CN107739860A - 一种废旧金属的低成本再生利用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种废旧金属的低成本再生利用方法，其特征在于包括以下步骤：按重量配比为废旧铜合金45.00～55.00％，废旧钢铁40.00～50.00％，废旧铝合金3.00～5.00％配取废旧金属，加入感应熔炼炉内进行熔化，向熔体中加入适量变质剂，经充分搅拌、扒渣和静置后，浇铸在铁模中得到铸锭，将铸锭放入加热炉内，于700℃～850℃保温5～10小时，然后关闭加热炉电源，打开炉门，铸锭随炉空冷至室温，再次将铸锭放入加热炉内，于300℃～400℃保温0.5～2.0小时，出炉空冷，得到成品。本发明采用“P+稀土”的复合变质处理，有效改善熔体和铸锭质量，对优化后的铸锭进行双级均匀化热处理，改善铸锭质量，同时对三类成分不明的废旧金属进行回收再利用，生产效率高，所得成品综合力学性能好。

Description

一种废旧金属的低成本再生利用方法
技术领域
本发明属于金属材料技术领域，具体涉及一种废旧金属的低成本再生利用方法。
背景技术
金属制品使用过程中的新旧更替是必然现象。由于金属制品在服役过程中受到腐蚀、损坏或者是自然淘汰，每年都会产生大量的废旧金属。如果随意弃置这些废旧金属，不仅会对环境造成污染，还浪费了有限的金属资源。废金属作为一种再生资源，在矿产资源日益紧缺的背景下，地位日渐突出。
废金属熔炼是冶金工业的一个重要方面。实际上，废金属因经济、技术和环境方面的原因，每年均作为原材料大量用于黑色和有色冶金工业中的金属熔炼。废旧金属回收行业的发展很大程度上取决于废旧金属的可得性。无论是使用报废的金属还是加工制造过程中产生的几何废料，一个很普遍的问题是成分很难确定。检测成本太高，不加区分则成分太杂。国外已有快速检测方法进行废金属的筛分，但我国大部分企业没有此类技术和设备，因此废金属一般都是成分未完全明确的混杂金属。对于此类混杂废金属，通常都是降级处理，造成资源的严重浪费。中国发明专利“回收再生废旧合金材料”(申请号：90108521.9)公开了一种废旧钢铁的回收再生利用方法，该专利通过双联精炼和稀土处理的方法得到自耗电极棒，将电极棒转入电渣炉中精炼或熔铸，得到电渣锭或模块。该专利工艺较为复杂，且对设备要求高，且仅能针对废旧钢铁进行回收再生利用，应用范围较小；该专利还需要通过添加W、V、Mo、Cr、Nb、Ni和Si等对合金成分进行调整，成本较高。目前，国内外对于废金属再生利用的研究逐渐增多，但技术上还有很大提升的空间。
发明内容
本发明针对目前国内废旧金属回收行业现有的一些问题，提出一种废旧金属的低成本再生利用方法，以成分未完全确定的废旧铜合金、钢铁和铝合金为原料，采用非真空混杂熔炼，得到性能优良的铸锭。对优化后的铸锭进行双级均匀化热处理，改善铸锭质量，得到可应用的成品。
本发明采用的技术方案为：
一种废旧金属的低成本再生利用方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一，废旧金属按设计组分配取废旧铜合金、废旧钢铁和废旧铝合金；
其中废旧金属包括成分未完全确定的废旧铜合金、废旧钢铁和废旧铝合金，按重量配比为：废旧铜合金45.00～55.00％，废旧钢铁40.00～50.00％，废旧铝合金3.00～5.00％；
步骤二，将配取的废旧铜合金、废旧钢铁和废旧铝合金加入感应熔炼炉内进行熔化，然后向熔体中加入适量变质剂，经充分搅拌、扒渣和静置后，浇铸在铁模中得到铸锭；
其中变质剂为Cu-P中间合金和混合稀土按1:1的比例混合而成，所述变质剂在混熔熔体中的加入量为每公斤熔体1～5g；
步骤三，将步骤二所得的铸锭放入加热炉内，于700℃～850℃保温5～10小时，然后关闭加热炉电源，打开炉门，铸锭随炉空冷至室温；
步骤四，将步骤三所得的一级热处理的铸锭放入加热炉内，于300℃～400℃保温0.5～2.0小时，然后出炉空冷，得到成品。
