CN110484793B - 一种提高铝硅锰铁合金抗粉化性能的电脉冲处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高铝硅锰铁合金抗粉化性能的电脉冲处理方法，所述铝硅锰铁合金中各化学成分的质量百分含量为：Mn 49‑51％，Al 19‑21％，Si 17‑20％，Fe 5‑14％，余量为碳等杂质元素。合金制备过程包括以下步骤：(1)按设计组分称取各原料。(2)按照设计顺序加入各原料熔炼。(3)在所有原料融化时，关闭感应炉电源，同时将连接电脉冲电源的两根纯铁电极插入高温熔池，向熔池内施加高能量密度的脉冲电流。(4)电脉冲处理5‑10分钟后，冷却，得到铝硅锰铁合金。本发明所得产品中晶粒尺寸较小、合金组织致密、结构稳定，抗粉化性能优越，合金储存周期长。其符合炼钢用的脱氧剂的要求。

Description

一种提高铝硅锰铁合金抗粉化性能的电脉冲处理方法
技术领域
本发明涉及改善合金组织及性能技术领域，具体涉及一种提高铝硅锰铁合金抗粉化性能的电脉冲处理方法,该合金可用于钢液脱氧与合金化，其组织存在明显细晶区，结构致密性能好，附加值高，性质稳定储存周期长。
背景技术
锰系合金作为炼钢过程的复合脱氧中间合金，增强对锰系合金中杂质元素的数量及含量控制，改善合金的组织及性能，研发高纯度的锰系合金产品，在提高各类钢材质量方面具有深远的意义。
近年来，低磷低碳高纯硅锰合金、氮化锰铁等高纯度的复合合金的需求不断增加，然而，此类合金普遍存在着自然粉化问题，其中以铝硅锰合金的粉化问题最为严重,固体合金一周左右就能够完全粉化，更有甚者几天内就完全粉化掉，这严重影响产品性能与寿命。关于粉化的机理，大部分研究认为，粉化是在合金组织出现裂纹、断裂等缺陷时萌生的，一些不稳定相或脆性相在裂纹通道易发生水解反应，使得裂纹通道进一步扩展，最终导致合金组织解体，彻底实现粉化。因此，提出一种提高铝硅锰铁合金抗粉化性能的电脉冲处理方法显得尤为重要。
发明内容
针对以上所述的锰系合金存在的不足，本发明目的在于提供一种提高铝硅锰铁合金抗粉化性能的电脉冲处理方法。
本发明一种提高铝硅锰铁合金抗粉化性能的电脉冲处理方法，所述铝硅锰铁合金中各合金元素的质量百分比为：Mn 49-51％，Al 19-21％，Si 17-20％，Fe 5-14％，余量为碳磷硫等杂质元素；所述铝硅锰铁合金中，(Mn+Al+Si+Fe)的质量占铝硅锰铁合金总质量的99.5％以上；
其制备方法为：
按设计组分配取各原料；在保护气氛下将各组分融化后得到熔体；将熔体的温度降至1450-1500℃，然后将连接电脉冲电源的纯铁电极棒插入熔体中，启动脉冲电源进行电脉冲处理5-10分钟后，冷却，得到铝硅锰合金；进行电脉冲处理时，控制峰值电压为11～36V；脉冲频率为1Hz-100Hz。
本发明一种提高铝硅锰铁合金抗粉化性能的电脉冲处理方法，电脉冲电源施加的电脉冲为直流脉冲，脉冲类型为间隔脉冲，脉冲宽度为1μs～150μs，峰值电压为20～36V；脉冲频率为1Hz-100Hz。
本发明一种提高铝硅锰铁合金抗粉化性能的电脉冲处理方法，电极的水平间距为5cm-15cm；电极插入熔体中的深度为3cm-25cm。
本发明一种提高铝硅锰铁合金抗粉化性能的电脉冲处理方法，所述原料包括铝源、硅源、锰源、铁源；所述铝源为纯度大于等于99.5％的铝；所述硅源由纯度大于99.5％的硅和硅锰合金组成；所述锰源由纯度大于99.5％的纯锰和硅锰合金组成；所述铁源为纯度大于等于99.5％的铁。
本发明一种提高铝硅锰铁合金抗粉化性能的电脉冲处理方法，包括下述步骤：
步骤一
