一种基于轨道钢制备球形合金钢粉的系统及方法与流程

1.本发明属于粉末冶金技术领域，尤其涉及一种制备合金钢粉的系统和方法。


背景技术：

2.目前，高性能、低成本粉末制造技术的广泛应用推动了粉末冶金技术的进步，采用雾化法制备制取的粉末已占当今世界粉末总量的80％，其中气雾化法制取的粉末占30％-50％，采用雾化法制取的粉末及球形度、粒度(粒径)、粒度分布集中度、金属化及致密度、表面质量等都是传统化学制粉法无法比拟的。钢基粉末常用的制备方法：真空雾化、非真空雾化、水雾化、水气联合雾化等工艺方法。
3.球形合金粉是将金属原材料棒材在电磁感应加热下逐渐熔化成金属液体，通过中间包并在高速惰性气体作用下，被吹散成微米级的小液滴，在冷却过程中，因受到表面张力的作用，液滴趋向于球形，因此凝固后的粉末颗粒呈球形。主要应用于航空航天、核工业、生物医学、3d打印、汽车工业等领域中广泛应用。
4.轨道钢具有优异的耐磨性能，可通过工艺方法创新研究制备钢基粉末，用于钢结硬质合金材料的制备。轨道钢u71mn化学成分以质量百分数计，c含量为0.65％-0.77％,mn含量1.1％-1.5％，si含量0.15％-0.35％，p含量≤0.04％,s含量≤0.04％,其余为fe。真空雾化工艺通过轨道钢下料、真空感应熔炼、雾化制粉、粉末筛分和性能检测，对粉末的相结构、粉末形貌、化学成分、粒度、粉末流动性、松装密度、振实密度等进行测试分析，实际中检测c含量为0.73％,mn含量1.16％，si含量0.31％,p含量0.03％,s含量0.02％,o含量0.12％,其余为fe,在轨道钢的化学成分范围内。另外，轨道钢粉末主要以球状为主，另有少量的卫星粉和异状粉，霍尔流速为30.5s/50g,松装密度4.21g/cm3，振实密度4.86g/cm3。由于真空雾化制粉制备效率比较低，成本高，不利于研究成果转化和批量化生产，需要研究一种新的工艺方法，既能满足制备钢粉的性能，又能提高效率、降低成本，适合企业批量化生产。


