CN110499463A - 一种微波还原铁矿石制备316l不锈钢3d打印金属粉末的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微波还原铁矿石制备316L不锈钢3D打印金属粉末的方法，该方法以微波作为能量，使用超级铁精矿作为原料，煤粉作为还原剂，生产出高纯度海绵铁，再进行熔炼喷吹生产316L不锈钢3D打印粉末的制备方法。该方法针对现有技术存在废钢原料纯度低、杂质成分复杂等问题，提供了一种基于微波还原铁矿石技术的316L不锈钢气雾化3D打印金属粉末的制备方法，通过微波加热铁矿石，煤粉还原冶炼出高纯度海绵铁替代废钢用于制备3D打印金属粉末的真空气雾化工艺，实现了高质量3D打印金属粉末的制造。
Description
技术领域
本发明属于粉末冶金领域，具体涉及一种微波还原铁矿石制备316L不锈钢3D打印金属粉末的方法。
背景技术：
金属零件3D打印技术作为整个3D打印体系中最有潜力的技术，所用金属原料的主要制备方法有雾化法、研磨法、熔盐法、还原法、二次造粒法、界面张力法及复合工艺等，我国3D打印金属材料制备方法缺乏技术标准，国内有能力生产3D打印金属材料的企业很少，制约着我国3D打印技术发展的独立性。3D打印技术的核心是装备和材料。随着3D打印技术的发展，3D打印装备逐渐成熟，但目前可用于3D打印的材料种类少、性能不稳定，成为制约3D打印技术发展和应用的瓶颈问题。
气雾化技术是粉末冶金领域重要的粉体生产方法。传统的生产工艺中常将废钢作为原料在真空感应炉中进行熔炼再气雾化喷吹生产金属粉末。316L不锈钢粉末是市场上需求最大的一种金属粉末产品，约占市场需求的50％。使用废钢作为原料生产316L不锈钢粉末的主要问题在于，市场上废钢混杂，废钢中杂质较多。这主要是因为316L不锈钢主要用于纸浆、造纸用设备热交换器，染色设备，胶片冲洗设备、管道等；还用于电磁阀门的小零件等等。在钢材使用过程中，材料表面常附着有各种污垢，另外用于阀门的小零件也很难分解出来。这类问题在转炉或电炉炼钢过程中由于炉容量大，少量杂质对钢水质量影响不明显。而对于熔融冶炼而言，由于规模较小，废钢中代入的杂质对产品质量影响严重。因此，3D打印金属粉末用气雾化法制备使用废钢的设计会带来后期产品质量不高、纯度和流动性都受到一定的影响。
微波还原铁矿石技术是一种新兴的冶炼技术，利用微波产生的高能量，用廉价的煤粉做为还原剂，铁矿石通过传统方式被压碎、辗磨和浓缩，然后和磨成粉的煤炭及石灰石混和，通过还原反应得到纯净的海绵铁。与传统高炉炼铁相比，其生产成本相同，但省去了烧结、焦化等环节，大大减少了环境污染。利用微波直接还原铁矿石的技术生产的海绵铁可用于替代废钢使用。
本发明提供了一种基于微波还原的316L不锈钢气雾化粉末的制备方法，将微波炼钢与3D打印金属粉末熔炼喷吹进行联合，使用超级铁精矿作为原料，煤粉作为还原剂，生产出高纯度海绵铁，再进行熔炼喷吹，从而制备出纯度高、成分可控、粒径可调、流动性能高的高品质3D打印金属粉末，另一方面缓解了传统烧结、焦化加高炉冶炼带来的环境等问题。
发明内容
针对现有技术存在废钢原料纯度低、杂质成分复杂等问题，本发明提供了一种基于微波还原铁矿石技术的316L不锈钢气雾化3D打印金属粉末的制备方法，该方法通过微波加热铁矿石，煤粉还原冶炼出高纯度海绵铁替代废钢用于制备3D打印金属粉末的真空气雾化工艺，实现了高质量3D打印金属粉末的制造。
为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：
一种微波还原铁矿石制备316L不锈钢3D打印金属粉末的方法，具体步骤为：
(1)将铁精矿压碎、辗磨、浓缩后投入到微波反应器中，然后加入煤粉、石灰石进行混合，之后在高温微波炉下冶炼两小时还原制得海绵铁；其中铁精矿、煤粉以及石灰石的质量比为50～60：30～40：5～15；
