相關申請的交叉引用
本專利申請要求2014年11月14日提交的美國臨時申請?zhí)?2/079,558的優(yōu)先權和權益，該申請的內(nèi)容以引用方式并入本文。
背景技術：
本申請整體涉及復合材料的制造，并且更具體地涉及一種制造用作制鋼中的脫氧劑的鋁基質(zhì)復合材料的方法。
發(fā)明背景
鋼脫氧(即，在澆鑄之前從熔融鋼的氧移除)為現(xiàn)代制鋼中的必要技術步驟。在澆鑄操作期間，隨著熔融鋼冷卻和固化，溶解氧與碳反應并形成一氧化碳(co)氣泡，該一氧化碳氣泡被捕集于鋼塊或鑄塊中，從而產(chǎn)生空隙?？障稙橹圃爝^程中的嚴重缺陷，致使鋼的機械性能減小，特別是壓延鋼產(chǎn)品的機械性能減?。灰虼?，不可避免的是氧在澆鑄之前必須從鋼移除。
為對熔融鋼脫氧，冶金學家通常將強氧化物形成元素(諸如，mn、si和al)引入鋼熔體中。這些元素與溶解氧反應并且形成固體氧化物顆粒，該固體氧化物顆粒輕于熔融鋼并且漂浮至接合熔渣的熔體表面，該熔體表面保護熔融鋼表面。
鋁是最有效脫氧(deox)劑之一，并且實際上用于所有品質(zhì)的壓延鋼，這些壓延鋼包括約60％的所有所制備鋼。鋁通常在制鋼過程的兩個階段供給至熔融鋼中。第一次供給(其中使用大量的脫氧鋁)發(fā)生于電弧爐(eaf)或堿性氧氣轉(zhuǎn)爐(bof)以鑄塊或錐形體的形式出鋼至鋼包中時，該鑄塊或錐形體放置于空鋼包的底部和(或)拋至出鋼渦流中。除了其主要脫氧目的之外，在出鋼時執(zhí)行的鋁供給還增加了生產(chǎn)能力，因為用鋁的脫氧是快速的并且在將鋼包轉(zhuǎn)移至下一操作時運行完成。第二次供給(其中通常使用較小量的鋁)在鋼包冶金爐(lmf)處被遞送至鋼包本身，鋼包冶金爐為熔融爐和澆鑄機之間的特殊中間設施，專用于改善熔融鋼品質(zhì)和使其組成達到規(guī)格。工業(yè)上使用平均2千克的鋁/噸鋼。
將鋁用于鋼脫氧的一個重大問題為，該有價值金屬不可逆地損耗。一旦鋁與氧反應以形成漂浮至熔融鋼表面并與覆蓋熔渣混合的氧化鋁或含鋁氧化物，則不存在將鋁恢復回金屬形式的實際方式。因此，世界上所生產(chǎn)的高達4％的原生(從鋁土礦提煉)鋁以不可恢復方式損耗于鋼脫氧。然而，僅約30％的這些損耗是技術上必須的，并且是由于溶解于熔融鋼中的氧與鋁的反應，其它70％是浪費。為理解原因，假定在鋼脫氧的過程中，將鑄塊或小錐形體形式的鋁供給至包含熔融鋼的鋼包中。鋼包中的熔融鋼表面覆蓋有保護性熔渣，該保護性熔渣包含大量的鐵氧化物。因為鋁相比于熔融鋼具有遠遠較低的密度(2.2相比于7g/cm3，相同溫度)，所以鋁漂浮至熔體表面，其中鋁被捕集于覆蓋熔融鋼的熔渣中并且大部分的鋁(70％)暴露于熔渣的鐵氧化物或環(huán)境空氣中的氧而不是溶解于鋼中的氧并與之反應，并且因此被無效地浪費。
應當指出的是，鋁為一種制備極其耗能的金屬，每從鋁土礦生產(chǎn)一噸的原生鋁需要174gj電能。幸運的是，鋁強耐環(huán)境腐蝕，并且易于經(jīng)由二次廢料冶煉(相比于礦的原生鋁生產(chǎn)使用少約10倍的能量的操作)而再循環(huán)。因此，鑒于很大程度上在發(fā)電過程中所產(chǎn)生的二氧化碳排放所導致的氣候變化，一般來講，鋁的不可恢復損耗，特別是不必要不可恢復損耗是非常嚴重的環(huán)境問題。
