一种利用喷粉技术制备多元合金的方法
阅读说明：本技术 一种利用喷粉技术制备多元合金的方法 (Method for preparing multi-element alloy by powder spraying technology ) 是由 魏创林 魏伟 王凯 魏佳新 魏波 李健仁 乔泓博 周廷 寇娟 赵红波 岳静 于 2020-11-25 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种利用喷粉技术制备多元合金的方法,通过向精炼炉内加入孔隙状多元合金复合烧结料、块状除尘粉、工业废渣、兰炭,直至炉内原料全部熔融后采用喷粉的方式通过插入到炉内的金属输料管道向合金溶液中加入除尘粉,除尘粉全部熔炼到金属溶液后,对合金液采样化验,与设计的合金成分比较后,进一步根据元素含量要求加入相应质量的除尘粉、工业废渣等物质,直至熔炼的多元合金化学成分达到设计的合金成分为止。本发明通过喷粉的方式制备多元合金,充分利用了冶金行业回收的除尘粉以及含金属元素的工业废渣,同时又发挥了人工造渣剂的作用,使得合金溶液液面上方形成较厚的渣层,在喷粉过程中抵挡金属液的翻滚和飞溅。(The invention relates to a method for preparing multi-element alloy by using powder spraying technology, which comprises the steps of adding porous multi-element alloy composite sintering material, blocky dedusting powder, industrial waste residue and semi coke into a refining furnace, adding the dedusting powder into an alloy solution through a metal conveying pipeline inserted into the furnace in a powder spraying mode until raw materials in the furnace are completely molten, sampling and testing the alloy solution after the dedusting powder is completely molten into the metal solution, comparing with designed alloy components, and further adding the dedusting powder, the industrial waste residue and other substances with corresponding mass according to element content requirements until the chemical components of the molten multi-element alloy reach the designed alloy components. The multi-component alloy is prepared in a powder spraying manner, dust removal powder recovered in the metallurgical industry and industrial waste residues containing metal elements are fully utilized, and meanwhile, the effect of an artificial slagging agent is exerted, so that a thick slag layer is formed above the liquid level of an alloy solution, and the metal liquid is prevented from rolling and splashing in the powder spraying process.)
技术领域
本发明属于多元合金的制备方法，尤其涉及一种利用喷粉技术资源化利用除尘粉及工业废渣实现多元合金的生产。
背景技术
现有技术中采用精炼炉冶炼多元合金时，由于通过电极与导电原料之间形成的高压电弧提供能量，整个冶炼过程要发生氧化还原反应，要求炉内透气性要高，因此在精炼炉内初始布料以及过程中加料时都不能一次性加入大量的粉末原料，这会导致炉内刺火和熄火。除此之外，由于冶炼过程中各种物质、元素间不断地发生氧化还原反应，一次加入太多粉末原料，或者持续加入太多粉末原料，粉末原料会在金属液中形成翻滚浮于炉渣之上，翻滚过程会将金属液带出在炉渣上方引起金属液飞溅，导致炉盖被电弧击穿，因此现有技术中制备铁合金类的多元合金产品均不采用喷粉技术。
