CN115341156A - 一种适用于金属镁精炼锅的Fe-Al-B合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于金属镁精炼锅的Fe‑Al‑B合金及其制备方法，金属镁精炼锅的化学组分包括：以质量分数计，Al：3.0～5.0％，Cr：8.0～12.0％，B：1.0～2.0％，C：量0.2～0.4％，Si：0.8～1.2％，Mn：0.8～1.0％，其余为Fe，将上述合金置于真空熔炼炉进行熔炼，金属模浇注，获得铸锭。本发明的金属镁精炼锅的Fe‑Al‑B合金，可有效解决现有技术中精炼锅成本高，强度低和耐腐蚀性差导致寿命短以及金属镁纯度不高等问题。
Description
技术领域
本发明属于金属材料领域，具体涉及一种适用于金属镁精炼锅的Fe-Al-B合金及其制备方法。
背景技术
金属镁冶炼行业在国内发展相对较晚，当前金属镁主产地主要在中国。但是技术进步方面一直较缓慢，鉴于金属镁冶炼的特殊性，尤其是精炼过程的特殊性和危险性，并且金属镁精炼锅的质量在镁行业一直没有得到很好的提升，对生产造成很大的制约和安全隐患。
精炼锅是金属镁精炼设备中的熔炼设备，其作用是熔炼粗镁，提高镁的纯度，为金属镁原材料使用方提供性能良好，杂质少的金属镁，具有熔炼粗镁、转移金属镁液等功能。精炼锅是精炼金属镁的关键设备，具有熔炼粗镁功能，使用条件恶劣，熔炼时工况特别恶劣，除受正常高温环境外，还受到镁液对锅的高温腐蚀、热蠕变；另外，由于金属镁熔炼过程环境特别恶劣，可能出现诸多不可预测的因素，如煤气对锅壁的冲击，腐蚀液超标以及重力作用状况下加剧破坏精炼锅，其性能的好坏对熔炼过程至关重要。一旦精炼锅损坏导致金属镁液泄露，将引发灾难性的安全事故。
金属镁精炼锅有一体锅和复合锅两种形式，其中一体锅具有抗高温性能好，热蠕变性小，耐腐蚀性能好等优点，多数精炼镁企业所采的熔炼设备。目前，一体锅主要采用砂型铸造，具有制备工艺简单的优点，但是耐热钢在冶炼和结晶过程中，存在内部组织不均匀性，晶粒粗大，塑性、韧性恶化严重，而且铸钢件存在难以完全避免的铸造缺陷，例如缩松、气孔、砂眼等，必然导致精炼锅安全可靠性下降；同时，由于合金元素配方不合理，引起精炼锅耐腐蚀性能差，这些原因都是导致精炼锅出现气孔漏液或变形严重导致锅开裂，进而出现灾难性的安全事故。
在实际使用中，少量的镍元素与金属镁液发生反应，耐腐蚀性差而且生产成本高，精炼锅强度不高，寿命短，金属镁纯度不高，制约金属镁精炼生产。因此，急需采用新配方的材料成分和制备方法，来提高精炼锅强度低、寿命短以及精炼锅的耐腐蚀性差的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于金属镁精炼锅的Fe-Al-B合金及其制备方法，该方法解决了现有技术中精炼锅成本高，强度低和耐腐蚀性差导致寿命短以及金属镁纯度不高等问题。
本发明为了实现上述技术目的，具体通过以下技术方案实现：
一种适用于金属镁精炼锅的Fe-Al-B合金，金属镁精炼锅的化学组分包括：以质量分数计，Al：3.0～5.0％，Cr：8.0～12.0％，B：1.0～2.0％，C：量0.2～0.4％，Si：0.8～1.2％，Mn：0.8～1.0％，其余为Fe。
优选地，合金的纯度≥99.9％。
本发明采的另一技术方案如下：
一种适用于金属镁精炼锅的Fe-Al-B合金的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：按质量百分比分别称取Al含量3.0～5.0％，Cr含量8.0～12.0％，B含量1.0～2.0％，C含量0.2～0.4％，Si含量0.8～1.2％，Mn粉0.8～1.0％，其余为Fe；
步骤2：将步骤1称取的合金，采用真空熔炼炉进行熔炼，金属模浇注，获得铸锭；
步骤3：将所述步骤2不同铸锭进行切割，在热处理炉中进行恒温抗氧化试验，考察合金的抗氧化性能；
步骤4：将步骤3中测试满足要求的合金，放入粗镁溶液中进行长时间的耐镁蚀性试验；
步骤5：经步骤4热处理后合金，若满足耐蚀性要求，既制得金属镁精炼锅的Fe-Al-B合金。
优选地，步骤3中试验温度为900～950℃，试验时间为150～200h。