进一步的，所述步骤一中的废旧铜合金中含Ni≥10％，废旧钢铁中含Cr≥18％、Ni≥3％，废旧铝合金可以是1xxx系铝合金(含Al≥99.9％)、3xxx系Al-Mn合金、5xxx系Al-Mg合金和6xxx系Al-Mg-Si合金体系中的一种或几种。
进一步的，所述步骤二中的Cu-P中间合金为市购Cu-14P中间合金；其中的混合稀土为市购镧、铈混合稀土，其中铈的质量百分比为65％，镧的质量百分比为34％，其余1％为其它稀土元素。
进一步的，所述步骤二中铸锭的具体制作方法为：采用中频感应炉，在非真空条件下用高纯石墨坩埚熔炼。先将称量好的废旧铜合金置于坩埚底部，然后将废旧钢铁放在其上；通电后铜合金先熔化，坩埚内部温度升高，钢铁开始熔化；继续升温至900～1000℃，待钢铁全部熔化后，用石墨棒充分搅拌熔体，然后降温至800～850℃；将称量好的Cu-P中间合金和混合稀土用铝箔包好，用石墨钟罩压入熔体进行熔化，同时充分搅拌；然后加入废旧铝合金，升温加热熔体至950～1150℃，并充分搅拌熔体，待熔体温度稳定在900～1000℃，迅速将熔体浇铸在铁模中凝固成型。
进一步的，所述步骤三中的将步骤二所得铸锭放入箱式电阻炉内，于750～850℃保温8～10小时，然后关闭电源，随炉冷却至室温，得到一级热处理制品。
进一步的，所述步骤四中的将步骤三所得铸锭放入箱式电阻炉内，于300～400℃保温0.5～1.0小时，保温后出炉空冷得到成品。
本发明采用“P+稀土”的复合变质处理，有效改善熔体和铸锭质量。由于原料为成分未知废旧金属，废旧金属内部含有大量的杂质，且本发明所用原料为三类废旧金属，成分复杂，若只通过普通熔炼得到铸锭，铸锭内部不仅会有大量的气孔、夹杂、偏析等冶金缺陷，还会形成大量脆性金属间化合物，降低其使用性能。P的添加不仅可以脱氧除气，而且增强熔体的流动性，提高铸锭致密度；稀土元素的加入不仅可以使合金熔铸时增加成分过冷度，细化晶粒，减少二次枝晶间距，且能有效净化熔体，降低熔体中的气体和夹杂，并使夹杂相趋于球化；同时稀土元素还可降低熔体表面张力，增加熔体流动性，改善机加工工艺性能和耐腐蚀性能。
对所得到的铸锭进行双级均匀化热处理，可以有效地改善铸锭的质量。通过非真空熔炼的铸态合金相结构复杂，晶粒尺寸相差较大，同时存在大量的树枝状晶，树枝状晶内和枝间区域间成分差异较大；铸态合金中弥散分布着尺寸较大的少量花瓣相和大量的针状相，铸态合金体现出一种高硬度高脆性的状态，实用价值较低。本发明将铸态合金在700～850℃下保温5～10小时，随炉冷却至室温。长时间的高温热处理使铸态合金内部粗大的树枝状晶间化合物大量回熔，整体成分趋向均匀；粗大的花瓣相和针状相尺寸大幅度减小，弥散地分布在基体上，对合金起到了强化效果；铸态金属内部的晶粒发生回复和再结晶，变为尺寸细小的等轴晶，合金的塑性得到明显提高。对一级热处理的合金制品，在升温至300～400℃的电阻炉内，保温0.5～1.0小时的热处理后，合金内部由于高温相变产生的内应力得到有效地释放，合金内的组织和成分得到稳定，合金强度、塑性和硬度等综合力学性能得到提高。
本发明与现有废旧金属的再生利用方法相比具有下列优点和效果：
(1)同时对三类成分不明的废旧金属，包括废旧铜合金、废旧钢铁和废旧铝合金进行回收再利用，采用非真空混杂熔炼，通过添加适量变质剂改善熔体质量，并对各种废旧金属的比例进行调节得到性能优良的铸锭。对优化后的铸锭进行双级均匀化热处理，改善铸锭质量，得到可应用的成品，生产效率高；
(2)所得成品综合力学性能较好，尤其塑性好，可进行锻造、轧制等塑性变形和机加工，可代替碳钢、不锈钢、部分青铜和黄铜等用于制造一些承力结构件和耐磨件，具有很高的实际应用价值；
(3)工艺流程紧凑，操作简单，对设备要求低，生产成本低廉。
具体实施方式
下面结合实施例和对比例对本发明作详细说明。
实施例1