技术实现要素：

5.为解决真空雾化工艺方法中制备成本高，不利于批量化生产的问题，本发明提供一种基于轨道钢制备球形合金钢粉的系统及方法，能够在满足工艺和性能条件的基础上创新工艺方法、降低成本，通粉收得率高，能够批量化生产，并保证所制备的球形合金钢粉满足钢结硬质材料性能的要求。
6.本发明的技术方案如下：
7.一种基于轨道钢制备球形合金钢粉的系统，包括输送设备、原材料处理设备、制粉系统设备、氮气供气系统设备、冷却循环系统设备、筛分后处理系统设备、粉末检测系统设备、包装设备、集成控制单元；
8.其中，所述制粉系统设备包括工作平台、熔炼系统、雾化系统、粉末收集系统，主要实现轨道钢从熔炼、浇注、氮气雾化、粉末收集一体制备通粉；
9.所述输送设备将轨道钢原材料输送至所述原材料处理设备进行切割、除油、除锈预处理后，再输送至所述制粉系统设备的熔炼系统中加热到至熔点1450℃-1510℃，待其成分均匀稳定，对钢液除杂，加入预定量的c粉、mn粉、si粉，待所述c粉、mn粉、si粉完全熔化后检测钢液温度，钢液浇注温度为1650℃-1750℃，中间包导流孔的直径为φ6-φ9，中间包温度700℃-950℃；
10.所述的氮气供气设备满足制粉系统设备制粉过程氮气的需要，且制粉压力稳定、流量充足；
11.所述的冷却循环系统设备主要是对制粉系统设备中的熔炼室、雾化室、管道进行连续冷却；
12.所述的筛分后处理系统设备通过转运、粗筛分、精筛分对制备的钢基粉末进行粒度分级，保证粉末纯度和质量稳定性；
13.所述的粉末检测系统设备实现粉末在线检测分级；
14.所述包装设备按照不同粒径大小进行包装，使用铝箔袋或铁桶封装，并做好标识和防潮处理；
15.所述的集成控制单元实现各工序系统设备的集成全自动化控制。
16.进一步地，基于轨道钢制备球形合金钢粉的系统还包括环保系统设备，所述环保系统设备对所述制粉系统设备排出气体进一步过滤。
17.进一步地，所述预定量具体为：每100kgu71mn轨道钢，添加c粉重量0.1kg-0.2kg，添加mn粉重量0.9kg-1.0kg，添加si粉重量0.1kg-0.2kg。
18.进一步地，所述制粉系统设备中熔炼系统采用中频感应炉，所述中间包导流孔的直径为φ8；所述制粉系统设备中雾化系统采用氮气进行非真空雾化，喷嘴采用环缝喷嘴，非真空雾化的雾化压力为5mpa-7mpa。
19.进一步地，所述系统通过所述筛分后处理系统设备和所述粉末检测系统设备，按照0μm-75μm、15μm-45μm、45μm-75μm、75μm-105μm、 105μm分段筛分，其中0μm-75μm粒径粉末收得率达90％以上。
20.本发明还提供一种基于轨道钢制备球形合金钢粉的方法，包括轨道钢上料、原材料处理、非真空感应熔炼、非真空雾化、粉末收集、粉末筛分、粉末检测、包装；
21.所述原材料处理具体为，将原材料切割成尺寸100
×
100
×
100mm段，进行除油、除锈预处理；
22.所述非真空感应熔炼具体为：将轨道钢原材料通过输送设备输送至制粉系统设备顶端中频感应炉中加热到至熔点1450℃-1510℃，待其成分均匀稳定，对钢液除杂，加入预定量的c粉、mn粉、si粉，待所述c粉、mn粉、si粉完全熔化后检测钢液温度，钢液浇注温度为1650℃-1750℃，中间包导流孔的直径为φ6-φ9，中间包温度700℃-950℃；
23.所述非真空雾化采用在惰性气体雾化，使钢液破碎并冷却成球形或类球形的粉末，得到非真空雾化的通粉；
24.所述包装具体为：通过输送设备按照不同粒径大小进行包装，使用铝箔袋或铁桶封装，并做好标识和防潮处理；
25.所述轨道钢上料、原材料处理、非真空感应熔炼、非真空雾化、粉末收集、粉末筛分、粉末检测、包装过程通过集成控制单元控制，实现制备流程一体化全自动控制。
26.进一步地，所述原材料为轨道钢u71mn，其化学成分为：以质量百分数计，c含量为0.65％-0.77％,mn含量1.1％-1.5％，si含量0.15％-0.35％，p含量≤0.04％,s含量≤0.04％,其余为fe。
27.进一步地，所述非真空感应熔炼过程中中间包导流孔的直径为φ8。
28.进一步地，所述预定量具体为：每100kgu71mn轨道钢，添加c粉重量0.1kg-0.2kg，添加mn粉重量0.9kg-1.0kg，添加si粉重量0.1kg-0.2kg。
29.进一步地，所述非真空雾化采用的惰性气体为氮气，所述非真空雾化的雾化压力5mpa-7mpa。
30.进一步地，所述粉末筛分具体为：通过检测筛分处理设备，按照0μm-75μm、15μm-45μm、45μm-75μm、75μm-105μm、 105μm分段筛分，其中0μm-75μm粒径粉末收得率达90％以上。
31.综上所述，本发明的有益效果是：
