一种增碳喷吹快冷制备泡沫钢的方法

摘要

本发明涉及一种增碳喷吹快冷制备泡沫钢的方法，在熔炼后的钢水中添加碳以增加钢水中的碳含量，向增碳后的钢水中喷吹CO2，CO2与钢中的碳发生反应生成CO；将反应后的钢水快速浇入带水冷装置的模具内，使钢水快速冷却、凝固，得到气泡均匀的泡沫钢。本发明通过喷吹CO2气体与钢水中的碳发生反应生成CO气体，CO气体以气泡形式留存在钢中，再通过快速冷却得到气泡分布均匀的泡沫钢。

权利要求

1.一种增碳喷吹快冷制备泡沫钢的方法，其特征在于，在熔炼后的钢水中添加碳以增加钢水中的碳含量，向增碳后的钢水中喷吹CO2，CO2与钢中的碳发生反应生成CO；将反应后的钢水快速浇入带水冷装置的模具内，使钢水快速冷却、凝固，得到气泡均匀的泡沫钢；

具体包括如下步骤：

1)钢水熔炼：采用感应炉对钢铁原料进行熔化，钢铁原料熔化后的钢水温度控制在

1480～1550℃；

2)钢水增碳：向熔化后的钢水中添加增碳剂，使钢水中的碳含量增加至0.1％～1.2％；

3)喷吹CO2：向增碳后的钢水中喷吹CO2，CO2与钢中的C发生化学反应，反应方程式为：CO2+C＝2CO↑，反应后在钢水中生成的CO气体量是CO2气体量的双倍，并且该反应为吸热反应，能够降低钢水的温度；

4)快速成型：将反应后的钢水快速浇入到带水冷装置的模具内，使钢水快速冷却、凝固，钢水的凝固时间不超过2min，得到气泡均匀的泡沫钢。

2.根据权利要求1所述的一种增碳喷吹快冷制备泡沫钢的方法，其特征在于，所述增碳剂中碳含量≥90％。

3.根据权利要求1所述的一种增碳喷吹快冷制备泡沫钢的方法，其特征在于，所述CO2的喷吹压力为0.2～0.4Mpa，喷吹流量为0.5～2升/小时，喷吹时间为3～6min。

4.根据权利要求1所述的一种增碳喷吹快冷制备泡沫钢的方法，其特征在于，所述泡沫3

钢的密度为2.8～3.8g/cm ，产品性能：抗压屈服强度140～230MPa，50％压应变时能量吸收3

值80～140MJ/m。

说明书

一种增碳喷吹快冷制备泡沫钢的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及泡沫钢生产技术领域，尤其涉及一种增碳喷吹快冷制备泡沫钢的方法。

背景技术

[0002] 泡沫钢是一种钢基体中均匀分布着大量连通或不连通孔洞的结构‑功能一体化材料。作为功能材料，它具有吸声、隔热、阻燃、电磁屏蔽等多种性能。作为结构材料，通过改变孔隙率和孔结构，可以改变钢材密度、弹性模量和屈服强度。在相同用钢量的情况下，合理的设计可以有效地提高结构构件整体稳定和局部稳定性能，从而提高承载力，达到节约钢材的目的。

[0003] 目前泡沫钢的制备方法主要有熔体金属发泡法、金属沉积法、空心球烧结法、渗流法和粉末烧结法。熔体金属发泡法无法使发泡剂均匀分散到熔体中，气泡大小和分布的均匀性难以控制，获得的材料力学性能等较差；空心球法存在空心球制备困难、工艺设备要求高等不足；渗流法工艺流程长、先驱体难以完全去除。快冷是一种工艺简单、成本较低的制备方法，并使气孔得到有效地控制。

[0004] 公开号为CN107058781B的中国发明专利公开了一种“金属连续发泡工艺”，其过程为：(1)将熔化后的金属液引入到搅拌罐中，加入粘稠剂；(2)将搅拌器伸入到搅拌罐，该搅拌器的搅拌杆内部设有空腔，在搅拌器的搅拌桨叶上设置有与空腔相通的小气孔，搅拌杆内通过气管与装有液氮或干冰的罐相接；(3)启动搅拌器，通过气管向搅拌杆内通入液氮或干冰，液氮或干冰吸热汽化，从小气孔排出，边通气边搅拌，汽化后的液氮或干冰在金属液中形成气泡，在通过搅拌器搅拌使气泡均匀分布在金属液中；(4)待温度接近金属液开始凝固之前，打开搅拌罐底部的出料口，搅拌完成后的金属液流入到模铸生产线中直接浇铸成型；(5)待搅拌完成后，升起搅拌器，保持气孔通畅下冷却搅拌便于下次使用。该发明是通过汽化后的液氮或干冰进入到金属液中形成气泡，但进入金属液中的气体量难以控制，使金属液中形成的气泡数量不可控，造成泡沫钢中的孔隙无法得到有效控制。

