一種稀土耐熱鋼及其鑄造工藝的制作方法
【專利摘要】本發明涉及耐熱鋼領域，具體為一種稀土耐熱鋼的合金設計與鑄造工藝開發，通過稀土合金化，獲得超高溫耐熱性能。合金成分主要是以高鉻不銹鋼為基礎，以氮為主要奧氏體化元素，并在冶煉過程中加入稀土元素進行合金化；按重量百分比計，合金成分范圍為：C 0.20～0.45，Si 0.82～2.55，Mn 2.0～13.0，Cr 10.5～29.0，Ni 0.9～2.5，Mo 0.3～0.6，O≤0.0025，N 0.0050～0.9，P≤0.020，S≤0.015，RE 0.001～0.6，Fe余量。采用本發明的合金成分和冶煉工藝，熔煉鋼水進行澆鑄，所澆注的鑄件、鋼錠、連鑄坯，純凈度高，夾雜物少、且細小、彌撒，組織高溫穩定性好，具有優異的高溫強度和高溫抗氧化性能。
【專利說明】
一種稀土耐熱鋼及其鑄造工藝
技術領域
[0001] 本發明涉及耐熱鋼領域，具體為一種稀土耐熱鋼的材料設計與鑄造工藝，利用稀 土對合金鋼進行進一步合金化，使其具有超級耐熱性能。
【背景技術】
[0002] 耐熱鋼應用非常廣泛，但是耐熱鋼高溫強度低，不抗氧化等問題，一直難于解決。 普能耐鋼工作溫度超過900°C，強度開始明顯下降，氧化速度也明顯加快。用于連續退火爐 的輻射管，循環加熱爐的燒嘴等，均需要耐熱鋼材料。傳統的耐熱鋼材料主要是Cr25Ni20， 后來人們為了提高材料耐熱能力和抗氧化能力，又提高了材料鉻鎳含量，有的爐管材料用 到了Cr35Ni30。但是，當溫度繼續升高時，這些材料的高溫強度下降較快，而熱等靜壓設備 中的導流管、料筒等，需要在l〇〇〇°C以上，甚至達到1250Γ的超高溫條件下工作。因此，隨著 超高溫條件下工作設備的增多，開發適合超高溫條件下工作的耐熱鋼材料越來越顯得緊 迫。
【發明內容】
[0003] 本發明的目的在于提供一種稀土耐熱鋼的材料設計與鑄造工藝，采用本發明的冶 煉和澆注方法，通過稀土合金處理鋼水，實現鋼水、鑄件、鋼錠、連鑄坯的超純凈化，從而提 高耐熱鋼的高溫強度和高溫抗氧化性。
[0004] 本發明的技術方案是：
[0005] -種稀土耐熱鋼，合金成分主要是以高鉻不銹鋼為基礎，以氮為主要奧氏體化元 素，并在冶煉過程中加入稀土元素進行合金化;按重量百分比計，合金成分范圍為:C 0.20 ~0.45，Si 0.82~2·55，Μη 2.0~13.0，Cr 10.5~29.0，Ni 0.9~2·5，Μο 0.3~0.6,0彡 0·0025，Ν 0.0050~0·9，Ρ彡0.020，S彡0.015，RE 0.01 ~0.38，Fe余量。
[0006]所述的稀土耐熱鋼，優選的，按重量百分比計，合金成分范圍為:C 0.25~0.35，Si 1.8~2·2，Μη 10.5~11.5，Cr 19.0~21.0，Ni 1.8~2·2，Μο 0.3~0·4,0彡0·0020，Ν 0.30 ~0.40，卩彡0.015,5彡0.010，1^0.02~0.06，卩6余量。
[0007] 所述的稀土耐熱鋼的鑄造工藝，采用純凈廢鋼或鐵水進行冶煉，中間合金均預熱 處理，選擇純稀土作為配料進行合金化處理，采用高溫固溶熱處理工藝進行熱處理。