(2)将步骤(1)制得的海绵铁直接倒入到3D打印真空气雾化设备中，抽真空，将海绵铁熔融后向铁水中加入占海绵铁重量2-6％的锰铁合金、2-4％的铬铁合金、2-4％的镍铁合金和2-4％的钼铁合金进行真空熔炼，制备超音速喷吹用钢水；
(3)将钢水分批次倒入真空感应炉-气雾化喷吹一体化设备的小钢包中，再将钢包中的钢液转入喷吹设备中，通过真空气雾化制粉的方法生产金属粉末；
(4)利用氮气将金属粉末冷却后，经过磁选和筛分，获得所述制备316L不锈钢3D打印金属粉末。
优选的，步骤(1)中所述铁精矿的粒度为2～8mm，其化学成分中全Fe含量≧65％，SiO2％≦5.0％，S≦0.1％，P≦0.1％。
优选的，步骤(1)中所述微波的功率为80KW、频率为2045Hz。
优选的，步骤(2)中所述锰铁合金中锰的含量不低于40wt％，铬铁合金中铬的含量不低于20wt％，镍铁合金中镍的含量不低于20wt％，钼铁合金中钼的含量不低于20wt％。
优选的，步骤(2)中真空熔炼的气压为1000帕，采用500℃-1000℃-1500℃的升温曲线。
优选的，步骤(2)中所制备的海绵铁的粒度为2～5mm，其化学成分中全Fe含量≧95.0％，磁性Fe含量≧90.0％，Si≦5.0％，S≦0.1％，P≦0.1％。
优选的，步骤(3)中真空气雾化时的雾化压力为3.5～5.5Mpa，过热度为200℃。
优选的，步骤(4)中所述制备金属粉末产品的微观形貌为球形，其粒径为10μm～40μm。
优选的，步骤(4)中所述制备金属粉末产品的化学成分中：C≦0.07％，Si≦1.0％，S≦0.03％，P≦0.035％，Mn≦0.035％，16.0％≦Cr≦18.0％，10.0％≦Ni≦14.0％，2.0％≦Mo≦3.0％。
与现有技术相比，本发明具有以下积极效果：
(1)本发明利用微波炼钢工艺为真空气雾化喷吹提供高纯度海绵铁作为原料，一方面在节约能源与废气排放方面做出了积极的贡献，另一方面最大限度的解决了原料来源问题，取代了废钢，避免使用废钢造成的纯度低、杂质多等造成的3D打印金属粉末质量问题；
(2)本发明通过2045Hz，80KW功率的微波反应器对钢水进行一定程度上的冶炼，利用海绵铁中的少量Fe2O3对熔融物中的SiO2以及Al2O3杂质进行去除；后期在粉末制成后，再通过简单的磁选即可分离杂质和铁粉；
(3)与传统使用废钢制备的金属粉末相比，本方法制备的不锈钢3D打印金属粉末产品纯度高，质量优越，生产成本比传统技术低。
具体实施方式
实施例1
一种微波还原铁矿石制备316L不锈钢3D打印金属粉末的方法，具体步骤为：
(1)将20kg俄罗斯高品位铁精矿压碎、辗磨和浓缩后投入到2045Hz，80KW功率的微波反应器中，然后加入15kg煤粉、5kg石灰石进行混合，之后在微波的作用下进行还原冶炼两小时制得海绵铁；其中，俄罗斯高铁精矿85％粒度≤5mm，粒度≥5mm的铁矿比例不超过15％，其化学成分如表1所示：
表1.俄罗斯铁精矿成分表
(2)将步骤(1)制得的海绵铁直接倒入到3D打印真空气雾化设备中，抽真空，将海绵铁熔融后向铁水中加入1.17kg低碳锰铁、0.7kg高碳铬铁、0.7kg低碳镍铁和0.7kg钼铁合金进行真空熔炼，制备超音速喷吹用钢水；
其中，使用的各种铁合金成分表如下表2所示：
表2.各种合金成分表
3)将钢水分批次倒入真空感应炉-气雾化喷吹一体化设备的小钢包中，再将钢包中的钢液转入喷吹设备中，通过气雾化过程生产金属粉末；
(4)利用氮气将金属粉末冷却后，经过磁选和筛分，获得80～100目、100～150目、150～280目、270～400目四种粒径级别的所述制备316L不锈钢3D打印金属粉末。
实施例2
一种微波还原铁矿石制备316L不锈钢3D打印金属粉末的方法，具体步骤为：
(1)将25kg加拿大高品位铁精矿压碎、辗磨和浓缩后投入到2045Hz，80KW功率的微波反应器中，然后加入15kg煤粉、5kg石灰石进行混合，之后在微波的作用下进行还原制得海绵铁；其中，加拿大高铁精矿粒度范围为3mm～4mm，粒度≥5mm的铁矿比例不超过15％，其化学成分如表3所示：