在保护气氛下，将配取的铁源加入熔炼炉内；加热至熔融，得到熔体1；
步骤二
将配取锰源加入到熔体1中，并升温至1230-1260℃；得到熔体2；
步骤三
将配取的铝、硅加入到熔体2中；然后升温至1450-1500℃；搅拌均匀，得到熔体3；
步骤四
将连接电脉冲电源的纯铁电极棒插入熔体中，启动脉冲电源进行电脉冲处理5-10分钟后；得到熔体4；将熔体4以5K/s-480K/s、优选为100-480K/s、进一步优选为400-480K/s的冷却速度冷却至300℃以下，然后自然冷却至室温，脱模，得到块状产品。相比于单纯的依靠冷却速度来提高产品的抗粉化效果，本发明可以适当的将冷却速度调控至5K/s-480K/s。
本发明一种提高铝硅锰铁合金抗粉化性能的电脉冲处理方法，步骤四中，得到熔体4后，将熔体4导入模具中，连同模具一起以400K/s-480K/s的冷却速度冷却至300℃以下，然后自然冷却至室温，脱模，得到块状产品。
本发明一种提高铝硅锰铁合金抗粉化性能的电脉冲处理方法，所得块状产品自然放置45天后，粉化率小于5％。优化后，自然放置45天粉化率小于等于3％进一步优化后，自然放置45天粉化率小于等于2％；更进一步优化后，自然放置45天粉化率小于等于1％。
本发明一种提高铝硅锰铁合金抗粉化性能的电脉冲处理方法，每公斤熔体与模具的接触面积为1300-1700cm2当模具内存有N公斤熔体；冷却时，模具与冷却介质的接触面积大于等于N*(1300-1700)cm2。
本发明一种提高铝硅锰铁合金抗粉化性能的电脉冲处理方法，所述模具为中空圆柱体模具。
本发明一种提高铝硅锰铁合金抗粉化性能的电脉冲处理方法，所述模具的材质为石英。
本发明一种提高铝硅锰铁合金抗粉化性能的电脉冲处理方法，在实验室操作时，其所用设备包括电脉冲系统、加热系统；所述电脉冲系统由电脉冲电源、电极、电极固定/移动架组成；所述加热系统主要由感应炉组成；所述感应炉中设有坩埚，所述电极安装在电极固定/移动架上，一端与电脉冲电源通过铜导线连接，另一端可插入感应炉内。所述电极固定/移动架由底座、转盘、竖直杆、横杆组成，所述竖直杆垂直安装在所述底座上，其高度可以通过连接的转盘来调节，所述横杆的一端与竖直杆连接，另一端通过螺母活动连接电极。所述电极为2个，安装在横杆上，且2个电极的种类、直径及电极之间的间距可调。
原理及优势
高温熔融状态时，铝硅锰铁合金主要以离子的形式存在，当高能量密度的周期性电脉冲施加到坩埚时，电脉冲作用能加速铝硅锰合金熔体中离子的运动，由于单个电脉冲作用时间很短，只能加速粒子的形核过程，然而晶粒没有足够的生长时间，最终可以获得细化晶粒，改善合金的凝固组织，从而可以提高合金的抗粉化性能。
作为本发明的优选工艺，通过电脉冲处理和适当冷却速度的配合，提升了产品的抗粉化性能。经优化后(即采用合理参数的电脉冲处理和适当冷却速度)，在设计成分的约束下，所得产品的自然放置45天后，粉化率小于1％。
本发明与现有技术相比,具有以下优势：
1.本方法通过采用电脉冲作用于铝硅锰合金凝固过程，利用高能量密度的电脉冲处理，能很好实现合金凝固组织的优化，抗粉化性能的提升。
2.本发明设备简易，操作简单，实验周期短，成本低廉。
3.节能环保。本方法因实施的电脉冲虽然是高能量密度，但其峰值电压最高达36V，所耗电功率却低于一个普通白炽灯，克服了现有技术耗电大的问题。除此之外，电脉冲在实施过程中不会产生噪声、三废污染。
4.本发明应用的电脉冲可以很精细灵活地控制电脉冲参数，从而可以满足不同的实验要求，适用范围广。
