一种利用冶金固废直接还原铁粉和再生铁粉热压铸高强度机械部件的方法

摘要

本发明属于金属材料技术领域，尤其涉及一种利用冶金固废直接还原铁粉和再生铁粉热压铸高强度机械部件的方法，将钢削金属粉、还原铁粉和钢渣铁渣粉混合均匀，制得混合金属粉；混合金属粉加热至650‑860℃，在惰性气体氛围保护下，加入液压机的模具内，将模具内的混合金属粉刮平，经一次或二次热压铸，取出压件，覆盖石灰粉或煤粉进行保护暖冷4‑6h，制得密度为6.5‑7.8t/m3的高强度机械部件。本发明制得热压铸制品完全可替代绝大部分铸铁、铸钢机械部件制品，热压铸制品是一种原料来源广泛、工序简单、成本低廉、节能环保、循环经济的一种热压铸制备方法，开辟出机械部件制备的一个新行业或新领域。

说明书

技术领域

本发明属于金属材料技术领域，尤其涉及一种利用冶金固废直接还原铁粉和再生铁粉热压铸高强度机械部件的方法。

背景技术

我国虽然铁矿资源分布广泛，但低贫细难选铁矿资源(鲕状赤铁矿、羚羊石矿、褐铁矿、镜铁矿、赤铁矿、菱铁矿等难选矿；钒钛磁铁矿(海砂)、硼铁矿、锰铁矿、铬铁矿、红土镍矿等复合矿)分布却占97％以上，至今没有得到很好的开发和利用，造成资源闲置和浪费，反而，钢厂每年还需要进口大量的高品位铁矿石，进口依赖程度占钢厂铁矿石总消耗量的85％以上，并且每年也会有大量的氧化铁皮，只作为普通铁矿粉进行烧结使用，没有发挥其独有的特长优势，浪费了资源。

气割渣主要来源于钢结构及钢铁采用气割切割过程中，气割枪的燃烧温度，喷出高速切割氧气流，使切口处金属剧烈燃烧并将燃烧后的金属氧化物吹除实现工件分离，使铁在纯氧中的燃烧过程而不是熔化过程生产出渣块，它主要包括：气焊渣，氧化铁，氧化皮。

钢材锻造、热轧热加工及冷拔丝时，由于钢铁和空气中氧的反应，常会大量形成氧化铁皮，属于钢铁冶金固体废弃物，氧化铁皮的主要成分是Fe₂O₃、Fe₃O₄、FeO。还有硫酸渣、氧化铝赤泥、铜渣、镍渣、铅锌渣、铬渣(含六价铬)、冶金污泥(灰)等含铁废料。

全国每年生产氧化铁皮约1000万吨左右，每年还有几千万吨含铁废料产生，如果不及时处理，会造成堆积，浪费资源。

我国是机械生产大国，机械加工部件会生产大量的钢削(刨花)、铁削、桶罐箱等轻薄料，均被压块送到钢铁公司，作为轻薄料废钢使用，没有得到很好的综合利用。

我国每个钢铁公司均有大量的钢渣、铁渣、水渣铁，经破碎、磁选回收大量的金属铁粉或粒子钢，经过简单压制，可作为钢厂的废钢轻薄料使用，也没有得到有效的处理。

我国是机械生产大国，也是铸铁、铸钢大国，均采用冲天炉、化铁炉、高炉或感应炉对生铁、废钢等加热熔融，再进行铸造，不但需要消耗焦炭，而且能耗较高，也造成环境污染。因此，国家计划取缔年规模1万吨以下的小型铸造厂。因此，铸造市场也逐渐存在废钢积压，铸件难买等问题。

因此，开发利用好各种冶金固废(轧钢、锻造、冷拔丝生产的氧化铁皮、气割渣甚至是铁精矿粉及各种难选铁矿等含铁氧化物)的应用，生产出各种机械部件制品，具有重要的意义。

粉末冶金压制的制品已经取得机车等行业的广泛认可，我国粉末冶金制品在汽车、摩托车等领域的应用量越来越广大，已经达到5％～8％；但粉末冶金制品的成本很高，一般在8000～20000元/吨，甚至10000元/吨以上，成本很高，粉末冶金制品一般只能用于单件重量1～2kg以下，尚无法生产几十公斤、甚至1吨重的较大型部件。因此，低端、中端机械部件尚无法采用粉末冶金制品替代，需要开发出加工成本低、节能环保、循环经济的部件制品，以满足机械配件、配重铁、五金等行业的广泛应用。

发明内容

本发明针对上述现有技术存在的不足，提供一种利用冶金固废直接还原铁粉和再生铁粉热压铸高强度机械部件的方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种利用冶金固废直接还原铁粉和再生铁粉热压铸高强度机械部件的方法，步骤如下：