對在脫氧期間漂浮至鋼表面的鋁的問題的直接工程解決方案是使鋁接合較重成分，使得鋁在供給至熔融鋼中時浸沒更深。對于較重成分的邏輯選擇為鐵或鋼，因為其可使接合材料更重而不污染鋼熔體。實際上，如果考慮對該問題的現(xiàn)有技術解決方案，那么從大約20世紀70年代以來市場上供應有稱為鋁鐵合金(經(jīng)由鐵(或鋼)和鋁的高溫冶煉來生產(chǎn))的此類材料——參見(deelyp.d.，《鐵合金和對液體鐵和鋼的其它添加劑(ferroalloysandotheradditivestoliquidironandsteel)》中的“鋁鐵合金——性能和用途(ferroaluminum-propertiesanduses)”，astmstp739，j.r.lampman和a.t.peters編輯，美國材料試驗學會，1981年，第157-169頁)。其在制鋼工業(yè)上的實際用途證明，用于鋼脫氧的鋁消耗量可減少一半。然而，盡管技術上成功，但是鋁鐵合金存在一些缺點，這些缺點阻礙其廣泛應用于工業(yè)。因為合金利用高溫冶煉來生產(chǎn)，所以其由于高能量和爐維護成本以及由于氧化的鋁高損耗已證明制造昂貴。與高過程溫度相關的另一問題為鋁鐵合金在供給至熔融鋼期間由于熱應力和微觀結(jié)構上所存在的大量易碎復雜金屬間相而對碎裂的易感性。這些金屬間相中的一些還與環(huán)境中的水蒸汽反應，所以鋁鐵合金通常甚至在存儲期間碎裂成粉塵。碎裂脫氧劑為遠遠較低效率的，因為隨著將脫氧劑供給至熔融鋼中，輕碎屑易于被捕集于熔融鋼表面上的熔渣中。
據(jù)稱，鋁鐵合金的上述缺點通過將鋁-鐵顆粒混合物機械地壓塊可被克服，依據(jù)美國專利no.6350295。將鋁與現(xiàn)有技術中所提出的較重成分接合的另一方式是將鋁熔融并且將其澆鑄于預制鋼形狀中或其周圍——參見例如美國專利4,801,328或中國專利cn21102974y。進給鋁絲以用于脫氧目的的技術描述于例如美國專利no.3,331,680中。用于制造鋁脫氧劑材料的創(chuàng)新技術公開于俄羅斯聯(lián)邦專利no.2269586中。
然而，盡管做出各種嘗試來開發(fā)一種經(jīng)濟上可制造的有效鋁脫氧劑材料，但是仍缺乏對于制鋼工業(yè)可接受的實際解決方案，如通過將鋁錐形體和鑄塊供給至熔融鋼中的當前工業(yè)脫氧實踐(導致鋁和用于其生產(chǎn)所用能量的巨大不可逆損耗的低效過程)所證明。因此，對于新型鋁脫氧劑材料以及用于其制造的技術和經(jīng)濟上可行過程存在著現(xiàn)實實踐需求，該新型鋁脫氧劑材料相比于當前實踐提供了鋁在鋼脫氧中的更有效使用。
技術實現(xiàn)要素：
如本文所示，本復合材料和制造方法單獨地或以其任何組合為未明確預期的、揭示明顯的，或甚至未存在于現(xiàn)有技術機制的任一者中。因此，本制造方法的一些實施例示出于本文中。
該制造方法的一個目標是提供有效和經(jīng)濟脫氧劑鋁基質(zhì)復合材料的制造方法，該脫氧劑鋁基質(zhì)復合材料為近全致密的，無易碎金屬間化合物，并且允許鋁深度滲透至熔融鋼中，從而避免該有價值金屬因與熔渣和大氣的寄生氧化反應的不必要損耗。