为了探索适合的电脉冲参数，围绕本发明的内容开展了一系列的试验。适当的电脉冲参数条件下，电脉冲处理可以加速铝硅锰合金熔体中粒子的运动，增大形核率，缩短形核时间，而形成小尺寸晶粒，细化铝硅锰合金凝固组织，改善合金抗粉化性能，延长合金储存周期，给合金的储存和运输缓解压力。该方法应用前景广泛，可为学术科研和生产实践提供可靠、稳定的理论依据和技术支持。
下面将结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
附图说明
图1为本发明实施例1中所用装置的示意图。
图2为对比例1制备的合金储存45天后的宏观形貌图。
图3为本发明实施例1制备的合金储存45天后的宏观形貌图。
图4为本发明实施例2制备的合金储存45天后的宏观形貌图。
图1中，1为感应炉，2为硅铝锰合金熔体；3为电极、4为电脉冲电源、5为电极固定/移动架。
从图2中可以看出，对比例1所得产品储存45天后已经严重粉化。
从图3中可以看出，实施例1所得产品储存45天后几乎未见明显粉体。
从图4中可以看出，实施例2所得产品储存45天后几乎未见明显粉体。
具体实施方式
在本发明的具体实施方式中，硅锰合金的成分为wt％：Mn:65.83,Si:17.60,Fe:14,Al:0.19。
对比例1
1)原料准备：高纯铝粒59.6g、高纯锰片12.34g、高纯硅块14.3g，高纯超细GR铁粉11.42g，硅锰合金200g，原料需在烘干箱内80℃条件下烘烤两小时，冷却后称取质量。
2)电脉冲设备参数设置：实验之前，设置好电脉冲电源参数，将峰值电压设为10V，脉冲宽度为100μs，脉冲频率为90Hz，脉冲作用设为10分钟。
3)电脉冲电极调节：实验之前，调节好电脉冲电极位置，将电极插入感应炉内的坩埚中，其插入深度通过电极固定/移动架上的转盘设置为10cm，通过电极固定/移动架上的横杆调节两电极的间距，通过活动螺母将电极间距设置为6cm。
4)原料熔炼：A.将完好的MgO坩埚置于感应炉膛内，先在坩埚内加入准备好的高纯铁粉，盖好炉盖，连接好氩气，将感应炉按照一定的功率升温且开通氩气进行气氛保护，先将固态原料熔化。B.待步骤A所述的高纯铁粉熔化后，按配比加入硅锰合金和纯锰片。C.温度升到1000℃时，待步骤B所述的硅锰合金和纯锰片熔化后，沿着加料通道往炉膛内加一定量的纯铝粒和纯硅粒。D.感应炉继续升温到1500℃，使步骤A、B、C所述的所有原料完全熔化，关闭感应炉电源。
5)施加电脉冲：将连接电脉冲电源的两根纯铁电极插入高温熔池，向熔池内施加高能量密度的脉冲电流。电脉冲处理10分钟后，取出电极及坩埚，将坩埚置于空气中自然冷却，得到铝硅锰合金(称重为295.00g，记为原始重量)。
6)合金的储存：将所得到的铝硅锰铁合金放置在干燥皿内，45天后观察合金的储存情况，其宏观形貌如附图2所示。粉体称重为143.30g；按粉体质量/铝原始重量*100％＝48.57％；在本次实验中，粉体是指直径小于大于0.5cm的颗粒。
实施例1
1)原料准备：高纯铝粒59.6g、高纯锰片12.34g、高纯硅块14.3g，高纯超细GR铁粉11.42g，硅锰合金200g，原料需在烘干箱内80℃条件下烘烤两小时，冷却后称取质量。
2)电脉冲设备参数设置：实验之前，设置好电脉冲电源参数，将峰值电压设为20V，脉冲宽度为100μs，脉冲频率为90Hz，脉冲作用设为10分钟。
3)电脉冲电极调节：实验之前，调节好电脉冲电极位置，将电极插入感应炉内的坩埚中，其插入深度通过电极固定/移动架上的转盘设置为10cm，通过电极固定/移动架上的横杆调节两电极的间距，通过活动螺母将电极间距设置为6cm。