优选地，步骤4中试验温度为800～850℃。
本发明的有益效果是：
(1)本发明适用于制备镁精炼锅，可有效解决现有镁精炼锅在使用过程中耐蚀性能差、使用寿命短等问题。
(2)本发明为了保证精炼锅在炼镁时的高温稳定性，在合金中添加C、Al、B元素，可以使铁在高温下不易溶解进入镁合金液。其主要原因是低碳钢熔炼过程中,如果加入一定量的Al、B等元素，Al、B等元素与Fe形成Fe3Al、FeAl、FeB、Fe2B等金属间化合物。它们熔点均高于1000℃,在镁合金熔炼温度范围内自身稳定，并不与高温金属液发生反应。在精炼锅使用过程中，这些金属间化合物对合金液中镁原子与精炼锅中铁原子的相互扩散、以及其他合金元素与基体间的化学反应具有一定的阻止和抑制作用，从而阻止铁质精炼锅的溶解腐蚀和反应腐蚀。
(3)本发明合金中不含有金属Ni，Ni属于国家战略资源，价格昂贵。因此本发明的合金在保证使用性能的前提下，成本较现有市面上的材料低。
(4)本发明合金铸造后进行一系列的热处理，有效调整其性能，充分保证其服役过程的安全稳定性；本合金制备工艺简单，应用范围广。
附图说明
图1为本发明实施例制备的金属镁精炼锅用Fe-Al-B合金的金相组织；
图2为本发明实施例制备的金属镁精炼锅用Fe-Al-B合金的XRD物相检测结果。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明一种适用于金属镁精炼锅的Fe-Al-B合金，按质量百分比包括如下成分：Al含量3.0～5.0％，Cr含量8.0～12.0％，B含量1.0～2.0％，C含量0.2～0.4％，Si含量0.8～1.2％，Mn粉0.8～1.0％，其余为Fe，以上组分质量百分比之和为100％。
上述合金的纯度≥99.9％。
该合金主要组分的作用和功能如下：
(1)C、Al、B元素：这三种元素可以使铁基精炼镁锅在高温下不易溶解进入镁合金液。Al、B等元素与Fe形成Fe3Al、FeAl、FeB、Fe2B等金属间化合物。它们熔点均高于1000℃，在镁合金熔炼温度范围内自身稳定，并不与高温金属液发生反应。在精炼锅使用过程中，这些金属间化合物对合金液中镁原子与精炼锅中铁原子的相互扩散、以及其他合金元素与基体间的化学反应具有一定的阻止和抑制作用，从而阻止铁基精炼锅的溶解腐蚀和反应腐蚀。
(2)Cr元素：Cr元素可以在高温下反应生成致密的氧化膜，从而保证合金在高温炼镁过程的稳定性。
(3)Si和Mn元素：Si和Mn具有联合脱氧的作用。Si和Cr一样，在高温下可以形成氧化膜，起到保护熔覆金属抵抗氧化的作用。Mn添加后，可以提高焊缝抗开裂能力。
上述一种适用于金属镁精炼锅的Fe-Al-B合金的制备方法，具体步骤如下：
步骤1：按质量百分比分别称取Al含量3.0～5.0％，Cr含量8.0～12.0％，B含量1.0～2.0％，C含量0.2～0.4％，Si含量0.8～1.2％，Mn粉0.8～1.0％，其余为Fe，以上组分质量百分比之和为100％。
步骤2：将步骤1称取的合金，采用10kg的真空熔炼炉进行熔炼，金属模浇注，获得铸锭。
步骤3：将不同铸锭进行切割，在热处理炉中进行恒温抗氧化试验，试验温度为900-950℃，试验时间为150-200h，考察合金的抗氧化性能；
步骤4：将步骤3中测试满足要求的合金，放入粗镁溶液中进行长时间的耐镁蚀性试验，试验温度为800-850℃。
步骤5：经步骤4热处理后合金，若满足耐蚀性要求，则合金的基本性能满足要求，可进行批量化生产。
实施例1
步骤1：按质量百分比分别称取Al含量3.0％，Cr含量8.0％，B含量1.0％，C含量0.2％，Si含量0.8％，Mn粉0.8％，其余为Fe，以上组分质量百分比之和为100％。
步骤2：将步骤1称取的合金，采用10kg的真空熔炼炉进行熔炼，金属模浇注，获得铸锭。
步骤3：将不同铸锭进行切割，在热处理炉中进行恒温抗氧化试验，试验温度为900℃，试验时间为150h，考察合金的抗氧化性能。
步骤4：将步骤3中测试满足要求的合金，放入粗镁溶液中进行长时间的耐镁蚀性试验，试验温度为800℃。
