CN109338211A

CN109338211A - 一种新型熔融金属纤维FeCrAlB合金材料及制备方法

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Publication number: CN109338211A
Application number: CN201810709286.9A
Authority: CN
Inventors: 华大凤; 刘威; 王树平; 邵兴明; 华鹏
Original assignee: JIANGSU XINHUA ALLOY ELECTRIC APPARATUS CO Ltd
Current assignee: JIANGSU XINHUA ALLOY ELECTRIC APPARATUS CO Ltd
Priority date: 2018-07-02
Filing date: 2018-07-02
Publication date: 2019-02-15

Abstract

本发明提出一种新型熔融金属纤维FeCrAlB合金材料，其元素组成及各成分的重量百分比含量为：C：0.02～0.04%；Si：0.05~0.50%；Mn：≤0.35%；P：≤0.020%；S：≤0.015%；Cr：24.0~26.0%；Ti≤0.30%；AL≤6.0%；Ni：≤0.40%；B：0.1～0.25%；余量为Fe及不可避免的杂质。本发明还提出所述FeCrAlB合金材料的制备方法。本发明的新型熔融金属纤维FeCrAlB合金材料，优化了原有的铁铬铝合金的元素组成及含量，并对原有的生产工艺进行改善，制得的FeCrAlB合金材料可以运用于熔融金属纤维纺丝的生产，为国内金属纤维生产提供优质的原材料，确保其在金属纤维毡、金属纤维滤块等高端技术的产品研发，提供优质的尾气、化工污染净化材料。

Description

一种新型熔融金属纤维FeCrAlB合金材料及制备方法

技术领域

本发明涉及能源和环保产业使用的金属纤维材料技术领域，特别涉及一种催化转换器和过滤器的金属纤维毡使用的新型熔融金属纤维 FeCrAlB合金及其制备方法。

背景技术

随着全球工业化的迅速发展,环境污染日趋势严重,一般的过滤材料已经不能满足更高的环保标准,污染控制亟待开发新的过滤材料, 金属纤维毡过滤材料应运而生。金属纤维毡作为过滤材料具有通常过滤材料所没有的优良性能,如孔隙度高、孔隙均匀、容尘量高。金属纤维毡的制备过程是把许多金属丝合成束后,同时拉伸至微米级,然后采用同重量和标准直径的成束纤维,切断,用合适的方法制成无纺制品—纤维毡,然后把几种不同丝径的蓬松纤维毡依次排列组合在一起,形成一定厚度的纤维堆积,纤维之间互相交叉形成孔隙,然后再经过压实烧结,碾压成形,从而制得金属烧结纤维毡。由于金属纤维毡是由纤维丝以三维迷宫方式铺在一起压实烧结制成,具有许多交接点, 从而对微细物具有很高的阻挡能力；用至少两层不同直径纤维丝制成的纤维毡作为过滤材料,可以获得两级以上的过滤精度,并且过滤效率比多孔粉末过滤材料高2～5倍。金属纤维毡具有非常高的孔隙率(最高可达90％)和非常好的透气性。用该材料制成的过滤器流量阻力很小,且由于其独特的立体深度过滤结构,对污染物的纳污量比粉末烧结滤材高1.5～5倍,可以延长过滤器的使用寿命。用于过滤器的金属纤维毡多为不锈钢纤维毡,在高温下具有较高的强度和韧性,在酸碱等腐蚀环境中连续工作,可以经受400～900℃的强热震。如果选 FeCrAl合金纤维毡作为过滤器材料,还可使工作温度提高到600℃。基于金属纤维毡优异的过滤性能,在汽车尾气净化、高温除尘、空气过滤、液体过滤、催化剂回收等领域良好的应用前景。

汽车尾气净化器采用金属纤维毡作为过滤材料,可以有效解决陶瓷颗粒载体热容量大、加热升温慢、热导率低、机械强度相对低的不足,还可以解决蜂窝状金属载体材料制备工艺复杂的难题；另外,金属纤维载体可以达到欧5标准对汽车尾气中颗粒含量排放要求；而金属纤维毡用于锅炉烟气高温除尘应用中的研究表明,用金属纤维毡制成的过滤器能够在烟气温度达500℃以上的环境长期工作；经该过滤器处理过的烟气完全满足国家规定的锅炉大气污染物排放标准,证明这种过滤器对小颗粒粉尘有很好的去除作用。