发明内容
为解决铁合金行业内加入粉末冶金或其他粉末原料，因为一次加入太多粉末原料，或者持续加入太多粉末原料使炉内透气性变差，容易熄火，采用喷粉技术加入粉末金属、粉末合金或其他粉末原料，容易导致炉盖被电弧击穿等技术问题，本发明提供了一种多元合金的制备方法，具体步骤如下：
步骤1：设计合金成分，向精炼炉内加入如下原料：孔隙状多元合金复合烧结料、块状除尘粉、工业废渣、兰炭，其中孔隙状多元合金复合烧结料的加入量不低于孔隙状多元合金复合烧结料、块状除尘粉、工业废渣合计加入质量的60％，且加入各原料的量和比例满足熔融后在合金溶液表面能够形成不低于10cm厚的渣层，控制炉内温度为1500℃～1800℃，直至炉内原料全部熔融，本步骤所述工业废渣包括硅渣、钡渣、钙渣中的一种或几种混合物；
步骤2：采用喷粉的方式通过插入到炉内合金溶液中的金属输料管道向步骤1的合金溶液中加入除尘粉，除尘粉的加入量最多为步骤1中加入合金原料质量的50％；
步骤3：对合金液采样化验，与步骤1中设计的合金成分比较后，进一步根据元素含量要求加入相应质量的除尘粉、硅渣、钡渣、钙渣中的一种或几种混合物，直至熔炼的多元合金化学成分达到步骤1中设计的合金成分为止。
化验测得的多元合金成分合格后，出铁浇注形成多元合金铸锭，根据订单规格要求破碎为不同尺寸的多元合金颗粒或粉末物。
优选的，所述步骤1中加入原料的量和比例满足熔融后在合金溶液表面能够形成10cm～20cm厚的渣层。
优选的，所述步骤2中的金属输料管插入合金溶液距离合金液面高度至少为20cm的位置处。
进一步地，所述步骤2中的金属输料管至少为1根，优选为1根，各输料管总计按50kg/min～70kg/min的流量向合金液中喷入除尘粉。
进一步地，所述除尘粉通过气-固两相混合管道输送至精炼炉内，输送压力为2Mpa～8Mpa。
进一步地，所述孔隙状多元合金复合烧结料含有Si、Ba、Ca、Fe、Al等多种金属元素。
优选的，所述块状除尘粉是将除尘粉压块后再经烧结形成，所述除尘粉为硅铁冶炼除尘系统收集的微硅粉、以及铁合金工厂冶炼过程收集的除尘粉，化学成分及含量为60％～75％SiO2、2％～10％BaO、1％～3％CaO、1％～5％Al2O3，其余为灰分。
进一步地，所述硅渣成分含量为：60％～75％SiO2、1％～4％Al2O3、1％～3％CaO、1％～8％BaO、其余为灰分和未还原的硅石；钡渣成分含量为：30％～50％SiO2、10％～40％BaO、2％～％20％CaO、1％～5％Al2O3其余为灰分和未还原的硅钡石；钙渣成分含量为：20％～35％SiO2、55％～70％CaO、1％～6％Al2O3、其余为灰分。
进一步地，所述孔隙状多元合金复合烧结料由山皮石、工业废渣、除尘粉、煤矸石、粉煤灰烧结而成。
本发明的有益技术效果如下：
1.本发明所述多元合金的制备方法中，步骤1，原料中加入块状除尘粉和工业废渣，充分资源化利用了冶金行业回收的除尘粉以及含金属元素的工业废渣，这些原料填加到精炼炉内同时又发挥了人工造渣剂的作用，使合金原料熔融后在合金溶液液面上方形成不低于10cm厚的渣层，确保步骤2实施喷粉时，该渣层足以抵挡金属液的翻滚和飞溅，使金属液不会飞溅到渣层上方。
2.本发明所述多元合金的制备方法中，在实施步骤2喷粉时，优选将金属输料管插入距离合金液面高度至少为20cm的位置处，再次减小和削弱了因为粉末物质发生氧化还原反应所引起的金属液飞溅的动能，将滚翻现象隔离在渣层下方。
3.本发明所述多元合金的制备方法中，在实施步骤2喷粉时，步骤2中的金属输料管可以为多根，各输料管总计按50kg/min～70kg/min的流量向合金液中喷入除尘粉，控制单位时间内进入金属液内的粉末量，可以有效减缓粉末在金属液中发生氧化还原反应的活跃度。
4.本发明所述多元合金的制备方法中，在实施步骤2喷粉时，严格控制输料管内的压力在2Mpa～8Mpa之间，既可确保除尘粉顺利吹入炉内，又可避免因为压力太大助力了金属液的翻滚与飞溅。
5.本发明所述多元合金的制备方法中，步骤2采用喷粉技术直接向金属液内吹入除尘粉，与压块烧结后熔炼相比，吹粉方式使除尘粉在金属液的高温作用下实现瞬间熔融，其金属元素最大限度地实现了还原，最大限度的减少了渣层的形成。
具体实施方式
利用喷粉技术制备多元合金的方法，制备实施步骤具体如下：
步骤1：设计合金成分，具体实施例中的合金设计成分见表1，合金成分设计好后向精炼炉内加入如下原料：孔隙状多元合金复合烧结料、块状除尘粉、工业废渣、兰炭，其中孔隙状多元合金复合烧结料的加入量不低于孔隙状多元合金复合烧结料、块状除尘粉、工业废渣合计加入质量的60％，且加入各原料的量和比例满足熔融后在合金溶液表面能够形成不低于10cm厚的渣层，具体实施例中加入原料的量见表2；
实施例中所述步骤1中加入原料的量和比例满足熔融后在合金溶液表面能够形成10cm～20cm厚的渣层；