步骤5：经步骤4热处理后合金，若满足耐蚀性要求，则合金的基本性能满足要求，可进行批量化生产。
经测试，上述Fe-Al-B合金的组织及性能测试结果如下：
(1)铸态显微组织为α-Fe+硼化物，从图1可以看出，合金主要由浅灰色基体和深灰色不规则第二相组成，其中基体为α-Fe，深灰色不规则第二相为硼化物；从图2可以看出，XRD结果主要为α-Fe和一系列的硼化物。
(2)铸态洛氏硬度为18.7HRC。
(3)900℃下的氧化试验结果：试验前后重量差为0.00001g，表明其具有优异的抗氧化性能。
(4)800℃耐镁蚀性试验表明，其合金表明检测不到Mg元素的深入，表明该合金成分可以用来炼镁。
该成分精炼锅强度满足要求，熔镁过程中抗氧化能力强，且其他元素未与镁元素发生反应，耐腐蚀性好，获得镁液纯度高等要求。
实施例2
步骤1：按质量百分比分别称取Al含量5.0％，Cr含量12.0％，B含量2.0％，C含量0.4％，Si含量1.2％，Mn粉1.0％，其余为Fe，以上组分质量百分比之和为100％。
步骤2：将步骤1称取的合金，采用10kg的真空熔炼炉进行熔炼，金属模浇注，获得铸锭。
步骤3：将不同铸锭进行切割，在热处理炉中进行恒温抗氧化试验，试验温度为950℃，试验时间为200h，考察合金的抗氧化性能。
步骤4：将步骤3中测试满足要求的合金，放入粗镁溶液中进行长时间的耐镁蚀性试验，试验温度为850℃。
步骤5：经步骤4热处理后合金，若满足耐蚀性要求，则合金的基本性能满足要求，可进行批量化生产。
经测试，上述Fe-Al-B合金的组织及性能测试结果如下：
(1)铸态显微组织为α-Fe+硼化物，从图1可以看出，合金主要由浅灰色基体和深灰色不规则第二相组成，其中基体为α-Fe，深灰色不规则第二相为硼化物；从图2可以看出，XRD结果主要为α-Fe和一系列的硼化物。
(2)铸态洛氏硬度为22.1HRC。
(3)950℃下的氧化试验结果：试验前后重量差为0.00002g，表明其具有优异的抗氧化性能。
(4)850℃耐镁蚀性试验表明，其合金表明检测不到Mg元素的深入，表明该合金成分可以用来炼镁。
该成分精炼锅强度满足要求，熔镁过程中抗氧化能力强，且其他元素未与镁元素发生反应，耐腐蚀性好，获得镁液纯度高等要求。
实施例3
步骤1：按质量百分比分别称取Al含量4.0％，Cr含量10.0％，B含量1.5％，C含量0.3％，Si含量1.0％，Mn粉0.9％，其余为Fe，以上组分质量百分比之和为100％。
步骤2：将步骤1称取的合金，采用10kg的真空熔炼炉进行熔炼，金属模浇注，获得铸锭。
步骤3：将不同铸锭进行切割，在热处理炉中进行恒温抗氧化试验，试验温度为920℃，试验时间为160h，考察合金的抗氧化性能。
步骤4：将步骤3中测试满足要求的合金，放入粗镁溶液中进行长时间的耐镁蚀性试验，试验温度为810℃。
步骤5：经步骤4热处理后合金，若满足耐蚀性要求，则合金的基本性能满足要求，可进行批量化生产。
经测试，上述Fe-Al-B合金的组织及性能测试结果如下：
(1)铸态显微组织为α-Fe+硼化物，从图1可以看出，合金主要由浅灰色基体和深灰色不规则第二相组成，其中基体为α-Fe，深灰色不规则第二相为硼化物；从图2可以看出，XRD结果主要为α-Fe和一系列的硼化物。
(2)铸态洛氏硬度为25.6HRC。
(3)920℃下的氧化试验结果：试验前后重量差为0.000086g，表明其具有优异的抗氧化性能。
(4)810℃耐镁蚀性试验表明，其合金表明检测不到Mg元素的深入，表明该合金成分可以用来炼镁。
该成分精炼锅强度满足要求，熔镁过程中抗氧化能力强，且其他元素未与镁元素发生反应，耐腐蚀性好，获得镁液纯度高等要求。
实施例4
步骤1：按质量百分比分别称取Al含量3.5％，Cr含量9.0％，B含量1.2％，C含量0.24％，Si含量0.9％，Mn粉0.9％，其余为Fe，以上组分质量百分比之和为100％。
步骤2：将步骤1称取的合金，采用10kg的真空熔炼炉进行熔炼，金属模浇注，获得铸锭。
步骤3：将不同铸锭进行切割，在热处理炉中进行恒温抗氧化试验，试验温度为930℃，试验时间为170h，考察合金的抗氧化性能。
步骤4：将步骤3中测试满足要求的合金，放入粗镁溶液中进行长时间的耐镁蚀性试验，试验温度为830℃。