(1)将20-50wt％钢削金属粉、20-45wt％还原铁粉和5-60wt％钢渣铁渣粉混合均匀，制得细度为80-180目的混合金属粉；

(2)取0.5-1000kg步骤(1)制得的混合金属粉加热至650-860℃，在惰性气体氛围保护下，加入液压机的模具内，将模具内的混合金属粉刮平，经一次或二次热压铸，取出压件，覆盖石灰粉或煤粉进行暖冷4-6h，制得密度为6.5-7.8t/m³的高强度机械部件。

本发明的有益效果是：

1、原料来源广泛

1)需要直接还原处理的原料主要有：轧钢、锻造、冷拔丝生产的氧化铁皮、气割渣甚至是铁精矿粉及各种难选铁矿、复合矿、含铁废料等含铁氧化物经过直接还原或渣铁分离还原冶选获得的TFe≥90％金属铁粉；

2)需要简单打磨、湿式磁选处理的原料主要有：再生金属铁粉，如钢渣、高炉脱硫渣、水渣等选出的TFe≥90％金属铁粉、粒子钢及机加工的钢削(刨花)、铁削、桶罐等废料经切断、打磨、湿式磁选获得的金属铁粉。

3)还有如：抛丸清刷铸件表面时的废丸、球磨机废球粒、砂轮抛光金属砂、废轴承钢珠等一切金属粉或颗粒。

2、加工过程简单：

将各种TFe≥90％金属铁粉，经过再次打磨、湿式弱磁选(磁选强度800～1000Gs)、跳汰选、重力选等物理选铁的提纯方法，获得TFe93～97％、细度80～200目的优质金属铁粉；配料、润磨混料后的金属铁粉，进行隔焰式绝氧加热到650～860℃，过程中需要进行N₂或CO₂等惰性气体进行保护定量给料，高温金属铁粉定量加热液压机的模具内，进行快速压制；根据热压铸的制品应用要求，可进行一次热压铸成型，如果制品物理指标要求较高，可将一次成型后的热压铸制品，再进行二次热压铸，一次压制的液压机可采用400吨～10000吨，进行二次热压的液压机可采用400吨～10000吨，制品经过保护缓冷并回收制品显热的热量(热风或热水)，即可获得高强度的热压铸制品。

3、本发明的制备方法容易大面积推广，制得的热压铸制品加工成本低廉，生产成本是铸铁的50％、是铸钢的40％，固—固态热压铸机械部件制品可以取代大部分熔融铸铁或铸钢，具有强大的生命力。

4、热压铸制品应用广泛

低端制品可应用于：各种配重铁块，而且机械强度高于灰口铁铸造的配重铁块；下水道井盖、井漏、装饰品、工艺品、LOGO、炉灶等几乎没有机械强度要求的部件；

中端制品可应用于：门把手、电机壳和电机座、电机盖、减速机壳、法兰等机械强度要求不高的部件；

中高端制品可应用于：各种低压阀体、轴承座及盖、皮带轮、普通机械的曲轴、联轴器、齿轮、泵体、叶轮、管件等机械强度较高的部件。

5、能耗低、无污染，节能环保降碳和循环经济

本发明加热的能源可以采用电能、天然气或液化气，加热温度低，不超过900℃，耗气量少，无NOx产生，排放无污染。国家在限制、控制小规模铸造厂的生产，造成各种铸件的短缺，本技术的应用，解决了铸造件市场货源短缺的问题；

热压铸部件大部分可替代铸铁、铸钢毛坯，无需采用冲天炉、化铁炉、感应炉等高污染炉具，进行熔融铸造，最大限度地做到了节能环保降碳和循环经济。

6、本发明开拓出一种热新材料、新制品—压铸制品，开辟出机械部件铸造的一个新行业或新领域。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述的混合金属粉还包括0-2.6％锰铁粉、0-35％镍铁粉、0-28％铬铁粉、0-0.01％硼铁粉、0-0.05％金属钒和0-0.05％稀土粉。

采用上述进一步方案的有益效果是，使热压铸制品具备耐磨、耐腐、耐高温等性能。

进一步，步骤(1)中所述的钢削金属粉为：将普碳钢经过球磨机湿式打磨，在800-1000Gs强度下进行湿式弱磁选，获得细度100-160目、TFe≥97％、MFe≥96％、C≤0.35％、S≤0.05％、P≤0.025％、含水量≤8.5％的钢削金属粉。

进一步，步骤(1)中所述的还原铁粉为：将直接还原铁经破碎、球磨机湿式打磨后，在800-1000Gs强度下进行湿式弱磁选，获得细度120～200目、TFe≥94％、MFe≥93％、C≤0.20％、S≤0.05％、P≤0.045％、含水量≤9.0％的还原铁粉。