該制造方法的另一個目標是基于原位壓力滲入技術(意指鐵鋁或其它含鐵填料鋁預成型件多孔形狀被原位存在于該預成型件中的鋁成分滲入)而提供用于脫氧劑鋁基質(zhì)復合物制造的創(chuàng)新性和成本有效技術。
該制造方法的另一個目標是提供近全致密的、不含易碎金屬間化合物，并且因此提供非碎裂脫氧劑鋁基質(zhì)復合物，該非碎裂脫氧劑鋁基質(zhì)復合物在制鋼過程中是安全的并且易于使用而無需對工業(yè)上所采用的現(xiàn)有手動或自動脫氧顆粒的任何設備更改或中斷。
該制造方法的又一個目標是提供脫氧劑改性劑鋁基質(zhì)復合物，該脫氧劑改性劑鋁基質(zhì)復合物包含除了鋁之外的一種或多種脫氧和包合體改性劑，從而揭示了在脫氧和改善鋼性能方面甚至更有效的新材料。
在本發(fā)明制造方法的一個實施例中，提供了一種用于制造鋁基質(zhì)復合材料的方法。該方法包括以下步驟：形成由鋁和富鐵成分組成的多孔獨立式預成型件，將熱施加至獨立式預成型件以將其溫度升高高于鋁的熔點并且低于富鐵成分的熔點，和施加壓力以使獨立式預成型件致密化來固化。
在本發(fā)明制造方法的又一個實施例中，鋁基質(zhì)復合材料的富鐵成分為鋼。鋁的含量為10％(重量)至50％(重量)之間的復合材料。另外，在本發(fā)明制造方法的一個實施例中，鋁為30％(重量)的復合材料。
本發(fā)明制造方法的另一個實施例提供了一種獨立式預成型件，該獨立式預成型件通過機械壓擠、壓塊、容器、無機粘結(jié)劑的過程或這些過程中任一者的組合來形成。
本發(fā)明制造方法的一個實施例提供了施加至獨立式預成型件以將其溫度升高至661攝氏度以上的特定量的熱。在一個實施例中，熱通過選自包括感應加熱、電阻爐加熱和有機燃料燃燒爐加熱的組的過程被施加至獨立式預成型件。另外，本發(fā)明制造方法的另一個實施例提供了，將一定量的外部壓力施加至獨立式預成型件，該外部壓力足以使熔融鋁成分大體填充富鐵成分之間的所有孔隙和間隙。本發(fā)明制造方法的又一個實施例是將一定量的外部壓力提供至獨立式預成型件以使預成型件致密化。用于致密化的壓力通過密封壓模中的壓擠來施加。
本發(fā)明制造方法的一個實施例提供了富鐵成分，該富鐵成分選自包括錳鐵合金，和鋼和錳鐵合金的混合物的組。
在又一個實施例中，獨立式預成型件通過選自包括機械壓擠、無機粘結(jié)劑、鋼容器和其任何組合的組的過程來界定和支撐。另外，施加至獨立式預成型件的該量的熱通過某一過程來施加，該過程包括感應加熱、電阻爐加熱和有機燃料燃燒爐加熱。
本發(fā)明制造方法的一個實施例是提供一種用于制造鋁基質(zhì)復合材料的方法。這些步驟包括形成多孔獨立式預成型件，該獨立式預成型件由鋁的多種細粉和選自由以下項構成的組的多種細粉組成：鋼、錳鐵合金、硅鈣合金、碳化鈣、稀土金屬、錳鐵合金之外的任何鐵合金。接下來，將一定量的熱施加至獨立式預成型件，該熱足以將其溫度升高高于鋁的熔點并且低于預成型件的其它成分的熔點，和施加一定量的壓力以使獨立式預成型件致密化至近全致密來允許獨立式預成型件中的鋁固化。
