气持续保持大流量，强脱氧还原10分钟，钢水提温至1655℃，取样分析：C：0.45％，Si：0.25％，Mn:27.0％，S：0.026％，精炼出钢开始雾化，喷嘴前水压力：10.8MPa，水流量：193Nm³/h，雾化时间：64min，通过脱水、烘干、筛分制得初级粉末检测指标如下：Fe：63.47％，C：0.37％，S：0.025％，Si：0.24％，Mn:26.3％，HL：1.65％，松装密度：2.40g·cm^-3，+100目：5.6％，-200目：51.7％。初级粉末在7000t带式还原炉进行高温还原退火，工艺带速：170mm/min，料厚：26mm，氢气流量：50Nm³/h。16个温度控制点设定曲线：700-720-740-780-800-820-840-840-840-860-860-820-800-760-730-700℃(允许偏差±2℃)。还原后的粉末经过高速粉碎机破碎后过100目筛，合批(合批量30t，合批时间12min)得到成品100目的高锰无磁钢粉的指标为：Fe：65.45％，C：0.29％，S：0.020％，Si：0.23％，Mn:26.10％，HL：1.20％，松装密度：2.87g·c m^-3，压缩性(600MPa)：5.67g·cm^-3,+100目：1.3％，-200目≥53.5％。成品粉末的Mn含量较上次生产略微降低，粉末经配加特殊配方辅料压制烧结后，检测磁导率为：1.02，客户使用后性能良好，市场反馈优良。

实施例3：

采用普碳废钢的成分为：Si≤0.20％，Mn≤0.50％，P≤0.04％，S≤0.04％，Cr+Ni+Cu+Mo≤0.20％，炼钢生铁的成分为：Si≤0.45％，Mn≤0.40％，P≤0.07％，S≤0.07％，Cr+Ni+Cu+M o≤0.20％。按废钢:生铁＝1:1比例配料进炉，二次料配加300Kg焦炭块，焦炭的要求：块度直径：3-5cm，C_固≥80％，S≤0.50％。出钢前检测：温度:1655℃，C:0.25％，Si:0.02％，Mn:0.10％，P:0.012％，S：0.038％，快速出钢(禁止氧化渣流入钢包)，使用出钢平车送至精炼工位，送电精炼前，使用氩气先搅拌2分钟；送电精炼开始后，手工加入合成渣，添加20Kg硅铁作为脱氧剂，使用生石灰作为脱硫剂，白渣精炼时间不低于10分钟，提温至1653℃，再加入1t金属Mn。重复以上操作三次后。加大氩气流量搅拌，送电升温至1555℃以上，加入硅铁35Kg,氩气持续保持大流量，强脱氧还原10分钟，钢水提温至1650℃，取样分析：C：0.34％，Si：0.22％，Mn:27.6％，S：0.030％，精炼出钢开始雾化，喷嘴前水压力：10.5MPa，水流量：185Nm³/h，雾化时间：58min，通过脱水、烘干、筛分制得初级粉末检测指标如下：Fe：63.75％，C：0.30％，S：0.026％，Si：0.20％,Mn:27.15％,HL：1.73％,松装密度：2.50g·cm^-3，+100目：6.7％，-200目：50.6％。初级粉末在7000t带式还原炉进行高温还原退火，工艺带速：170mm/min，料厚：26mm，氢气流量：55Nm³/h。16个温度控制点设定曲线：700-720-740-780-800-820-840-840-840-860-860-820-800-760-730-700℃(允许偏差±2℃)。还原后的粉末经过高速粉碎机破碎后过100目筛，合批(合批量30t，合批时间10min)得到成品100目的高锰无磁钢粉的指标为：Fe：66.10％，C：0.26％，S：0.022％，Si：0.20％，Mn:26.95％，HL：1.14％，松装密度：2.92g·cm^-3，压缩性(600MPa)：5.69g·cm^-3,+100目：1.6％，-200目≥50.1％。粉末经配加特殊配方辅料压制烧结后，检测磁导率为：1.00，这次生产Mn量控制上限，客户使用后性能良好，市场反馈优良。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims

1.一种高锰无磁钢粉的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）以普碳钢的废钢和炼钢生铁为原料，加入二次料进行冶炼；

（2）冶炼出钢后进行精炼，加入金属锰和硅铁，进行预合金化处理和脱氧处理；

（3）精炼出钢后经高压雾化、脱水、干燥处理，制得初级粉末；

（4）将初级粉末再经高温还原、破碎、筛分处理，即制备得到高锰无磁钢粉；

步骤（1）中，普碳钢的废钢和炼钢生铁加入的重量比为1:1；

步骤（1）中，所述二次料为焦炭块；焦炭块的直径为3-5cm，C_固≥80%，S≤0.50%；

步骤（2）中，从精炼开始到变白渣时间≤15min，保持白渣时间≥10min，出钢温度≥1640℃，精炼完成要求钢样成分：C：0.20-0.40%，Mn：25-27%，S≤0.040%；

步骤（3）中，高压雾化使用环缝形喷嘴，喷射夹角为45-48°，水压力：10-12MPa，所用中间包漏眼直径为：15-20mm，水流量：180-250Nm³/h，雾化桶水温：50-70℃；

步骤（4）中，高温还原共经历预热段、还原段和冷却段三个阶段，预热段温度：700-800℃，还原段温度：800-860℃，冷却段温度：700-800℃；

步骤（1）中，普碳钢的废钢的成分要求为： Si≤0.20%，Mn≤0.50%，P≤0.04%，S≤0.04%， Cr+Ni+Cu+Mo≤0.20%，炼钢生铁的成分要求为：C≥3.50%，Si≤0.45%，Mn≤0.40%，P≤0.07%，S≤0.07%， Cr+Ni+Cu+Mo≤0.20%；

步骤（3）中，制备的初级粉末的成分要求为：C≤0.50%，S≤0.040%，Si≤1.0%，Mn:25-27%，HL≤1.80%，松装密度≥2.3g·cm^-3，-200目≥50%；

步骤（4）中，采用7000t带式还原炉进行高温还原处理，具体工艺条件为：带速：160-180mm/min，料厚：25-27mm，氢气流量：50-60Nm³/h；

制备的高锰无磁钢粉其性能指标为：

Fe≥65.50%，C≤0.50%，S≤0.040%，Si≤1.0%，Mn:26.10-26.95%，HL≤1.25%，松装密度≥2.8g·cm^-3，600MPa下的压缩性≥5.60 g·cm^-3，+100目≤3.0%，-200目≥50.0%。