步骤5：经步骤4热处理后合金，若满足耐蚀性要求，则合金的基本性能满足要求，可进行批量化生产。
经测试，上述Fe-Al-B合金的组织及性能测试结果如下：
(1)铸态显微组织为α-Fe+硼化物，从图1可以看出，合金主要由浅灰色基体和深灰色不规则第二相组成，其中基体为α-Fe，深灰色不规则第二相为硼化物；从图2可以看出，XRD结果主要为α-Fe和一系列的硼化物。
(2)铸态洛氏硬度为26.4HRC。
(3)930℃下的氧化试验结果：试验前后重量差为0.000177g，表明其具有优异的抗氧化性能。
(4)830℃耐镁蚀性试验表明，其合金表明检测不到Mg元素的深入，表明该合金成分可以用来炼镁。
该成分精炼锅强度满足要求，熔镁过程中抗氧化能力强，且其他元素未与镁元素发生反应，耐腐蚀性好，获得镁液纯度高等要求。
实施例5
步骤1：按质量百分比分别称取Al含量4.5％，Cr含量11.0％，B含量1.9％，C含量0.35％，Si含量1.1％，Mn粉0.85％，其余为Fe，以上组分质量百分比之和为100％。
步骤2：将步骤1称取的合金，采用10kg的真空熔炼炉进行熔炼，金属模浇注，获得铸锭。
步骤3：将不同铸锭进行切割，在热处理炉中进行恒温抗氧化试验，试验温度为940℃，试验时间为190h，考察合金的抗氧化性能。
步骤4：将步骤3中测试满足要求的合金，放入粗镁溶液中进行长时间的耐镁蚀性试验，试验温度为840℃。
步骤5：经步骤4热处理后合金，若满足耐蚀性要求，则合金的基本性能满足要求，可进行批量化生产。
经测试，上述Fe-Al-B合金的组织及性能测试结果如下：
(1)铸态显微组织为α-Fe+硼化物，从图1可以看出，合金主要由浅灰色基体和深灰色不规则第二相组成，其中基体为α-Fe，深灰色不规则第二相为硼化物；从图2可以看出，XRD结果主要为α-Fe和一系列的硼化物。
(2)铸态洛氏硬度为30.5HRC。
(3)940℃下的氧化试验结果：试验前后重量差为0.000359g，表明其具有优异的抗氧化性能。
(4)840℃耐镁蚀性试验表明，其合金表明检测不到Mg元素的深入，表明该合金成分可以用来炼镁。
该成分精炼锅强度满足要求，熔镁过程中抗氧化能力强，且其他元素未与镁元素发生反应，耐腐蚀性好，获得镁液纯度高等要求。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (5)
1.一种适用于金属镁精炼锅的Fe-Al-B合金，其特征在于，所述金属镁精炼锅的化学组分包括：以质量分数计，Al：3.0～5.0％，Cr：8.0～12.0％，B：1.0～2.0％，C：量0.2～0.4％，Si：0.8～1.2％，Mn：0.8～1.0％，其余为Fe。
2.如权利要求1所述的适用于金属镁精炼锅的Fe-Al-B合金，其特征在于，所述合金的纯度≥99.9％。
3.一种如权利要求1或2所述的适用于金属镁精炼锅的Fe-Al-B合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：按质量百分比分别称取Al含量3.0～5.0％，Cr含量8.0～12.0％，B含量1.0～2.0％，C含量0.2～0.4％，Si含量0.8～1.2％，Mn粉0.8～1.0％，其余为Fe；
步骤2：将步骤1称取的合金，采用真空熔炼炉进行熔炼，金属模浇注，获得铸锭；
步骤3：将所述步骤2不同铸锭进行切割，在热处理炉中进行恒温抗氧化试验，考察合金的抗氧化性能；
步骤4：将步骤3中测试满足要求的合金，放入粗镁溶液中进行长时间的耐镁蚀性试验；
步骤5：经步骤4热处理后合金，若满足耐蚀性要求，既制得金属镁精炼锅的Fe-Al-B合金。
4.如权利要求3所述的适用于金属镁精炼锅的Fe-Al-B合金的制备方法，其特征在于，所述步骤3中试验温度为900～950℃，试验时间为150～200h。
5.如权利要求3所述的适用于金属镁精炼锅的Fe-Al-B合金的制备方法，其特征在于，所述步骤4中试验温度为800～850℃。
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