按重量比废旧铜合金45％、废旧钢铁50％和废旧铝合金5％称取废旧金属，先将称量好的废旧铜合金置于中频感应炉内高纯石墨坩埚底部，然后将废旧钢铁放在其上；通电后铜合金先熔化，坩埚内部温度升高，钢铁开始熔化；继续升温至900～1000℃，待钢铁全部熔化后，用石墨棒充分搅拌熔体，然后降温至800～850℃；将Cu-P中间合金和混合稀土按1:1的比例混合制成变质剂，按每公斤熔体1～5g的量用铝箔包好，用石墨钟罩压入熔体进行熔化，同时充分搅拌；然后加入废旧铝合金，升温加热熔体至950～1150℃，并充分搅拌熔体，待熔体温度稳定在900～1000℃，迅速将熔体浇铸在铁模中凝固成型制成铸锭。将铸锭放入加热炉内，于700℃保温5小时，然后关闭加热炉电源，打开炉门，铸锭随炉空冷至室温；将冷却后的铸锭放入加热炉内，于300℃保温1小时，然后出炉空冷，得到成品。
实施例2
按重量比废旧铜合金55％、废旧钢铁40％和废旧铝合金5％称取废旧金属，先将称量好的废旧铜合金置于中频感应炉内高纯石墨坩埚底部，然后将废旧钢铁放在其上；通电后铜合金先熔化，坩埚内部温度升高，钢铁开始熔化；继续升温至900～1000℃，待钢铁全部熔化后，用石墨棒充分搅拌熔体，然后降温至800～850℃；将Cu-P中间合金和混合稀土按1:1的比例混合制成变质剂，按每公斤熔体1～5g的量用铝箔包好，用石墨钟罩压入熔体进行熔化，同时充分搅拌；然后加入废旧铝合金，升温加热熔体至950～1150℃，并充分搅拌熔体，待熔体温度稳定在900～1000℃，迅速将熔体浇铸在铁模中凝固成型制成铸锭。将铸锭放入加热炉内，于750℃保温8小时，然后关闭加热炉电源，打开炉门，铸锭随炉空冷至室温；将冷却后的铸锭放入加热炉内，于400℃保温0.5小时，然后出炉空冷，得到成品。
实施例3
按重量比废旧铜合金50％、废旧钢铁47％和废旧铝合金3％称取废旧金属，先将称量好的废旧铜合金置于中频感应炉内高纯石墨坩埚底部，然后将废旧钢铁放在其上；通电后铜合金先熔化，坩埚内部温度升高，钢铁开始熔化；继续升温至900～1000℃，待钢铁全部熔化后，用石墨棒充分搅拌熔体，然后降温至800～850℃；将Cu-P中间合金和混合稀土按1:1的比例混合制成变质剂，按每公斤熔体1～5g的量用铝箔包好，用石墨钟罩压入熔体进行熔化，同时充分搅拌；然后加入废旧铝合金，升温加热熔体至950～1150℃，并充分搅拌熔体，待熔体温度稳定在900～1000℃，迅速将熔体浇铸在铁模中凝固成型制成铸锭。将铸锭放入加热炉内，于850℃保温10小时，然后关闭加热炉电源，打开炉门，铸锭随炉空冷至室温；将冷却后的铸锭放入加热炉内，于300℃保温2小时，然后出炉空冷，得到成品。
对比例1
按重量比废旧铜合金50％、废旧钢铁47％和废旧铝合金3％称取废旧金属，先将称量好的废旧铜合金置于中频感应炉内高纯石墨坩埚底部，然后将废旧钢铁放在其上；通电后铜合金先熔化，坩埚内部温度升高，钢铁开始熔化；继续升温至900～1000℃，待钢铁全部熔化后，用石墨棒充分搅拌熔体，然后降温至800～850℃；将Cu-P中间合金和混合稀土按1:1的比例混合制成变质剂，按每公斤熔体1～5g的量用铝箔包好，用石墨钟罩压入熔体进行熔化，同时充分搅拌；然后加入废旧铝合金，升温加热熔体至950～1150℃，并充分搅拌熔体，待熔体温度稳定在900～1000℃，迅速将熔体浇铸在铁模中凝固成型制成铸锭，后续不经过热处理。
对比例2
按重量比废旧铜合金50％、废旧钢铁45％和废旧铝合金5％称取废旧金属，先将称量好的废旧铜合金置于中频感应炉内高纯石墨坩埚底部，然后将废旧钢铁放在其上；通电后铜合金先熔化，坩埚内部温度升高，钢铁开始熔化；继续升温至900～1000℃，待钢铁全部熔化后，用石墨棒充分搅拌熔体，然后降温至800～850℃；然后加入废旧铝合金，升温加热熔体至950～1150℃，并充分搅拌熔体，待熔体温度稳定在900～1000℃，迅速将熔体浇铸在铁模中凝固成型制成铸锭。将铸锭放入加热炉内，于700℃保温10小时，然后关闭加热炉电源，打开炉门，铸锭随炉空冷至室温；将冷却后的铸锭放入加热炉内，于300℃保温1小时，然后出炉空冷，得到成品。
对比例3