[0005] 公开号为105506335B的中国发明专利公开了一种“利用混合气体制备多孔金属的方法”，其过程为：一、金属材料先用丙酮清洗，然后依次使用无水乙醇和去离子水清洗干净；二、清洗后的金属在惰性气体的保护下升温到550～850℃，然后将燃料气体和氧化气体组成的混合气体通入到承载体内进行多孔化处理。该发明直接利用燃料气体和氧化性的气体在金属内部形成H2O和CO2气体的膨胀溢出，使金属表面和内部形成多孔结构，具有工艺简单、制备方便、无污染的优点，并且可以在己制备好的复杂金属材料器件上实现二次加工，对设备的要求低。但该技术方案是向已经固化的金属中通入气体，对金属进行多孔化处理，在金属中只能形成几百纳米或几微米的微纳米孔隙，其只是一种多孔金属，严格来说并不是泡沫钢。

发明内容

[0006] 本发明提供了一种增碳喷吹快冷制备泡沫钢的方法，通过喷吹CO2气体与钢水中的碳发生反应生成CO气体，CO气体以气泡形式留存在钢中，再通过快速冷却得到气泡分布均匀的泡沫钢。

[0007] 因此，急需研发一种在钢液中进行反应并生成气体，钢液中气体保留在金属内，实现气孔的均匀、弥散分布，充分保障泡沫钢性能，且工艺简单，安全可靠的泡沫钢制取方法。

[0008] 为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

[0009] 一种增碳喷吹快冷制备泡沫钢的方法，在熔炼后的钢水中添加碳以增加钢水中的碳含量，向增碳后的钢水中喷吹CO2，CO2与钢中的碳发生反应生成CO；将反应后的钢水快速浇入带水冷装置的模具内，使钢水快速冷却、凝固，得到气泡均匀的泡沫钢。

[0010] 一种增碳喷吹快冷制备泡沫钢的方法，具体包括如下步骤：

[0011] 1)钢水熔炼：采用感应炉对钢铁原料进行熔化，钢铁原料熔化后的钢水温度控制在1480～1550℃；

[0012] 2)钢水增碳：向熔化后的钢水中添加增碳剂，使钢水中的碳含量增加至0.1％～1.2％；

[0013] 3)喷吹CO2：向增碳后的钢水中喷吹CO2，CO2与钢中的C发生化学反应，反应方程式为：CO2+C＝2CO↑，反应后在钢水中生成的CO气体量是CO2气体量的双倍，并且该反应为吸热反应，能够降低钢水的温度；

[0014] 4)快速成型：将反应后的钢水快速浇入到带水冷装置的模具内，使钢水快速冷却、凝固，钢水的凝固时间不超过2min，得到气泡均匀的泡沫钢。

[0015] 所述增碳剂中碳含量≥90％。

[0016] 所述CO2的喷吹压力为0.2～0.4Mpa，喷吹流量为0.5～2升/小时，喷吹时间为3～6min。

[0017] 所述泡沫钢的密度为2.8～3.8g/cm3，产品性能：抗压屈服强度140～230MPa，50％3
压应变时能量吸收值80～140MJ/m。

[0018] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：

[0019] 1)本发明通过喷吹CO2气体与钢水中的碳发生反应生成CO气体，1摩尔的CO2可以生成2摩尔的CO，CO气体以气泡形式留存在钢中，同时通过上述反应消耗掉钢水中多余的热量，再通过快速冷却得到泡沫钢。

[0020] 2)反应生成的气泡在钢中均匀弥散分布，有效地保证了泡沫钢的性能均一。

[0021] 3)本发明工艺简单，安全可靠，充分保障了泡沫钢的性能。

具体实施方式

[0022] 本发明所述一种增碳喷吹快冷制备泡沫钢的方法，在熔炼后的钢水中添加碳以增加钢水中的碳含量，向增碳后的钢水中喷吹CO2，CO2与钢中的碳发生反应生成CO；将反应后的钢水快速浇入带水冷装置的模具内，使钢水快速冷却、凝固，得到气泡均匀的泡沫钢。

[0023] 本发明所述一种增碳喷吹快冷制备泡沫钢的方法，具体包括如下步骤：

[0024] 1)钢水熔炼：采用感应炉对钢铁原料进行熔化，钢铁原料熔化后的钢水温度控制在1480～1550℃；

[0025] 2)钢水增碳：向熔化后的钢水中添加增碳剂，使钢水中的碳含量增加至0.1％～1.2％；

[0026] 3)喷吹CO2：向增碳后的钢水中喷吹CO2，CO2与钢中的C发生化学反应，反应方程式为：CO2+C＝2CO↑，反应后在钢水中生成的CO气体量是CO2气体量的双倍，并且该反应为吸热反应，能够降低钢水的温度；