為了可更好地理解下述的具體實施方式，和為了可更好地了解對現(xiàn)有技術的本發(fā)明貢獻，因此，已概述(非廣義地)制造鋁基質(zhì)復合物的方法的較重要特征。存在有復合材料和制造方法的額外特征，這些額外特征將在下文描述并且將形成所附權利要求書的主題。
為了實現(xiàn)前述和相關目的，本文結(jié)合下述說明描述了某些說明性方面。這些方面指示各種方式，其中本文所公開的原理可付諸實踐并且所有方面和其等同物旨在落入所要求主題的范圍內(nèi)。其它優(yōu)點和創(chuàng)新特征根據(jù)下述具體實施方式將是顯而易見的。
在這方面，在詳細解釋復合材料的制造方法的至少一個實施例之前，應當理解，方法不限于其對復合材料細節(jié)的應用并且不限于下述說明中所闡述的制造過程的步驟的布置。該制造方法可具有其它實施例，并且能夠以多種方式實踐或?qū)嵤?。另外，應理解，本文中所采用的用語和術語目的在于說明，并且不應視為限制性的。
這些連同復合材料和制造方法的其它目標以及表征該體系的新穎性的各種特征在所附權利要求書中特別地指出并且形成本公開的一部分。為更好地理解該方法、其操作優(yōu)點以及通過其應用所達到的具體目標，應參考其中說明制造方法的優(yōu)選實施例的描述內(nèi)容。
具體實施方式
本發(fā)明制造方法所提供的新型鋼脫氧劑材料可最佳描述為鋁基質(zhì)復合物。復合材料通常定義為包括包含于連續(xù)基質(zhì)材料或由連續(xù)基質(zhì)材料包圍的離散增強材料或填料顆?；蚶w維。不同于由不同金屬相(其交互作用受熱力學平衡定律控制)組成的常規(guī)金屬合金，金屬基質(zhì)復合物通常稱為工程材料。復合物增強材料和基質(zhì)通過工程制造過程接合在一起，并且一般來講，自身在熱力學平衡中無作用，在許多情況下為彼此化學惰性的——例如，鋁基質(zhì)復合物中的耐火陶瓷顆粒。
根據(jù)工程觀點，對于將復合材料添加至廣泛種類的先前可用金屬和合金存在著令人信服的理由。這是因為，復合物允許材料工程化，其中微觀結(jié)構和性能利用熔融、澆鑄、冷加工和熱加工的既定方法不可實現(xiàn)，該冷加工和熱加工依賴于物理化學方法和金屬體系中的反應。例如，為使脫氧劑重于鋁，可利用鋁與鐵在高溫下的冶煉，從而產(chǎn)生本文較早描述的合金化鋁鐵合金。鋁鐵合金重于鋁，但包含大量的易碎和易腐蝕金屬間相，這些金屬間相使其在存儲中或當將其供給至熔融鋼中時碎裂。然而，如果鋼顆粒利用高溫冶煉之外的制造方法可與鋁基質(zhì)接合成工程化近全致密復合材料，那么所得材料將比鋁遠遠更致密，并且同時，不含由于碎裂而減小鋁鐵合金脫氧劑效率的易碎金屬間相。