[0008] 所述的稀土耐熱鋼的鑄造工藝，采用中頻爐冶煉，氮化鉻鐵中間合金預熱400~ 800 °C，分批次加入。
[0009] 所述的稀土耐熱鋼的鑄造工藝，稀土處理前，磷含量彡0.020wt%，并進行鋼包精 煉爐精煉，深脫硫，硫含量<〇. 〇15wt %，再進入真空精煉爐，真空精煉鋼，氧含量< 15ppm， 氮含量彡50ppm。
[0010] 所述的稀土耐熱鋼的鑄造工藝，利用稀土合金處理鋼水的過程如下：
[0011] (1)澆注鑄件的鋼水處理
[0012] 電解純稀土合金，制成方塊狀，每塊0.1~0.5kg;利用噴砂機處理干凈，露出金屬 光澤，用鋁箱包裹，放入密封筒中，充氮氣保護;稀土加入量是鋼水重量的0.01~0.6%，將 稀土按重量比2:1分成兩部分，少的部分置于包底，與脫氧劑放在一起，用鋁箱包好;多的部 分出鋼過程中，隨鋼水流加入，稀土合金隨鋼水進入包中，在鋼水包中沖混；
[0013] (2)澆注鋼錠、連鑄坯的鋼水處理
[0014]電解純稀土合金，制成方塊狀，每塊0.5~1.5kg;利用噴砂機處理干凈，露出金屬 光澤，用鋁箱包裹，放入密封筒中，充氮氣保護;稀土加入量是鋼水重量的0.01~0.6%，將 稀土合金放入鐘罩，直接從頂部加入鋼包精煉爐，并且保持鋼包精煉爐繼續吹氬10~ 20min，再進行饒注。
[0015]所述的稀土耐熱鋼的鑄造工藝，鑄件的熱處理采用高溫固溶強化淬火處理，固溶 溫度1000~1250 °C，固溶時間按壁厚尺寸計算，每增加25mm厚，保溫時間增加0.5~2. Oh，出 爐后水淬。
[0016] 所述的稀土耐熱鋼的鑄造工藝，稀土合金選用高純鑭鋪稀土合金，稀土元素含量 99wt %以上;在鑭鈰稀土合金中，鑭:鈰重量比為I: (1~3)。
[0017] 所述的稀土耐熱鋼的鑄造工藝，通過包內加入稀土合金，細化晶粒，細化夾雜物， 晶粒度在4級以上，夾雜物總和小于3.0級;稀土釘扎晶界，磷共晶無法偏聚，減少晶界氧化， 提尚材料抗氧化能力。
[0018] 所述的稀土耐熱鋼的鑄造工藝，通過高溫固溶處理，使碳化物充分溶解，確保材料 初始組織單一全奧氏體組織，在服役過程中，碳化物在晶界與境內重新析出，大幅提高高溫 條件下的組織穩定性，從而確保服役溫度達到1000~1250 °C的超高溫度范圍。
[0019] 本發明的優點及有益效果是：
[0020] 1.本發明利用稀土合金對新型合金鋼水進行合金化處理，再澆鑄成鑄件、鋼錠或 連鑄坯，形成耐熱合金鑄件或坯料。從而，通過控制鋼水純凈度，稀土合金化處理，減少鋼水 氧化、細化夾雜物，使材料鑄造組織均勻，晶粒度達到4級以上。稀土釘扎晶界提高了材料高 溫強度，本發明制備的材料為1000°c以上超高溫運行設備提供了有力支承。
[0021 ] 2.本發明利用稀土進行合金化，使材料純凈度進一步提高，有效抑制了材料高溫 電化學腐蝕，提高了耐熱鋼的抗氧化能力。
[0022] 3.本發明制備了全奧氏體稀土鋼，采用本發明的合金成分和冶煉工藝，熔煉鋼水 進行澆鑄，所澆注的鑄件、鋼錠、連鑄坯，組織均勻、致密，夾雜物少、細小、彌撒，材料組織單 一，不易發生相變，使組織更加穩定，提高了材料穩定性和抗熱疲勞性能，并且保證了材料 的高溫強度和高溫抗氧化性能。