鉴于金属纤维烧结毡的以上种种特性，其被广泛应用于高分子聚合物过滤、石油化工、电子高温气体除尘、炼油过程的过滤、粘胶过滤、超滤器的预过滤、真空泵保护过滤器、滤膜支撑体、催化剂载体、汽车安全气囊、飞机舰船等燃油过滤、液压系统过滤等各相关领域，是高科技领域的新型纤维材料之一，在国际上已有长足的发展，在民用、工业、军事方面的开发应用前景非常广阔。

随着我国石油、化工工业的进一步发展，二次能源材料的崛起，人们对生活质量要求的提高，对金属纤维及其制品的需求将会迅猛增加，使金属纤维及其制品项目在我国实现产业化具有非常重要的现实意义。采用FeCrAl合金纤维毡燃烧器,能获得最有效的表面积,以有利于燃气燃烧,它与传统陶瓷或金属燃烧器相比,具有寿命长,燃烧充分,成型性好等优点。在高温600℃以上具有较高的强度和韧性,可以在酸碱等腐蚀环境中连续工作。

之前，我国的金属纤维产品主要依赖进口，最近已经有所改善，逐渐扭转了国内金属纤维产品依赖进口的局面。但是高端、高效的熔融金属纺丝法生产在国内依旧很少，国内主要以集束拉拔法生产低端不锈钢和铁铬铝合金材料。FeCrAl合金纤维毡具有优良的特性，制备金属纤维毡方法有四种：单丝拉拔法、刮削法、熔抽法、集束拉拔法。要获得优质金属纤维材料的关键有两个，一方面是要获得晶粒细小、组织致密、性能优良的产品；另一方面则须综合利用各种先进手段开发新的凝固成形工艺，改进金属的熔融、共混、凝固、成形过程，以满足纤维不同产业用途的特性要求。

发明内容

鉴于现有应用中的使用需求，本发明的目的是为了改善FeCrAl合金材料制成纤维时的成形性以及高温耐腐蚀环境下的适应性，从而提出一种新型熔融金属纤维FeCrAlB合金及制备方法，以实现该配方材料在合金纤维毡燃烧器和蜂窝载体上的运用，实现工业化生产。

为了实现上述的目的，本发明的一种新型熔融金属纤维FeCrAlB 合金材料，其元素组成及各成分的重量百分比含量为：C：0.02～0.04％； Si：0.05～0.50％；Mn：≤0.35％；P：≤0.020％；S：≤0.015％；Cr： 24.0～26.0％；Ti≤0.30％；AL≤6.0％；Ni：≤0.40％；B：0.1～0.25％；余量为Fe及不可避免的杂质。

优选的，所述的新型熔融金属纤维FeCrAlB合金材料，其元素组成及各成分的重量百分比含量为：C：0.02～0.04％；Si：0.1～0.45％； Mn：≤0.25％；P：≤0.020％；S：≤0.015％；Cr：24.0～26.0％；Ti≤ 0.30％；AL：3.0～6.0％；Ni：0.2-0.40％；B：0.1～0.20％；余量为 Fe及不可避免的杂质。

再优选的，所述的新型熔融金属纤维FeCrAlB合金材料，其元素组成及各成分的重量百分比含量为：C：0.02～0.03％；Si：0.1～0.4％； Mn：≤0.20％；P：≤0.020％；S：≤0.015％；Cr：24.0～26.0％；Ti：0.1～ 0.30％；AL：4.0～6.0％；Ni：0.2-0.40％；B：0.1～0.15％；余量为 Fe及不可避免的杂质。