4)原料熔炼：A.将完好的MgO坩埚置于感应炉膛内，先在坩埚内加入准备好的高纯铁粉，盖好炉盖，连接好氩气，将感应炉按照一定的功率升温且开通氩气进行气氛保护，先将固态原料熔化。B.待步骤A所述的高纯铁粉熔化后，按配比加入硅锰合金和纯锰片。C.温度升到1000℃时，待步骤B所述的硅锰合金和纯锰片熔化后，沿着加料通道往炉膛内加一定量的纯铝粒和纯硅粒。D.感应炉继续升温到1500℃，使步骤A、B、C所述的所有原料完全熔化，关闭感应炉电源。
5)施加电脉冲：将连接电脉冲电源的两根纯铁电极插入高温熔池，向熔池内施加高能量密度的脉冲电流。电脉冲处理10分钟后，取出电极及坩埚，将坩埚置于空气中自然冷却，得到铝硅锰合金。称重为295.36g，记为原始重量。
6)合金的储存：将所得到的铝硅锰铁合金放置在干燥皿内，45天后观察合金的储存情况，其宏观形貌如附图3所示。由于粉体较少，因此采用了称取块体的质量(282.47g)进行计算得出粉化率；100％-(块体质量/原始重量)＝4.36％。
实施例2
1)原料准备：高纯铝粒59.6g、高纯锰片12.34g、高纯硅块14.3g，高纯超细GR铁粉11.42g，硅锰合金200g，原料需在烘干箱内80℃条件下烘烤两小时，冷却后称取质量。
2)电脉冲设备参数设置：实验之前，设置好电脉冲电源参数，将峰值电压设为30V，脉冲宽度为100μs，脉冲频率为90Hz，脉冲作用设为10分钟。
3)电脉冲电极调节：实验之前，调节好电脉冲电极位置，将电极插入感应炉内的坩埚中，其插入深度通过电极固定/移动架上的转盘设置为10cm，通过电极固定/移动架上的横杆调节两电极的间距，通过活动螺母将电极间距设置为6cm。
4)原料熔炼：A.将完好的MgO坩埚置于感应炉膛内，先在坩埚内加入准备好的高纯铁粉，盖好炉盖，连接好氩气，将感应炉按照一定的功率升温且开通氩气进行气氛保护，先将固态原料熔化。B.待步骤A所述的高纯铁粉熔化后，按配比加入硅锰合金和纯锰片。C.温度升到1000℃时，待步骤B所述的硅锰合金和纯锰片熔化后，沿着加料通道往炉膛内加一定量的纯铝粒和纯硅粒。D.感应炉继续升温到1500℃，使步骤A、B、C所述的所有原料完全熔化，关闭感应炉电源。
5)施加电脉冲：将连接电脉冲电源的两根纯铁电极插入高温熔池，向熔池内施加高能量密度的脉冲电流。电脉冲处理10分钟后，取出电极及坩埚，将坩埚置于空气中自然冷却，得到铝硅锰合金。称重为294.89g，记为原始重量。
6)合金的储存：将所得到的铝硅锰铁合金放置在干燥皿内，45天后观察合金的储存情况，其宏观形貌如附图4所示。由于粉体较少，因此采用了称取块体的质量(284.67g)进行计算得出粉化率；100％-(块体质量/原始重量)＝3.47％。
实施例3
其他条件和实施例2一致，不同之处在于：步骤5)中，电脉冲处理10分钟后，取出电极及坩埚，将坩埚置于流动的氩气中，以100K/s的速度冷却。得到铝硅锰合金。称重为297.88g，记为原始重量。
所得到的铝硅锰铁合金放置在干燥皿内，45天后观察合金的储存情况。由于粉体较少，因此采用了称取块体的质量(289.96g)进行计算得出粉化率；100％-(块体质量/原始重量)＝2.64％。
实施例4
其他条件和实施例2一致，不同之处在于：步骤5)中，电脉冲处理10分钟后，取出电极及坩埚，用石英管(内径4mm)将合金熔体通吸出(吸液高度为7.3cm)，然后将石英管浸入冷却水中进行快速冷却，冷却速率通过红外测温仪检测为425K/s，得到铝硅锰铁合金。得到铝硅锰合金。称重为4.89g，记为原始重量。
所得到的铝硅锰铁合金放置在干燥皿内，45天后观察合金的储存情况。由于粉体较少，因此采用了称取块体的质量(4.86g)进行计算得出粉化率；100％-(块体质量/原始重量)＝0.62％。