【附圖說明】
[0023] 圖1為熱等靜壓導流筒鑄件和機械加工件示意圖；其中，（a)為鑄件；（b)為機械加 工件。
[0024]圖2為熱等靜壓導流筒鑄造工藝方案簡圖（縮尺25%。，鋼水總重1.3噸）；其中，（a) 為主視圖；（b)為俯視圖。
【具體實施方式】
[0025]在具體實施過程中，本發明稀土耐熱鋼的材料設計與鑄造工藝，采用純凈廢鋼進 行冶煉，中間合金均預熱處理。選擇純稀土作為配料進行合金化處理，采用高溫固溶熱處理 工藝進行熱處理，來保證材料組織和性能。
[0026] 1、稀土耐熱鋼冶煉過程，是以奧氏體鋼為基礎進行合金化過程。奧氏體鋼冶煉重 點是嚴格控制雜質元素，充分氧化去磷，再脫氧去硫，在此基礎上加入奧氏體化合金錳鐵和 氮化鉻鐵。磷含量<0.020wt %，并進行鋼包精煉爐精煉，深脫硫，硫含量<0.015wt %，再進 入真空精煉爐，真空精煉鋼，氧含量<15ppm，氮含量<50ppm。錳鐵和氮化鉻鐵等中間合金 進行預熱處理，處理溫度400~800°C，并且分批加入，保證氮的收得率在50%以上。
[0027] 2、利用稀土合金處理鋼水，可以深度脫氧，細化組織。澆注鑄件和澆注鋼錠、連鑄 坯的稀土合金添加工藝不同。
[0028] (1)澆注鑄件的鋼水處理可以按下述方式進行。電解純稀土合金，制成方塊狀，大 約0.1~0.5kg每塊。利用噴砂機處理干凈，露出金屬光澤，用鋁箱包裹，放入密封筒中，充氮 氣保護。在冶煉過程中，按鋼水化學成分，主要根據鋼水氧含量，區別加入不同量的稀土。稀 土加入量是鋼水重量的0.01~0.6 % (成品耐熱材料中稀土元素含量為0.0 Olwt %~ 0.38wt % )。將稀土按重量比2:1分成兩部分，少的部分置于包底，與脫氧劑放在一起，用鋁 箱包好;多的部分出鋼過程中，隨鋼水流加入，稀土合金隨鋼水進入包中，在鋼水包中沖混。 [0029] (2)澆注鋼錠、連鑄坯的鋼水，按下述方法進行稀土合金化。電解純稀土合金，制成 方塊狀，大約0.5~1.5kg每塊。利用噴砂機處理干凈，露出金屬光澤，用鋁箱包裹，放入密封 筒中，充氮氣保護。在冶煉過程中，按鋼水化學成分，主要根據鋼水氧含量，區別加入不同量 的稀土。稀土加入量是鋼水重量的0.01~0.6%。將稀土合金放入專用鐘罩，直接從頂部加 入鋼包精煉爐，并且保持鋼包精煉爐繼續吹氬15min，再進行饒注。
[0030] 鑄件和鋼錠、連鑄坯的后續工序不同，熱處理方法也不同。鑄件需要進行嚴格的熱 處理，直接達到使用所需要的組織和性能。鋼錠、連鑄坯需要進行后序鍛造和乳制，因此只 需要進緩冷坑緩冷處理。鑄件和鋼錠、連鑄坯的熱處理采用高溫固溶處理，固溶溫度1000~ 1250°C ( ± 5°C )，固溶時間按壁厚尺寸計算，每增加25mm厚，保溫時間增加1~2.5h后出爐水 淬。
[0031] 下面結合附圖及實施例詳述本發明。
[0032] 實施例
[0033] 本實施例中，試生產熱等靜壓導流筒鑄件，鑄件毛坯重量是:910kg，帶冒口及澆口 重量為1200kg，充型時間25s，澆注溫度1560~1570°C。鑄件材質為稀土耐熱鋼(NRRE1250)， 其具體成分按重量百分比如下：