再优选的，所述的新型熔融金属纤维FeCrAlB合金材料中，还包括0.1～0.2％的稀土元素。

根据本发明的另一目的，本发明还提出所述的新型熔融金属纤维 FeCrAlB合金的制备方法，其包括如下步骤：

S1、按设计成分配料；

S2、真空感应炉冶炼，精炼温度：1520--1560℃；精炼时间：大于40分钟，出钢温度1540-1600℃；在熔炼后期加入稀土元素；

S3、电渣重熔，采用预熔渣冶炼，渣后用保温箱保温并红转；

S4、锻造，开锻温度1080-1120℃，终锻温度≥900℃；

S5、热轧，热轧温度：1120-1160℃；终轧温度≥950℃，热轧后捂砂缓冷；

S6、剥皮、研磨。

优选的，在步骤S2中，加料时是在真空感应炉底部加入破碎的碳块，然后依次加入纯铁、金属铬、纯铁，Al块放入料仓中，B-Fe和稀土放入料斗中。

优选的，在步骤S2中，真空感应炉先抽真空到小于0.1Pa开始送电，开始小功率40KW送电，10分钟后加大功率至60KW熔化钢水，保持时间15分钟，待钢水有明显液面后，逐步加大功率至120KW熔化，直至溶清为止；然后进入精炼期，45分钟后停电观察钢水纯净度情况然后120KW大功率合金化5分钟，加入B-Fe和稀土调整功率到出钢温度充氩气带电浇注。

优选的，在步骤S3中，电渣重熔采用CaF₂:Al₂0₃＝65:35的预熔渣生产，电压55V电流3000～4000A。

优选的，在步骤S4中，加热炉缓慢加热到1120℃保温3h后开锻。

本发明的新型熔融金属纤维FeCrAlB合金材料所设计成分的原理与作用作进一步说明：

(1)碳的作用：多余碳形成碳化物沿晶界析出引起塑性降低，少量碳能够在真空冶炼时起到主要的脱氧去气作用；

(2)铬的作用：高温抗氧化性能的关键元素，合金在高温形成的保护氧化膜主要由Cr₂O₃组成。以Cr₂O₃为主的氧化膜较致密，附着性也较强，可以保证合金在高温下长期使用；

(3)硅的作用：硅在高温氧化后生产SiO₂，分布在氧化膜与基体金属的界面处，可以阻止氧渗入，降低合金的氧化速度；硅和稀土元素同时存在时，硅提高抗氧化性能的作用更加显著，提高抗氧化膜的致密性；过量的硅会形成金属间化合物造成金属韧性降低；

(4)锰和铁的作用：锰和铁会降低合金的抗氧化性能，增加氧化速度；

(5)稀土元素的作用：稀土是强还原性元素，在合金中加入稀土元素可能显著提高合金的抗氧化性能；本发明中的稀土元素可以是镧铈混合稀土，其含量为：La镧35％、Ce铈65％；或者仅使用Ce元素；

(6)铝的作用：铝是提高抗氧化性能的关键因素，并能显著提高电阻率；

(8)S、P：是材料中不可避免的有害杂质元素，其含量越低越好，其成分重量％,S≤0.015％,P≤0.020％；

(9)B的作用：少量硼能够净化晶界，过量的硼形成大量硼化物沿晶界析出造成脆裂。

本发明的新型熔融金属纤维FeCrAlB合金材料，适当提高B含量，采用真空感应熔炼+电渣工艺以及后续细化的工艺方案以实现运用于熔融金属纺丝法生产的金属纤维合金的生产，钢内气体含量低，纯净度高，成分均匀性好、钢锭质量好；锻造采用保温箱保温并确保在冷至600℃以上即进炉加热，加热温度低于原FeCrAl合金加热温度和窄的温度锻造区间，可改善锻造后晶粒的均匀性和成材率；热轧后捂砂缓冷，避免应热应力造成的开裂，为保证后续熔融抽丝表面洁净度表面进行剥皮然后磨光处理。

本发明的FeCrAlB合金材料，采用独特成分配方和独特的加工工艺方案来实现熔融金属纺的成型和连续性,以及能够使耐热温度达到 1200℃且有优良的耐腐蚀性能。

附图说明

无。

具体实施方式

结合具体实施例本发明的特征及优点详述如下。

按照本发明的设计思路，设计四组实施例如下：

实施例一：

新型熔融金属纤维FeCrAlB合金材料，其元素组成及各成分的重量百分比含量为：C：0.04％；Si：0.3％；Mn：0.35％；P：≤0.020％；S：≤0.015％；Cr：24.2％；Ti：0.30％；AL：5.6％；Ni：0.4％；B：0.25％；余量为Fe及不可避免的杂质。

