CN1053927C - 一种铁铝基合金丝材的制造方法 - Google Patents

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一种铁铝基合金丝材的制造方法，涉及金属间化合物合金丝材的制造，及以此为基础制造烧结丝网微孔过滤材料，应用于高温氧化、含硫腐蚀性混合气体的净化过滤和除尘过程中，主要特点是首先将铁、铝和其它微量元素按一定的百分比同时置于真空冶炼炉中冶炼，熔炼后直接采用水平连铸方式制取8-30mm的Fe3Al棒材，再用高温旋锻或热轧方法制成2-10mm的Fe3Al线材，最后采用中温拉拔制成0.01-1mm的Fe2Al细丝，本发明工艺简单、成本低。

Description

一种铁铝基合金丝材的制造方法
本发明涉及金属间化合物合金丝材的制造方法及用途，特别适用于Fe3Al基金属间化合物合金丝材，以及以此为基础的耐高温、抗氧化和硫化等腐蚀性环境的烧结丝网微孔材料和含尘气体净化过滤元件的制造。
高温气体净化过滤除尘技术是世界各国竞相发展的高新技术之一，其对于能源的充分利用和环境保护等均具有非常重要的社会经济意义。目前，由于工业***中大量使用的高温气体湿法除尘技术存在着耗水量大、投资高、热能损失严重和污水处理困难将对环境造成污染等问题，已有逐渐淘汰并被干式除尘***所代替的趋势[《钢铁厂设计原理·上册》，张树勋主编，冶金工业出版社，1994]。在干式除尘技术中，静电除尘、布袋除尘和微孔材料过滤除尘是三个主要的发展方向。其中静电除尘方法投资较高、设备操作复杂、工艺运行稳定性不高、使用温度仅能达到500℃左右，限制性较大[中国专利ZL91102494.8]。而布袋除尘则存在着使用温度低，布袋强度差、易于破损等问题，使用时需要配置复杂的降温与控温***，且过滤风速低、占地面积大，造成显热的较大浪费[《高炉煤气布袋除尘与球式热风炉技术及发展》，高清举，涂继炜主编，中国金属学会《钢铁》编辑部，1991]。因此，以高强度、耐高温的金属或陶瓷烧结微孔材料为基础的过滤技术被认为是今后高温气体净化除尘最有前途的发展方向[《燃气煤气用高温过滤器》，丁桂山等，钢铁，1991，10]。
近年来，一种新型的烧结金属丝网微孔材料，由于孔隙均匀稳定、渗透性好、强度高、阻力小，并有着优异的清洗再生性能，在高温气体净化过滤的开发与应用方面得到了较为迅速的发展。然而，烧结金属丝网微孔材料通常采用不锈钢材质，在600℃以上高温氧化或硫化气氛中长期使用时，易于产生氧化堵孔和严重的硫化腐蚀。采用高温合金丝网材料，虽然能够解决或减轻高温氧化和硫腐蚀问题，但成本太高，也不是一个彻底可行的解决方案[《烧结金属丝网多孔材料的开发与应用》，方玉诚等，钢铁研究学报，1994，6(增刊)]。
众所周知，Fe3Al基金属间化合物被认为是抗高温氧化和硫化腐蚀最为优越的合金材料。在单纯的氧化气氛下，Fe3Al基金属间化合物在950℃下、800小时后的氧化增重还不到1.5mg/cm2。而在同样温度气氛中1Cr13不锈钢10小时后的氧化增重就达到了24.9mg/cm2，79小时后的氧化增重则高达105.7mg/cm2[杨王月等人，《腐蚀科学与防护技术》，1994，6]。在单纯硫化气氛中，Fe3Al在800℃、硫分压小于1Pa的气氛下，硫化率仅为1mg2/cm4.h。而在同时存在氧化、硫化腐蚀的混合气氛下，Fe3Al的抗腐蚀能力更为突出。800℃下，H2S-H2-H2O混合气氛中，Fe3Al的氧化增重在300小时以后仍不明显，而310SS不锈钢在20小时之内就高达5mg/cm2。另外在其它腐蚀性介质中，比如表面沉积有CaSO4或熔融硝酸盐的情况下，Fe3Al金属间化合物在氧化、硫化气氛中的高温抗腐蚀能力均大大优于抗硫不锈钢(C.G.Mckameyet al.，J.Mater.Res.，6，1779，(1991))。