存在本領域的技術人員所周知的用于制造金屬基質(zhì)復合材料的許多技術方法。例如，澆鑄為其中增強材料顆粒首先與熔融金屬預混并且然后將混合物澆鑄于模具中的情況。另一個實例，當將固體增強材料和基質(zhì)顆?；旌?、壓擠成形狀并且然后在高溫下以固態(tài)燒結(jié)時，產(chǎn)生了粉末合金化方法。另一種周知廣泛應用的方法一般可描述為壓力滲入技術。在其定制實施方式中，首先制備增強材料顆粒的干燥預成型件、加熱、放置于壓模中，并且然后將熔融基質(zhì)金屬傾倒于壓模上并通常經(jīng)由液壓沖床在施加至基質(zhì)金屬的外部壓力條件下滲入至干燥預成型件中。定制壓力滲入技術的缺點為，其需要復雜加工工具、對每個單獨團塊的制造參數(shù)的精確控制。另外，最關鍵缺點為需要熔融并保持大量的基質(zhì)金屬，這在鋁的情況下導致鋁成廢料的高損耗。
本文所描述的新型脫氧劑鋁基質(zhì)復合材料利用壓力滲入技術來制造，該壓力滲入技術相比于定制技術被根本上改善以使該技術實施起來經(jīng)濟并且使有價值鋁的損耗最小化。不同于定制技術，新型技術鋁基質(zhì)滲入劑不必須從由鋼顆粒制成的干燥預成型件的一個邊界行進通過預成型件的主體和所有途徑至相對邊界以完全地滲入預成型件。熔融鋁的此類長行程需要復雜和精確加工壓模來避免鋁在壓力條件下沖出，并且還帶有過早鋁冷卻和因此不完全預成型件滲入的風險。相反，在新型技術中，液體鋁必須行進僅短距離來填充預成型件中的鋼顆粒之間的間隙。這是因為鋁在預成型件制造步驟的階段與鋼顆粒預混，這也自動地確保新型復合物脫氧劑中的精確鋁對鋼重量比。預混鋁在預成型件加熱期間轉(zhuǎn)變成液態(tài)，并且當預成型件在液壓機壓模中擠壓時僅行進相當于鋼平均粒度的距離來填充其周圍的間隙。此類技術可稱作原位壓力滲入技術，因為鋁滲入劑原位存在于正被滲入的預成型件中。
在一個優(yōu)選實施例中，多孔獨立式預成型件形狀形成自與鋼的壓碎切屑、薄片、鏜削切屑或其它大體小塊混合的鋁的壓碎切屑、薄片、鏜削切屑或其它大體小塊，其中鋁的優(yōu)選重量分數(shù)接近30％。形狀的形成為制造操作，該制造操作對于本領域的技術人員將是已知的，并且優(yōu)選地通過機械壓擠或壓塊來實現(xiàn)。另選地，預成型件形狀可利用容器、無機粘結(jié)劑(即，硅酸鈉)或兩者來形成以使其獨立。預成型件的幾何結(jié)構可改變。在一個優(yōu)選實施例中，幾何結(jié)構可為直徑在20和200毫米之間并且高度在20至200毫米之間的圓柱體，并且其直徑對高度比為1:1或接近1:1。
接下來，將預成型件加熱至高于鋁的熔融溫度但低于鋼的熔融溫度的溫度，并且持續(xù)充分時間以用于鋁成分轉(zhuǎn)變成液態(tài)。準確加熱溫度值可改變。在一個優(yōu)選實施例中，溫度范圍可在661攝氏度和800攝氏度之間。用于加熱預成型件形狀的可能技術對于本領域的技術人員將是已知的。在一個優(yōu)選實施例中，技術可為感應加熱，因為其在加熱包含鐵磁體成分(特別是碳鋼)方面是極其有效的。
應當指出的是，盡管在預成型件的加熱期間將出現(xiàn)鋁的一些氧化，但是相比于大量鋁在開放空氣爐中的熔融和保持，該氧化因過程簡短和預成型件中的所限制空氣路徑將顯著地最小化。