[0027] 4)快速成型：将反应后的钢水快速浇入到带水冷装置的模具内，使钢水快速冷却、凝固，钢水的凝固时间不超过2min，得到气泡均匀的泡沫钢。

[0028] 所述增碳剂中碳含量≥90％。

[0029] 所述CO2的喷吹压力为0.2～0.4Mpa，喷吹流量为0.5～2升/小时，喷吹时间为3～6min。

[0030] 所述泡沫钢的密度为2.8～3.8g/cm3，产品性能：抗压屈服强度140～230MPa，50％3
压应变时能量吸收值80～140MJ/m。

[0031] 以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。下述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。

[0032] 【实施例1】

[0033] 本实施例中，一种增碳喷吹快冷制备泡沫钢的方法具体如下：

[0034] 1.钢水熔炼：采用感应炉对钢铁原料进行熔化，加热熔化后的钢水温度控制在1550℃。

[0035] 2.钢水增碳：在钢水中添加增碳剂，增碳剂中的碳含量为95％，使钢水中的碳含量增加至0.1％。

[0036] 3.喷吹CO2：向增碳后的钢水中喷吹CO2，喷吹压力为0.4Mpa，喷吹流量为1升/小时，喷吹时间为6min；在850℃以上时，CO比CO2的存在更稳定，同时生成CO是吸热反应，高温钢水提供了大量的热量，有利于CO2与钢中的C发生化学反应，即CO2+C＝2CO↑，在钢水中生成的CO气体量是CO2气体量的2倍，且生成CO的反应是吸热反应，有利于降低钢水的温度。

[0037] 4.快速成型：将反应后的钢水快速浇入到带水冷装置的模具内，钢水在模具内快速冷却、凝固，凝固时间为1.4min，凝固后得到气泡均匀的泡沫钢。

[0038] 本实施例生产的泡沫钢密度为3.3g/cm3，钢中气孔分布均匀，产品性能：抗压屈服3
强度为185MPa，50％压应变时能量吸收值108MJ/m。

[0039] 【实施例2】

[0040] 本实施例中，一种快冷制备泡沫钢的方法具体如下：

[0041] 1.钢水熔炼：采用感应炉对钢铁原料进行熔化，加热熔化后的钢水温度控制在1520℃。

[0042] 2.钢水增碳：在钢水中添加增碳剂，增碳剂中碳含量为92％，使钢水中的碳含量增加至0.5％。

[0043] 3.喷吹CO2：向增碳后的钢水中喷吹CO2，喷吹压力为0.3Mpa，喷吹流量为2升/小时，吹气时间为5min；在850℃以上时，CO比CO2的存在更稳定，同时生成CO是吸热反应，高温钢水提供了大量的热量，有利于CO2与钢中的C发生化学反应，即CO2+C＝2CO↑，在钢水中生成的CO气体量是CO2气体量的2倍，并且生成CO的反应是吸热反应，有利于降低钢水的温度。

[0044] 4.快速成型：将反应后的钢水快速浇入到带水冷装置的模具内，钢水在模具内快速冷却、凝固，凝固时间为1.4min，凝固后得到气泡均匀的泡沫钢。

[0045] 本实施例生产的泡沫钢密度为2.8g/cm3，钢中气孔分布均匀，产品性能：抗压屈服3
强度为140MPa，50％压应变时能量吸收值80MJ/m。

[0046] 【实施例3】

[0047] 本实施例中，一种快冷制备泡沫钢的方法具体如下：

[0048] 1.钢水熔炼：采用感应炉对钢铁原料进行熔化，加热熔化后的钢水温度控制在1480℃。

[0049] 2.钢水增碳：在钢水中添加增碳剂，增碳剂中碳含量为90％，使钢水中的碳含量增加至1.0％。

[0050] 3.喷吹CO2：向增碳后的钢水中喷吹CO2，喷吹压力为0.2Mpa，喷吹流量为0.5升/小时，吹气时间为3min；在850℃以上时，CO比CO2的存在更稳定，同时生成CO是吸热反应，高温钢水提供了大量的热量，有利于CO2与钢中的C发生化学反应，即CO2+C＝2CO↑，在钢水中生成的CO气体量是CO2气体量的2倍，并且生成CO的反应是吸热反应，有利于降低钢水的温度。

[0051] 4.快速成型：将反应后的钢水快速浇入到带水冷装置的模具内，钢水在模具内快速冷却、凝固，凝固时间为1.7min，凝固后得到气泡均匀的泡沫钢。

[0052] 本实施例生产的泡沫钢密度为3.8g/cm3，钢中气孔分布均匀，产品性能：抗压屈服3
强度为230MPa，50％压应变时能量吸收值140MJ/m。

[0053] 本发明通过向增碳后的钢水中喷吹CO2，反应生成的CO气体作为气泡留存在钢中，从而得到泡沫钢，气泡在钢中均匀弥散分布，有效地保证了泡沫钢的性能均一，充分保障了泡沫钢的性能。

[0054] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。