比起其它抗腐蚀不锈钢或高温合金，Fe3Al还具有不包含具有战略意义的合金元素(如Cr，Ni等)，价格便宜的优势，并且密度低、强度高。因而其比强度高，一直是人们十分感兴趣的材料。然而，Fe3Al材料目前还未得到有效的应用，最主要的原因是其室温塑性不高、脆性较大，而使加工困难。最近，通过研究人员对Fe3Al室温脆性机理的探索和对室温塑性强化方法的研究，通过合金化和热处理方法，Fe3Al基合金的塑性有了较大提高，可以进行一般的机加工及弯曲、磨削等加工，目前Fe3Al制成品的加工途径首先是将熔炼、浇铸成锭后再于800-1000℃热轧或热锻，最后于600-800℃温轧或温锻[“PRODUCTION OF Fe3Al BASED INTERMETALLIC ALLOYS”，V.K.SIKKA，<High-temperature ordered Intemnetallic alloys IV.>，MRS.Symp.Proc.，Vol213，PP907-912，(1991)]，但由于Fe3Al室温下的脆性，加工硬化速率高，有人认为Fe3Al不能成功地冷轧和拉拔[“MELTI NG，CASTI NG ANDPROCESSING OF NICKEL AND IRON ALOMINIPES”，V.K.SIKKS，<High-temperature ordered Intemnetallic alloys VI>，MRS.symp.Proc，Vol364，PP873-878，(1995)]。
本发明提供一种Fe3Al基合金丝材的制造方法，不仅改变了Fe3Al基合金丝材制备未有先例的现状，而且工艺简单、成本低，并以Fe3Al丝材制造多孔过滤材料，应用于高温氧化，含硫等腐蚀性混合气体的净化和过滤除尘过程中。
基于上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
首先采用工业纯原料铁，铝及其它微量合金元素按一定的重量百分比同时置于真空感应熔炼炉中熔炼，为降低成本也可以在大气气氛下首先将铁屑熔炼，并同时通入氧气和氩气以脱碳，脱硫使成分达到要求，之后加入其它微量合金元素成分，再把预热到300-500℃的铝锭加入，通入氩气或氮气保护熔炼，熔炼后直接采用水平连铸的方法制取Fe3Al合金棒材，避免铸锭开坯，轧制等工艺生产线材，以使工艺进一步简化，成本进一步降低，得到的Fe3Al棒材采用高温旋转锻造或热轧的方法以击碎铸态下的组织，使晶粒细化并呈等轴状，以便后面的中温拉拔，同时使棒材产生一定压缩比，以满足拉丝工艺对坯料尺寸和性能的要求，本发明的关键在于旋转锻造或热轧后的Fe3Al合金棒材采用中温拉拔的方法制成细丝。
本发明工艺包括原料准备、熔炼、锻造或热轧工序，其特点在于：A熔炼后采用水平连铸方式形成Fe3Al基合金棒材，B、锻造或轧制之后，再采用中温拉拔工序，制成Fe3Al基合金丝材，具体工序步骤及参数分述如下：
①原料准备：根据合金成分配比(重量％)Al∶10～20％，微量合金元素Cr、Mo、B、Nb、Ce、TiB2适量，其余为Fe，准备原料；
②熔炼：把上述准备好的原料同时置于真空冶炼炉中熔炼，熔炼温度在1500～1800℃之间，熔炼时间为3～10分钟。然后用水平连铸方式形成直径为8～30mm的Fe3Al基合金棒材，将所述棒材在900～1200℃之间均匀化处理5～24小时；
③高温锻造或轧制：将上述棒材在1200～700℃之间进行旋转锻造或热轧，得到直径为2～10mm的Fe3Al基合金线材。开坯旋锻或轧制时取温度上限，在经过总压缩率为50～95％的开坯旋锻或热轧后，适当降低温度，道次压缩率取10～30％；