按重量比废旧铜合金50％、废旧钢铁45％和废旧铝合金5％称取废旧金属，先将称量好的废旧铜合金置于中频感应炉内高纯石墨坩埚底部，然后将废旧钢铁放在其上；通电后铜合金先熔化，坩埚内部温度升高，钢铁开始熔化；继续升温至900～1000℃，待钢铁全部熔化后，用石墨棒充分搅拌熔体，然后降温至800～850℃；将Cu-P中间合金和混合稀土按1:1的比例混合制成变质剂，按每公斤熔体1～5g的量用铝箔包好，用石墨钟罩压入熔体进行熔化，同时充分搅拌；然后加入废旧铝合金，升温加热熔体至950～1150℃，并充分搅拌熔体，待熔体温度稳定在900～1000℃，迅速将熔体浇铸在铁模中凝固成型制成铸锭。将铸锭放入加热炉内，于800℃保温10小时，然后关闭加热炉电源，打开炉门，铸锭随炉空冷至室温，得到成品。
对比例4
按重量比废旧铜合金55％、废旧钢铁40％和废旧铝合金5％称取废旧金属，先将称量好的废旧铜合金置于中频感应炉内高纯石墨坩埚底部，然后将废旧钢铁放在其上；通电后铜合金先熔化，坩埚内部温度升高，钢铁开始熔化；继续升温至900～1000℃，待钢铁全部熔化后，用石墨棒充分搅拌熔体，然后降温至800～850℃；将Cu-P中间合金和混合稀土按1:1的比例混合制成变质剂，按每公斤熔体1～5g的量用铝箔包好，用石墨钟罩压入熔体进行熔化，同时充分搅拌；然后加入废旧铝合金，升温加热熔体至950～1150℃，并充分搅拌熔体，待熔体温度稳定在900～1000℃，迅速将熔体浇铸在铁模中凝固成型制成铸锭。将铸锭放入加热炉内，于800℃保温10小时，然后关闭加热炉电源，打开炉门，铸锭随炉空冷至室温；将冷却后的铸锭放入加热炉内，于100℃保温1小时，然后出炉空冷，得到成品。
对比例5
按重量比废旧铜合金50％、废旧钢铁46％和废旧铝合金4％称取废旧金属，先将称量好的废旧铜合金置于中频感应炉内高纯石墨坩埚底部，然后将废旧钢铁放在其上；通电后铜合金先熔化，坩埚内部温度升高，钢铁开始熔化；继续升温至900～1000℃，待钢铁全部熔化后，用石墨棒充分搅拌熔体，然后降温至800～850℃；将Cu-P中间合金和混合稀土按1:1的比例混合制成变质剂，按每公斤熔体1～5g的量用铝箔包好，用石墨钟罩压入熔体进行熔化，同时充分搅拌；然后加入废旧铝合金，升温加热熔体至950～1150℃，并充分搅拌熔体，待熔体温度稳定在900～1000℃，迅速将熔体浇铸在铁模中凝固成型制成铸锭。将铸锭放入加热炉内，于600℃保温10小时，然后关闭加热炉电源，打开炉门，铸锭随炉空冷至室温；将冷却后的铸锭放入加热炉内，于300℃保温1小时，然后出炉空冷，得到成品。
各实施例和对比例相关参数及效果均列入表1。
表1各实施例与对比例的力学性能数据
由表1中的数据可知，采用本发明的方法进行废旧金属的回收再利用，所得成品均具有较高的强度、硬度和良好的塑性，且硬度均高于对比例A3钢、0Cr18Ni9不锈钢和H65Y2黄铜，因此所得成品可代替碳钢、不锈钢、部分青铜和黄铜等制造一些承力和耐磨结构件。
对比例1未进行热处理，合金内部存在大量的脆性金属间化合物，导致所得到的成品硬度高，强度和塑性极低，实际应用价值低；
对比例2在熔铸过程中，未加变质剂对熔体进行变质净化，由于合金的原料复杂，合金的晶界聚集了大量的杂质，是晶体的强度弱面，由此合金的抗拉强度和延伸率都较低；
对比例3只进行了单级均匀化处理，合金内部由于高温热处理相变产生的热应力得不到释放，所得到的成品塑性和抗拉强度较低；
对比例4的合金二级热处理制度温度过低，热应力没有完全释放，合金虽保留较高的硬度和抗拉强度，但延伸率没有改善；
对比例5的合金一级热处理温度过低，达不到合金内部金属间化合物的相变点，合金内的脆性金属间化合物只是在长时间的保温条件下发生原子扩散，没有大幅度的回溶，所以合金的抗拉强度和塑性都较低，实用性较低。
通过实施例与对比例的对比表明，本发明提供的废旧金属的低成本再生利用方法，以废旧合金为原料得到具有较高的抗拉强度和塑性，同时具有较高硬度的成品，该成品可进行锻造、轧制等塑性变形和机加工，可代替碳钢、不锈钢、部分青铜和黄铜等用于制作一些承力和耐磨结构件，具有很高的实际应用价值。