控制炉内温度为1500℃～1800℃，直至炉内原料全部熔融，炉内原料全部熔融后，合金溶液液面上方形成较厚的渣层，具体实施例中，形成的渣层厚度见表2；
本发明的实施例中，该步骤所述孔隙状多元合金复合烧结料含有Si、Ba、Fe、Ca、Al等多种金属元素，具体各实施例中孔隙状多元合金复合烧结料化学成分见表3；
本发明的实施例中，工业废渣包括硅渣、钡渣、钙渣中的一种或几种混合物，硅渣的成分为：60％～75％SiO2、1％～4％Al2O3、1％～3％CaO、1％～8％BaO、其余为灰分和未还原的硅石；钡渣的成分为：30％～50％SiO2、10％～40％BaO、2％～％20％CaO、1％～5％Al2O3、其余为灰分和未还原的硅钡石；钙渣的成分为：20％～35％SiO2、55％～70％CaO、1％～6％Al2O3，其余为灰分，块状除尘粉是将除尘粉压块后再经烧结形成，具体实施例中各原料的化学成分见表4。
步骤2：采用喷粉的方式通过插入到炉内的金属输料管道向步骤1的合金溶液中加入除尘粉，除尘粉的加入量最多为步骤1中加入合金原料质量的50％，具体实施例中采用喷粉方式喷入除尘粉的量见表2；
本发明中，该步骤金属输料管至少为一根，实施例中采用一根金属输料管进行喷粉，各输料管总计按50kg/min～70kg/min的流量向合金液中喷入除尘粉，除尘粉通过气-固两相混合管道输送至精炼炉内，输送压力为2Mpa～8Mpa，本步骤中的金属输料管插入距离合金液面高度至少为20cm的位置处；具体实施例中的除尘粉喷粉流量、喷粉压力、金属输料管插入合金溶液后距离合金液面高度见表7；
本步骤中，除尘粉化学成分及含量为60％～75％SiO2、2％～10％BaO、1％～3％CaO、1％～5％Al2O3、其余为灰分，除尘粉为硅铁冶炼除尘系统收集的微硅粉、以及铁合金工厂冶炼过程收集的除尘粉，具体实施例中，本步骤所述的除尘粉化学成分见表5。
步骤3：对合金液采样化验，与步骤1中设计的合金成分比较后，进一步根据元素含量要求加入相应质量的除尘粉、硅渣、钡渣、钙渣中的一种或几种混合物，直至熔炼的多元合金化学成分达到步骤1中设计的合金成分为止，各具体实施例得到的多元合金的化学成分见表6。
化验测得的多元合金成分合格后出铁浇注形成多元合金铸锭，根据订单规格要求破碎为不同尺寸的多元合金颗粒或粉末物。
具体实施例的实施数据如下：
表1各实施例步骤1合金成分设计
Si
Ba
Ca
Al
实施例1
72-75％
1-3％
1-2％
0.8-1.5％
实施例2
60-65％
4-6％
1.5-2％
2-3％
实施例3
70-72％
2-4％
2-3％
2.5-4％
实施例4
60-65％
6-10％
1.5-2％
2-3％
对比例1
60-65％
6-10％
1.5-2％
2-3％
对比例2
60-65％
6-10％
1.5-2％
2-3％
对比例3
60-65％
6-10％
1.5-2％
2-3％
对比例4
60-65％
6-10％
1.5-2％
2-3％
表2各实施例步骤1、步骤2在熔炼炉中加入原料、喷入除尘粉情况
表3各实施例步骤1中孔隙状多元合金复合烧结料化学成分
化学成分
Si
Ba
Ca
Al
Fe
实施例1
70-75
1-2
1-2
1-1.5
0
实施例2
60-70
3-5
1-3
2-4
1-2
实施例3
65-70
2-4
1-2
2-3
0
实施例4
60-75
5-10
1-2
2-3
1-3
对比例1
60-75
5-10
1-2
2-3
1-3
对比例2
60-75
5-10
1-2
2-3
1-3
对比例3
60-75
5-10
1-2
2-3
1-3
对比例4
60-75
5-10
1-2
2-3
1-3
表4各实施例步骤1中块状除尘粉、硅渣、钙渣、钡渣化学成分
表5各实施例步骤2中除尘粉的化学成分
表6各实施例步骤3最终得到的合金成分
Si
Ba
Ca
Al
实施例1
73.0
2.0
1.3
1.2
实施例2
64.0
4.3
1.8
2.5
实施例3
70
3
1.5
2.7
实施例4
61.3
6.8
1.8
2.3
对比例1
63.3
7.4
1.7
1.7
对比例2
64
8
1.8
2.5
对比例3
64.5
9.1
1.9
2.5
对比例4
64.7
9.2
1.7
2.6
表7各实施例实施效果对比
在本发明的一些实施例中，设计的合金是高钙、高钡合金时，步骤1中，加入的钙渣、钡渣的比例可调高。
在本发明的一些对比例中，步骤1中，因加入原料的量不合理，也会造成大量工业废渣中的金属氧化物不能还原，导致金属氧化物不能熔融成为金属液体，工业废渣中的金属氧化物漂浮在合金溶液上层形成非常厚的渣层，造成原料的浪费。
在本发明的一些对比例中，步骤2中，除尘粉的加入量大于步骤1中加入合金原料质量的50％，使得除尘粉中大量金属氧化物不能还原，使得金属元素不能融入到合金溶液中，最终以废渣的形式漂浮在合金溶液上层，造成原料的浪费。
以上实施例所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。