实施例二：

新型熔融金属纤维FeCrAlB合金材料，其元素组成及各成分的重量百分比含量为：C：0.03％；Si：0.4％；Mn：0.25％；P：≤0.020％；S：≤0.015％；Cr：24％；Ti：0.25％；AL：5.0％；Ni：0.35；B：0.20％；余量为Fe及不可避免的杂质。

实施例三：

新型熔融金属纤维FeCrAlB合金材料，其元素组成及各成分的重量百分比含量为：C：0.025％；Si：0.25％；Mn：0.20％；P：≤0.020％； S：≤0.015％；Cr：23.5％；Ti：0.25％；AL：4.5％；Ni：0.25；B：0.15％；余量为Fe及不可避免的杂质。

实施例四：

新型熔融金属纤维FeCrAlB合金材料，其元素组成及各成分的重量百分比含量为：C：0.03％；Si：0.3％；Mn：0.2％；P：≤0.020％；S：≤0.015％；Cr：22.5％；Ti：0.20％；AL：4.0％；Ni：0.3％；B：0.2％；余量为Fe及不可避免的杂质。

在金属熔融纺丝时，初生纤维固化前易于液滴化，纺丝工艺条件及冷却方式对纤维结构的影响非常大，保证金属液流的稳定可纺性对纤维成形极为重要。加入适量的元素B含量能够改善熔融纺丝成形，但是过多的硼元素会造成工序热加工的恶化，B元素往往容易偏聚于晶界，可净化晶界但是过量的硼形成硼化物大量沿晶界析出而出现沿境界开裂。

为了满足金属熔融纺丝的生产要求，本发明的上述实施例的新型熔融金属纤维FeCrAlB合金材料的制备过程如下：

根据设计成分配料，根据熔融金属纺丝金属硼含量对成形性影响，控制硼含量为0.10～0.25％，选用GB/T5682-1995规定的FeB23C0.05 为原料加入。其余原材料要求见下表：

采用上述原料制备FeCrAlB合金的具体工艺如下：

原料配料后进行烘烤；

原料加入真空感应炉熔炼，考虑后续铝的烧损按94％的收得率配入；底部加入破碎的碳块，然后依次加入纯铁、金属铬、纯铁，Al块放入料仓中，B-Fe和稀土放入料斗中；抽真空到小于0.1Pa开始送电，开始小功率40KW送电让钢水慢慢熔化并通过钢温将中上部原材料重新烘烤并带出一部分气体，钢水熔化过程会与底碳产生反应带出一部分气体，10分钟后加大功率60KW熔化钢水，保持时间15分钟，待钢水有明显液面后，关注钢水熔化情况逐步加大功率至120KW熔化，直至溶清为止；如果过程中有架桥或冶炼喷溅应降低功率或停电采取相应的措施。然后进入精炼期，45分钟后停电观察钢水纯净度情况然后 120KW大功率合金化5分钟，加入B-Fe和稀土调整功率到出钢温度充氩气带电浇注；

真空冶炼好的电极进行电渣重熔，采用CaF2:Al203＝65:35的预熔渣生产，电压55V电流3000～4000A，电渣后的钢锭立即转入保温箱中并立即红转入加热炉中，避免应冷却造成的应力开裂；根据试验结果，这一步骤对后续成材率影响很大；

锻造，加热炉加热速率不可过快，缓慢加热到1120℃保温3h，时间不可过长易造成钢锭脆断；开锻温度1080-1120℃，终锻温度≥ 900℃；锻造70×70方坯；

热轧，热轧温度：1120-1160℃；终轧温度≥950℃，开坯成Ф16mm 棒材，热轧后捂砂缓冷；

剥皮及研磨，为防止表面氧化皮对后续熔融金属制丝造成的影响表面经过剥皮加工到Ф15mm棒材并经过磨光处理。

本发明的新型熔融金属纤维FeCrAlB合金材料，优化了原有的铁铬铝合金的元素组成及含量，并对原有的生产工艺进行改善，适当提高B 含量，采用真空感应熔炼+电渣工艺以及后续细化的工艺方案以实现运用于熔融金属纺丝法生产的金属纤维合金的生产，钢内气体含量低，纯净度高，成分均匀性好、钢锭质量好；锻造采用保温箱保温并确保在冷至600℃以上即进炉加热，加热温度低于原FeCrAl合金加热温度和窄的温度锻造区间，可改善锻造后晶粒的均匀性和成材率；热轧后捂砂缓冷，避免应热应力造成的开裂，为保证后续熔融抽丝表面洁净度表面进行剥皮然后磨光处理。按照本发明制得的FeCrAlB合金材料可以运用于熔融金属纤维纺丝的生产，该产品的研发和规模化生产成功可以为国内类似金属纤维生产提供优质的原材料，确保其高端产品的研发。