在进一步加大冷却速度至500K/s时，发现石英管存在裂纹，进同时所得产品从石英管中取出时，已经有部分存在粉化的现象，这可能是表层接触到了水。随后放置30天，粉化现象比较严重。

Claims (10)

1.一种提高铝硅锰铁合金抗粉化性能的电脉冲处理方法，其特征在于：所述铝硅锰铁合金中各合金元素的质量百分比为：Mn 49-51%，Al 19-21%，Si 17-20%，Fe 5-14%，余量为碳磷硫等杂质元素；所述铝硅锰铁合金中，（Mn+Al+Si+Fe）的质量占铝硅锰铁合金总质量的99.5%以上；
其制备方法为：
按设计组分配取各原料；在保护气氛下将各组分融化后得到熔体；将熔体的温度降至1450-1500℃，然后将连接电脉冲电源的纯铁电极棒插入熔体中，启动脉冲电源进行电脉冲处理5-10分钟后，冷却，得到铝硅锰铁合金；进行电脉冲处理时，控制峰值电压为11~36V；脉冲频率为1Hz-100Hz。
2.根据权利要求1 所述的一种提高铝硅锰铁合金抗粉化性能的电脉冲处理方法，其特征在于：电脉冲电源施加的电脉冲为直流脉冲，脉冲类型为间隔脉冲，脉冲宽度为1μs~150μs，峰值电压为20~36 V；脉冲频率为1Hz-100Hz。
3.根据权利要求1 所述的一种提高铝硅锰铁合金抗粉化性能的电脉冲处理方法，其特征在于：电极的水平间距为5cm-15cm；电极插入熔体中的深度为3cm-25cm。
4.根据权利要求1 所述的一种提高铝硅锰铁合金抗粉化性能的电脉冲处理方法，其特征在于：所述原料包括铝源、硅源、锰源、铁源；所述铝源为纯度大于等于99.5%的铝；所述硅源由纯度大于99.5%的硅和硅锰合金组成；所述锰源由纯度大于99.5%的纯锰和硅锰合金组成；所述铁源为纯度大于等于99.5%的铁。
5.根据权利要求4 所述的一种提高铝硅锰铁合金抗粉化性能的电脉冲处理方法，其特征在于：包括下述步骤：
步骤一
在保护气氛下，将配取的铁源加入熔炼炉内；加热至熔融，得到熔体1；
步骤二
将配取锰源加入到熔体1中，并升温至1230-1260℃；得到熔体2；
步骤三
将配取的铝、硅加入到熔体2中；然后升温至1450-1500℃；搅拌均匀，得到熔体3；
步骤四
将连接电脉冲电源的纯铁电极棒插入熔体中，启动脉冲电源进行电脉冲处理5-10分钟后；得到熔体4；将熔体4以5K/s-480K/s的冷却速度冷却至300℃以下，然后自然冷却至室温，脱模，得到块状产品。
6.根据权利要求5 所述的一种提高铝硅锰铁合金抗粉化性能的电脉冲处理方法，其特征在于：步骤四中，得到熔体4后，将熔体4导入模具中，连同模具一起以400K/s-480 K/s的冷却速度冷却至300℃以下，然后自然冷却至室温，脱模，得到块状产品。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的一种提高铝硅锰铁合金抗粉化性能的电脉冲处理方法，其特征在于：所得块状产品自然放置45天后，粉化率小于5%。
8.根据权利要求6所述的一种提高铝硅锰铁合金抗粉化性能的电脉冲处理方法；其特征在于：每公斤熔体与模具的接触面积为1300-1700cm2当模具内存有N公斤熔体；冷却时，模具与冷却介质的接触面积大于等于N*（1300-1700）cm2。
9.根据权利要求6所述的一种提高铝硅锰铁合金抗粉化性能的电脉冲处理方法；其特征在于：所述模具为中空圆柱体模具。
10.根据权利要求6所述的一种提高铝硅锰铁合金抗粉化性能的电脉冲处理方法；其特征在于：所述模具的材质为石英。
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