?〇〇35]^如圖1-圖2所示，本發明熱等靜壓導流筒鑄造工藝方案如下:
[0036] 1)嚴格控制成分，從配料入手，采用優質廢鋼、金屬鉻、低磷錳鐵和鉬鐵進行配料， 按鋼水總量15噸配制。中頻感應電爐冶煉，嚴格控制磷含量，采用專用除磷劑脫磷，P < 0.005wt %，再進行鋼包精煉爐精煉，加合金，還原脫氧脫硫，使氧含量低于15ppm，硫低于 0.005wt %，精煉鋼水等待稀土處理。
[0037] 2)利用石英砂制造砂型和砂芯，用堿性酚醛樹脂做粘結劑，粘結劑加入量為石英 砂重量的1.2 %，用苯磺酸做固化劑，固化劑加入量為石英砂重量的0.6wt %，并且混碾1分 鐘，砂型和砂芯表面刷堿性鎂砂粉涂料。
[0038]如圖2所示，導流筒按上、中、下三箱造型，采用底注式澆注系統，上箱中設置環形 補縮冒口。
[0039] 3)將預先冶煉好的鋼水進行稀土合金化。準備鑭鈰稀土合金(鑭鈰稀土合金中，稀 土元素含量99wt%，鑭：鋪重量比為1: 2)，使用合金中稀土元素占0.08wt%的稀土合金 120kg〇
[0040] 4)鋼包內加稀土合金，采用鐘罩形式，將稀土合金直接加到鋼水中，穿過鋼渣，渣 面以下300~500mm進行反應。反應后，軟吹5~15min，開始澆注。
[0041 ] 5)先行澆注三組鑄件，余下鋼水澆注3噸小型鋼錠和試樣。
[0042] 6)澆注之后，1小時打箱。鑄件清理后進行熱處理，采用1150 ± 5 °C高溫固溶處理。
[0043]本實施例通過包內加入稀土合金，細化晶粒，細化夾雜物;鑄態晶粒度在4級以上， 夾雜物總和小于3.0級。從而，使鑄件組織均勻、細化，減少夾雜物，提高了鑄件的高溫強度 和抗氧化性能。從而，使導流筒在1250Γ高溫條件下，可以正常工作。材料高溫強度在幅度 提高，經同爐試樣檢測，1250°C時，材料高溫抗拉強度3 30MPa，滿足設計要求。
[0044] 本發明工作過程及結果：
[0045] 由于本發明工藝方案確定的比較合理，所采取的各項措施都起到了相應的作用。 1)合理設計合金成分，準確控制奧氏體化元素含量，使材料基體為單一奧氏體相。2)嚴格控 制鋼水純凈度，經過爐外精煉，使鋼水氧含量控制在25ppm以內，磷控制在0.020wt %以下， 對提高材料高溫強度，起到了關鍵作用。3)利用稀土進行合金化處理，使鋼水純度進一步提 高，并且使夾雜物得到細化，提高了材料抗氧化性能。4)采用高溫固溶處理熱處理工藝，使 材料中碳化物充分分解，靜化了晶界，提高了鑄件抗熱疲勞能力。
[0046] 本實施例中，澆入鋼水金屬重量為1250kg，其中鑄件重量910kg，充型時間25秒。稀 土在鋼包中采用鐘罩方式處理，反應平穩，沒有噴濺;從冒口觀察，發現金屬液潔凈、上升平 穩。澆注后Ih之后打箱，鑄件表面質量良好。
[0047] 比較例
[0048] 導流筒鑄件國內外企業已經生產過，均采用Cr25Ni20材料。Cr25Ni20屬于耐熱不 銹鋼，鑄件澆注之后，需要在砂型埋很長時間，生產效率較低。并且，鑄件使用中變形較大。 采用Cr25Ni20材料制作超高溫耐熱件，由于采用的砂型鑄造，材料組織粗大，夾雜物較多。 本發明稀土耐熱鋼材料屬于全奧氏體組織，不能通過熱處理方法進行細晶化處理，在熱處 理之后，鑄態組織仍然存在，不利于材料抗氧性能提高。Cr25Ni20導流筒使用過程中，經常 出現內氧化現象，影響鑄件使用壽命。