32.解决了真空雾化工艺方法中制备成本高，不利于批量化生产的问题，在满足钢基粉末形貌、化学成分、粒度、霍尔流速等工艺技术条件下，结合轨道钢特性对非真空雾化系统及方法创新，在熔炼原材料配方、中间包导流孔直径、氮气雾化压力等方面创新设计，通过输送设备、原材料处理设备、制粉系统设备、氮气供气系统设备、冷却循环系统设备、环保系统设备、筛分后处理系统设备、粉末检测系统设备、包装设备等集成控制，提升轨道钢制备球形合金钢粉的效率，降低了成本，通粉收得率高，突破轨道钢制备钢基粉关键技术，能够批量化生产，并保证所制备的球形合金钢粉达到真空雾化粉末同样的性能要求，满足钢结硬质材料性能的要求。
附图说明
33.图1是实施例一球形合金钢粉的工艺流程图；
34.图2是实施例一球形合金钢粉的生产线系统简图；
35.图3是实施例一制备的球形合金钢粉200x金相组织图；
具体实施方式
36.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明附图，对本发明技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
37.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
38.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
39.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
40.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，指示方位或位置关系为基于附图所示
的方位或位置关系，或者是该发明使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
41.在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义；实施例中的附图用以对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
42.实施例一：
43.本实施例的球形合金钢粉的工艺流程如图1所示，轨道钢经过输送设备上料后，经过原材料处理流程后称重计算出配方设计参数，然后经过非真空感应熔炼将轨道钢熔化成成分均匀的钢液，加入改进配方后进入非真空雾化系统进行雾化、冷却后，将得到的通粉进行收集后，进行粉末分级处理，并检测，最好包装标识好后保存。具体的生产线布置图如图2所示。
44.本实施例原材料选用轨道钢u71mn，其化学成分质量百分数计，c含量为0.65％-0.77％,mn含量1.1％-1.5％，si含量0.15％-0.35％，p含量≤0.04％,s含量≤0.04％,其余为fe。
45.首先，将轨道钢u71mn原材料通过切割设备切割成尺寸100
×
100
×
100mm段，进行除油、除锈等预处理，使其表面洁净无脏化、尺寸符合熔炼要求。通过生产线输送设备输送至制粉设备顶端中频感应炉中进行熔炼，使块状合金熔化成钢液，注意熔炼采用全新坩埚，避免产品成分交叉脏化。
46.通过中频感应炉将轨道钢加热至熔点1450℃-1510℃时，对此时钢液进行除杂后，根据计算配比方案，每100kgu71mn轨道钢，添加c粉重量0.1kg-0.2kg，添加mn粉重量0.9kg-1.0kg，添加si粉重量0.1kg-0.2kg，待完全熔化后检测钢液温度。当钢液浇注温度在1650℃-1750℃时，创新设计中间包导流孔φ6-φ9，本实施例导流孔直径为φ8，确保钢液流速和无堵包现象，中间包温度700℃-950℃。
47.通过制粉系统设备中氮气雾化系统进行非真空雾化，喷嘴采用环缝喷嘴，雾化压力5mpa-7mpa，采用高压惰性气体雾化，使钢液破碎并冷却成球形(类球形)粉末，氮气雾化后得到非真空雾化的通粉。
48.通过检测筛分处理设备，按照钢基粉末应用所需0μm-15μm、15μm-45μm、45μm-75μm、75μm-105μm、 105μm分段筛分，其中0μm-75μm粒径粉末收得率达90％以上。
49.通过检测设备对制得的钢基粉末进行检测。本实施例中仅对应用中常用的15μm-45μm粒度的粉末为例，图3是本实施例制备的15-45μm粒度的刚基粉末金相组织照片，可以看出，本实施例制备的粉末呈球形或类球形，表面光滑整齐，粒径分布较为均匀，对其进行相关化学成分、霍尔流速、松装密度、振实密度等关键技术指标进行检测，并与真空雾化的
球形钢粉进行对比，如表1所示。
50.表1：不同工艺过程制备球形钢粉性能参数对比
[0051][0052]
由表1不同工艺过程制备球形钢粉性能参数对比中可以看出，非真空雾化制粉化学成分与真空雾化化学成分相近，霍尔流速(50g)20.8s、松装密度4.24g/cm3、振实密度5.1g/cm3，各项指标优于真空雾化指标。
[0053]
粉末检测完成后，通过输送设备实现按照不同粒径大小进行包装，使用铝箔袋或铁桶封装，并做好标识和防潮处理。
[0054]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。