本发明并不局限于所述的实施例，本领域的技术人员在不脱离本发明的精神即公开范围内，仍可作一些修正或改变，故本发明的权利保护范围以权利要求书限定的范围为准。

Claims

1.一种新型熔融金属纤维FeCrAlB合金材料，其特征在于，所述FeCrAlB合金材料的元素组成及各成分的重量百分比含量为：C：0.02～0.04%；Si：0.05~0.50%；Mn：≤0.35%；P：≤0.020%；S：≤0.015%；Cr：24.0~26.0%；Ti ≤0.30%；AL ≤6.0%； Ni：≤0.40% ；B：0.1～0.25%；余量为Fe及不可避免的杂质。

2.如权利要求1所述的一种新型熔融金属纤维FeCrAlB合金材料，其特征在于，所述的FeCrAlB合金材料的元素组成及各成分的重量百分比含量为：C：0.02～0.04%；Si：0.1~0.45%；Mn：≤0.25%；P：≤0.020%；S：≤0.015%；Cr：24.0~26.0%；Ti ≤0.30%；AL：3.0～6.0%；Ni：0.2-0.40% ；B：0.1～0.20%；余量为Fe及不可避免的杂质。

3.如权利要求1所述的一种新型熔融金属纤维FeCrAlB合金材料，其特征在于，所述的FeCrAlB合金材料的元素组成及各成分的重量百分比含量为：C：0.02～0.03%；Si：0.1~0.4%；Mn：≤0.20%；P：≤0.020%；S：≤0.015%；Cr：24.0~26.0%；Ti：0.1～0.30%；AL：4.0～6.0%； Ni：0.2-0.40% ；B：0.1～0.15%；余量为Fe及不可避免的杂质。

4.如权利要求1或2或3所述的一种新型熔融金属纤维FeCrAlB合金材料，其特征在于，所述的FeCrAlB合金材料中还包括0.1～0.2%的稀土元素。

5.如权利要求4所述的一种新型熔融金属纤维FeCrAlB合金材料，其特征在于，所述的稀土元素为镧铈混合稀土或者Ce元素。

6.一种制备如权利要求1-5任一项所述的新型熔融金属纤维FeCrAlB合金的制备方法，其特征在于，所述的制备方法包括如下步骤：

S1、按设计成分配料；

S4、锻造，开锻温度1080-1120℃，终锻温度≥900℃；

S6、剥皮、研磨。

7.如权利要求6所述的新型熔融金属纤维FeCrAlB合金的制备方法，其特征在于，在步骤S2中，加料时是在真空感应炉底部加入破碎的碳块，然后依次加入纯铁、金属铬、纯铁，Al块放入料仓中，B-Fe和稀土放入料斗中。

8.如权利要求7所述的新型熔融金属纤维FeCrAlB合金的制备方法，其特征在于，在步骤S2中，真空感应炉先抽真空到小于0.1Pa开始送电，开始小功率40KW送电，10分钟后加大功率至60KW熔化钢水，保持时间15分钟，待钢水有明显液面后，逐步加大功率至120KW熔化，直至溶清为止；然后进入精炼期，45分钟后停电观察钢水纯净度情况然后120KW大功率合金化5分钟，加入B-Fe和稀土调整功率到出钢温度充氩气带电浇注。

9.如权利要求6所述的新型熔融金属纤维FeCrAlB合金的制备方法，其特征在于，在步骤S3中，电渣重熔采用CaF₂:Al₂0₃=65:35的预熔渣生产，电压55V电流3000～4000A。

10.如权利要求6所述的新型熔融金属纤维FeCrAlB合金的制备方法，其特征在于，在步骤S4中，加热炉缓慢加热到1120℃保温3h后开锻。