④中温拉拔：将上述线材进行拉拔，拉拔的温度范围在900～400℃之间，道次压缩率取5～40％，粗拉时取上限，成品拉制时取下限。拉拔后得到0.01～1mm的Fe3Al基合金丝材。丝材油淬能得到更好的室温特性，使后续工艺便于进行。
采用上述拉拔工艺，可保证拉拔后的丝材具有保留大量B2相的拉长层片状的晶粒组织，而且这样的晶粒组织对Fe3Al基合金的力学性能最有利。因为Fe3Al在540℃以上发生相变，由室温下的DO3相转变为中温下的B2相，而在760℃以上又转变为α相，中高温下的这两种组织都具有充分的塑性，以使合金的变形加工得以进行。
用上述方法制得的Fe3Al基合金丝材经过编网、配网、轧制、真空烧结等工艺可制成烧结丝网微孔材料和过滤元件，应用于高温氧化、含硫等腐蚀性混合气体的净化过滤和除尘过程或***中。
与现有技术相比，本发明中Fe3Al基合金丝材的成功制备，以及以所述丝材为基础生产的微孔材料和过滤元件，应用于400～1000℃高温氧化、硫化等腐蚀性混合气体的除尘过滤中，具有如下较为显著的优点：
1.成功地制成Fe3Al金属间化合物基合金细丝，弥补了Fe3Al基合金细丝制品的空白，不但为烧结丝网微孔过滤材料的制备奠定了基础，Fe3Al基合金丝材本身也有许多潜在的用途，如电热元件、焊丝等等；
2.用本发明制取Fe3Al基合金丝材，由于采用了真空熔炼或非真空冶炼，水平连铸等工艺，使整个工艺流程简化，并使制造成本大幅度降低。同时由于高温旋锻、热轧、中温拉拔工艺参数的合理选定，使Fe3Al细丝的制备得以实现，使制备的细丝具有最佳的显微组织和力学性能；
3.采用本发明Fe3Al基合金细丝制备烧结丝网微孔过滤材料，用于400～1000℃高温氧化及腐蚀性含尘气体的除尘净化，不但运行阻力低，工艺过程稳定，易于反吹清洗再生。而且抗腐蚀效果显著，长时间使用也不会因腐蚀发生堵孔或孔型变化，使用寿命大大提高；
4.用Fe3Al基合金细丝制得的微孔过滤元件在除尘过滤应用中，由于能耐高达1000℃的高温，并且强度高，可承受压差大，表面光滑，使风速降低较少，从而能节约大量显热能和压力能。并且无需附带温度调节***，少用电，不耗水，这些都是现行除尘器件如布袋除尘和静电除尘等无法比拟的。
实施例：
用本发明所述方法制得Fe3Al基合金细丝三批。三批合金的化学成分见表1，工艺制度及尺寸规格见表2。用上述三批Fe3Al基合金细丝经过编网、配网、轧制、真空烧结等工序制成烧结丝网微孔过滤元件，应用于高炉煤气除尘中，所表现的性能指标见表3。该性能指标的测试环境为模拟高炉煤气气氛，其中CO2：22.05％，CO：18.87％，N2：56.22％，剩余为CH4、SO2、H2S，温度800℃。
表1.化学成分(重量％)
    成分批号 Al Cr Mo B Nb Ce TiB2 Fe
    1     15.9     2.2    -     0.01     -     -     -     余
    2     15.9     5.5    -     0.01     -     -     -     余
    3     15.9     5.5    -     -     1.0     -     -     余
表2.工艺制度及规格
表3.过滤元件性统指标
Figure C9712208400091

Claims (1)

1、一种Fe3Al基合金丝材的制造方法，包括原料准备、熔炼、铸造、锻造或轧制工序，其特征在于：A、熔炼后采用水平连铸方式形成Fe3Al基合金棒材；B、锻造或轧制工序之后，再经过中温拉拔工序制成Fe3Al基合金丝材，其中拉拔的温度范围在900-400℃之间，道次压缩率取5-40％，粗拉时取上限，成品拉制时取下限，拉拔后得到0.01-1mm的Fe3Al基合金丝材。
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