然后，加熱預成型件形狀以適當緊密體積在壓力下進行擠壓，該壓力足以使形狀中的原位熔融鋁成分實際上填充鋼顆粒之間的所有孔隙和間隙，使得復合物變?yōu)榻旅艿?，其中密度至少高于理論值?0％并且優(yōu)選地高于理論值的95％。應維持預成型件上的壓力，直至其中熔融鋁固化的時刻。擠壓操作可利用對本領域的技術人員已知的廣泛種類的技術來執(zhí)行。在一個優(yōu)選實施例中，技術可為在安裝于液壓機上的密封壓模中的壓擠。適于擠壓操作的壓模相比于定制壓力滲入技術中所用的壓?？蔀檫h遠較不復雜的。這是因為，在定制壓力滲入中，液壓沖床必須在高壓力下將較大體積的液體金屬驅(qū)動相當大距離，直至其完全滲入干燥預成型件。如果壓力條件下的熱液體金屬發(fā)現(xiàn)沖頭和壓模壁之間的甚至細小間隙，那么其可沖出壓模。為避免沖出，用于使間隙最小化的壓模和沖頭的精確加工是必須的；一旦滲入完成，則這繼而使其難以從壓模抽出沖頭。
沖頭抽出困難通道導致壓模設計的進一步復雜性。例如，替代一體圓柱形壓模，使用分體式壓模對于抽出可為必要的。在原位壓力滲入的情況下，抽頭必須行進僅短距離以使預成型件致密化，并且正被抽頭壓擠的材料為半固體的，非完全液體的(不同于定制壓力滲入技術的情況下的鋁)。這允許沖頭和壓模壁之間的遠遠較不緊密間隙并且解決了沖頭抽出問題，使得可使用簡單圓柱形一體式壓模。
在制造方法的另選實施例中，獨立式多孔形狀中鋁的重量分數(shù)可在10％和50％之間改變。
在制造方法的另一個另選實施例中，多孔獨立式預成型件形狀形成自與錳鐵合金的大體小塊混合的鋁的壓碎切屑、薄片、鏜削切屑或其它大體小塊，其中鋁的重量分數(shù)接近25％。其余的過程步驟(包括形狀加熱和加熱形狀擠壓)為大體相同的。以錳鐵合金取代鋼的合理性在于，在一方面，對本領域的技術人員已知的是鋁和錳作為脫氧劑的組合效果強于任一元素單獨的效果。另一方面，就制備較重含鋁脫氧劑和在多孔獨立式預成型件形狀的感應加熱期間提供有效感應耦合而言，錳鐵合金可起到與鋼相同的功能。
在制造方法的其它另選實施例中，獨立式預成型件形狀中的一些鋼和鋁可由可用于制鋼過程中的添加物來替代，諸如硅鈣合金、碳化鈣、稀土金屬和其它可用添加物。此類添加物相比于單獨鋁可有助于使鋼甚至更好地脫氧，或調(diào)整懸浮于熔融鋼中的氧化物和其它非金屬顆粒的形狀和尺寸，從而使得它們更小和更緊湊，進而改善最終壓延鋼產(chǎn)品的外觀和機械性能。
在一個優(yōu)選實施例中，直接替代鋁鑄塊或錐形體，如上文優(yōu)選實施例中所描述來制備的新型鋼脫氧劑鋁基質(zhì)復合材料用于在eaf或bof出鋼至鋼包中的階段使鋼脫氧。未受特殊理論束縛，脫氧劑復合材料對其替代的鋁鑄塊或錐形體重量的重量比基于下述考慮事項可估計為1.66:1。根據(jù)以往工業(yè)實踐已知的是，相比于利用鑄塊或錐形體的脫氧，包含接近30％(重量)的鋁的非碎裂鋁鐵合金節(jié)省50％的鋁。因此，每千克的鋁鑄塊或錐形體可由鋁鐵合金或(在本發(fā)明制造方法的情況下)脫氧劑鋁基質(zhì)復合物中所含的0.5千克的鋁替換。對于30:70的鋁對鋼的優(yōu)選重量比，可計算替換一千克的鋁鑄塊或錐形體的新型脫氧劑的總重量：0.5千克×100÷30＝1.66千克。
雖然上述說明包括許多特異性，但是它們不應視為對制造方法的范圍的限制，而應視為其優(yōu)選實施例的例證。許多其它變型是可能的。因此，制造方法的范圍不應由所示實施例確定，而是由附屬權利要求書和其法律等同物確定。