进一步，步骤(1)中所述的钢渣铁渣粉为：将从钢渣、铁渣中磁选出的细度为80～120目、TFe≥90％的金属铁粉，经过球磨机湿式打磨，在800-1000Gs强度下进行湿式弱磁选，再经过湿式跳汰选，获得细度80～160目、TFe≥93％、MFe≥91％、C≤1.5％、S≤0.05％、P≤0.045％、含水量≤8.0％的钢渣铁渣粉。

进一步，步骤(2)中所述的惰性气体为氮气或二氧化碳。

具体实施方式

以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

本发明实施例中使用的钢削金属粉、还原铁粉和钢渣铁渣粉的制备：

1、将普碳钢经过球磨机湿式打磨，在800-1000Gs强度下进行湿式弱磁选，获得细度100-160目、TFe≥97％、MFe≥96％、C≤0.35％、S≤0.05％、P≤0.025％、含水量≤8.5％的钢削金属粉。

2、将直接还原铁经破碎、球磨机湿式打磨后，在800-1000Gs强度下进行湿式弱磁选，获得细度120～200目、TFe≥94％、MFe≥93％、C≤0.20％、S≤0.05％、P≤0.045％、含水量≤9.0％的还原铁粉。

3、将从钢渣、铁渣中磁选出的细度为80～120目、TFe91.09％的金属铁粉，经过球磨机湿式打磨，在800-1000Gs强度下进行湿式弱磁选，再经过湿式跳汰选，获得细度80～160目、TFe≥93％、MFe≥91％、C≤1.5％、S≤0.05％、P≤0.045％、含水量≤8.0％的钢渣铁渣粉。

实施例1

一种利用冶金固废直接还原铁粉和再生铁粉热压铸高强度机械部件的方法，步骤如下：

(1)将20wt％钢削金属粉、20wt％还原铁粉和60wt％钢渣铁渣粉混合均匀，制得细度为90-170目的混合金属粉，见表1；

表1

(2)取86kg步骤(1)制得的混合金属粉，在1吨感应炉内采用电感应加热到780℃，在二氧化碳气体氛围保护下，加入液压机的模具内，将模具内的混合金属粉刮平，经一次热压铸，取出压件，覆盖石灰粉进行暖冷4h，取出，配重块平整、无缺陷、呈银灰色，检测密度为7.0t/m³，达到铸钢件密度。

实施例2

一种利用冶金固废直接还原铁粉和再生铁粉热压铸高强度机械部件的方法，步骤如下：

(1)将45wt％钢削金属粉、35wt％还原铁粉和20wt％钢渣铁渣粉混合均匀，制得细度为110-180目的混合金属粉，见表2；

表2

(2)取1000kg步骤(1)制得的混合金属粉，在￠326mm隔焰式回转窑内热到800℃，在氮气气体氛围保护下，加入液压机的模具内，将模具内的混合金属粉刮平，经一次热压铸，取出压件，覆盖煤粉进行暖冷4h，取出，制品表面平整、无缺陷、呈银灰色，检测密度为7.2t/m³，再在车床上进行表面加工，加工后的部件如同圆钢加工状态，测其抗拉强度(σb/MPa)为462。

实施例3

一种利用冶金固废直接还原铁粉和再生铁粉热压铸高强度机械部件的方法，步骤如下：

(1)将50wt％钢削金属粉、45wt％还原铁粉和5wt％钢渣铁渣粉混合均匀，制得细度为90-170目的混合金属粉，见表3；

表3

(2)取50kg步骤(1)制得的混合金属粉，在DN250mm闸阀阀体模具内加热到850℃，在氮气气体氛围保护下，加入液压机的模具内，将模具内的混合金属粉刮平，经一次热压铸，取出压件，覆盖石灰粉进行暖冷4h，取出，配重块平整、无缺陷、呈银灰色，检测密度为7.6t/m₃，经1.6MPa的水压打压测试，不漏水、不渗水，打压测试效果很好。

实施例4

一种利用冶金固废直接还原铁粉和再生铁粉热压铸高强度机械部件的方法，步骤如下：

(1)将20wt％钢削金属粉、20wt％还原铁粉和60wt％钢渣铁渣粉混合均匀，制得细度为90-170目的混合金属粉，见表4；

表4

(2)取18kg步骤(1)制得的混合金属粉，在￠326mm隔焰式回转窑内热到860℃，在氮气气体氛围保护下，加入液压机的模具内，将模具内的混合金属粉刮平，经二次热压铸，取出压件，覆盖石灰粉进行暖冷6h，取出，配重块平整、无缺陷、呈银灰色，检测密度为7.8t/m³，再在车床上进行表面加工，加工后的部件如同圆钢加工状态，测其抗拉强度(σb/MPa)为502。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。