以上所述仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种废旧金属的低成本再生利用方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一，废旧金属按设计组分配取废旧铜合金、废旧钢铁和废旧铝合金；
其中废旧金属包括成分未完全确定的废旧铜合金、废旧钢铁和废旧铝合金，按重量配比为：废旧铜合金45.00～55.00％，废旧钢铁40.00～50.00％，废旧铝合金3.00～5.00％；
步骤二，将配取的废旧铜合金、废旧钢铁和废旧铝合金加入感应熔炼炉内进行熔化，然后向熔体中加入适量变质剂，经充分搅拌、扒渣和静置后，浇铸在铁模中得到铸锭；
其中变质剂为Cu-P中间合金和混合稀土按1:1的比例混合而成，所述变质剂在混熔熔体中的加入量为每公斤熔体1～5g；
步骤三，将步骤二所得的铸锭放入加热炉内，于700℃～850℃保温5～10小时，然后关闭加热炉电源，打开炉门，铸锭随炉空冷至室温；
步骤四，将步骤三所得的一级热处理的铸锭放入加热炉内，于300℃～400℃保温0.5～2.0小时，然后出炉空冷，得到成品。
2.根据权利要求1所述的一种废旧金属的低成本再生利用方法，其特征在于，所述步骤一中的废旧铜合金中含Ni≥10％，废旧钢铁中含Cr≥18％、Ni≥3％，废旧铝合金可以是1xxx系铝合金(含Al≥99.9％)、3xxx系Al-Mn合金、5xxx系Al-Mg合金和6xxx系Al-Mg-Si合金体系中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的一种废旧金属的低成本再生利用方法，其特征在于，所述步骤二中的Cu-P中间合金为Cu-14P中间合金；其中的混合稀土为镧、铈混合稀土，其中铈的质量百分比为65％，镧的质量百分比为34％，其余1％为其它稀土元素。
4.根据权利要求1所述的一种废旧金属的低成本再生利用方法，其特征在于，所述步骤二中铸锭的具体制作方法为：采用中频感应炉，在非真空条件下用高纯石墨坩埚熔炼，先将称量好的废旧铜合金置于坩埚底部，然后将废旧钢铁放在其上；通电后铜合金先熔化，坩埚内部温度升高，钢铁开始熔化；继续升温至900～1000℃，待钢铁全部熔化后，用石墨棒充分搅拌熔体，然后降温至800～850℃；将称量好的Cu-P中间合金和混合稀土用铝箔包好，用石墨钟罩压入熔体进行熔化，同时充分搅拌；然后加入废旧铝合金，升温加热熔体至950～1150℃，并充分搅拌熔体，待熔体温度稳定在900～1000℃，迅速将熔体浇铸在铁模中凝固成型。
5.根据权利要求1所述的一种废旧金属的低成本再生利用方法，其特征在于，所述步骤三中的将步骤二所得铸锭放入箱式电阻炉内，于750～850℃保温8～10小时，然后关闭电源，随炉冷却至室温，得到一级热处理制品。
6.根据权利要求1所述的一种废旧金属的低成本再生利用方法，其特征在于，所述步骤四中的将步骤三所得铸锭放入箱式电阻炉内，于300～400℃保温0.5～1.0小时，保温后出炉空冷得到成品。
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CN103160699A (zh) * 2013-03-29 2013-06-19 石家庄金刚凯源动力科技有限公司 一种生产低合金灰铸铁缸套用的铜铁合金的工艺
CN104232978A (zh) * 2014-09-01 2014-12-24 航天材料及工艺研究所 一种铜银锆合金大尺寸锻造饼坯的制备方法
CN104480344A (zh) * 2014-11-21 2015-04-01 九牧厨卫股份有限公司 一种含磷易切削硅黄铜合金及其制备方法

Patent Citations (3)

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