表3.加拿大精矿成分表
(2)将步骤(1)制得的海绵铁直接倒入到3D打印真空气雾化设备中，抽真空，将海绵铁熔融后向铁水中加入1.33kg低碳锰铁、0.8kg高碳铬铁、0.8kg低碳镍铁和0.8kg钼铁合金进行真空熔炼，制备超音速喷吹用钢水；
其中，使用的各种铁合金成分表如下表4所示：
表4.各种合金成分表
(3)将钢水分批次倒入真空感应炉-气雾化喷吹一体化设备的小钢包中，再将钢包中的钢液转入喷吹设备中，通过气雾化过程生产金属粉末；
(4)利用氮气将金属粉末冷却后，经过磁选和筛分，获得80～100目、100～150目、150～280目、270～400目四种粒径级别的所述制备316L不锈钢3D打印金属粉末。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所作出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种微波还原铁矿石制备316L不锈钢3D打印金属粉末的方法，其特征在于，具体步骤为：
(1)将铁精矿压碎、辗磨、浓缩后投入到微波反应器中，然后加入煤粉、石灰石进行混合，之后在高温微波炉下冶炼两小时还原制得海绵铁；其中铁精矿、煤粉以及石灰石的质量比为50～60：30～40：5～15；
(2)将步骤(1)制得的海绵铁直接倒入到3D打印真空气雾化设备中，抽真空，将海绵铁熔融后向铁水中加入占海绵铁重量2-6％的锰铁合金、2-4％的铬铁合金、2-4％的镍铁合金和2-4％的钼铁合金进行真空熔炼，制备超音速喷吹用钢水；
(3)将钢水分批次倒入真空感应炉-气雾化喷吹一体化设备的小钢包中，再将钢包中的钢液转入喷吹设备中，通过真空气雾化制粉的方法生产金属粉末；
(4)利用氮气将金属粉末冷却后，经过磁选和筛分，获得所述制备316L不锈钢3D打印金属粉末。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述铁精矿的粒度为2～8mm，其化学成分中全Fe含量≧65％，SiO2％≦5.0％，S≦0.1％，P≦0.1％。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述微波的功率为80KW、频率为2045Hz。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述锰铁合金中锰的含量不低于40wt％，铬铁合金中铬的含量不低于20wt％，镍铁合金中镍的含量不低于20wt％，钼铁合金中钼的含量不低于20wt％。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中真空熔炼的气压为1000帕，采用500℃-1000℃-1500℃的升温曲线。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所制备的海绵铁的粒度为2～5mm，其化学成分中全Fe含量≧95.0％，磁性Fe含量≧90.0％，Si≦1.0％，S≦0.1％，P≦0.1％。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中真空气雾化时的雾化压力为3.5～5.5Mpa，过热度为200℃。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)中所述制备金属粉末产品的微观形貌为球形，其粒径为10μm～40μm。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)中所述制备金属粉末产品的化学成分中：C≦0.07％，Si≦1.0％，S≦0.03％，P≦0.035％，Mn≦0.035％，16.0％≦Cr≦18.0％，10.0％≦Ni≦14.0％，2.0％≦Mo≦3.0％。
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