【主權項】
1. 一種稀土耐熱鋼，其特征在于:合金成分主要是以高鉻不銹鋼為基礎，以氮為主要奧 氏體化元素，并在冶煉過程中加入稀土元素進行合金化；按重量百分比計，合金成分范圍 為：C 0.20~0.45，Si 0.82~2·55，Μη 2.0~13.0，Cr 10.5~29.0，Ni 0.9~2·5，Μο 0.3~ 0.6,0彡0·0025，Ν 0.0050~0·9，Ρ彡0.020，S彡0.015，RE 0.01 ~0.38，Fe余量。2. 按照權利要求1所述的稀土耐熱鋼，其特征在于:優選的，按重量百分比計，合金成分 范圍為：C 0.25 ~0.35，Si 1.8 ~2·2，Μη 10.5 ~11.5，Cr 19.0 ~21.0，Ni 1.8 ~2·2，Μο 0.3~0·4,0彡0·0020，Ν 0.30~0·40，Ρ彡0.015，S彡0.010，RE 0.02~0.06，Fe余量。3. -種權利要求1所述的稀土耐熱鋼的鑄造工藝，其特征在于，采用純凈廢鋼或鐵水進 行冶煉，中間合金均預熱處理，選擇純稀土作為配料進行合金化處理，采用高溫固溶熱處理 工藝進行熱處理。4. 按照權利要求3所述的稀土耐熱鋼的鑄造工藝，其特征在于，采用中頻爐冶煉，氮化 鉻鐵中間合金預熱400~800°C，分批次加入。5. 按照權利要求3所述的稀土耐熱鋼的鑄造工藝，其特征在于，稀土處理前，磷含量< 0.020wt %，并進行鋼包精煉爐精煉，深脫硫，硫含量<0.015wt %，再進入真空精煉爐，真空 精煉鋼，氧含量< 15ppm，氮含量< 50ppm。6. 按照權利要求3所述的稀土耐熱鋼的鑄造工藝，其特征在于，利用稀土合金處理鋼水 的過程如下： (1) 澆注鑄件的鋼水處理 電解純稀土合金，制成方塊狀，每塊0.1~0.5kg;利用噴砂機處理干凈，露出金屬光澤， 用鋁箱包裹，放入密封筒中，充氮氣保護;稀土加入量是鋼水重量的0.01~0.6%，將稀土按 重量比2:1分成兩部分，少的部分置于包底，與脫氧劑放在一起，用鋁箱包好;多的部分出鋼 過程中，隨鋼水流加入，稀土合金隨鋼水進入包中，在鋼水包中沖混； (2) 澆注鋼錠、連鑄坯的鋼水處理 電解純稀土合金，制成方塊狀，每塊0.5~1.5kg;利用噴砂機處理干凈，露出金屬光澤， 用鋁箱包裹，放入密封筒中，充氮氣保護;稀土加入量是鋼水重量的0.01~0.6%，將稀土合 金放入鐘罩，直接從頂部加入鋼包精煉爐，并且保持鋼包精煉爐繼續吹氬10~20min，再進 行澆注。7. 按照權利要求3所述的稀土耐熱鋼的鑄造工藝，其特征在于，鑄件的熱處理采用高溫 固溶強化淬火處理，固溶溫度1000~1250°C，固溶時間按壁厚尺寸計算，每增加25mm厚，保 溫時間增加0.5~2. Oh，出爐后水淬。8. 按照權利要求3所述的稀土耐熱鋼的鑄造工藝，其特征在于，稀土合金選用高純鑭鈰 稀土合金，稀土元素含量99wt%以上;在鑭鋪稀土合金中，鑭:鋪重量比為1: (1~3)。9. 按照權利要求3所述的稀土耐熱鋼的鑄造工藝，其特征在于：通過包內加入稀土合 金，細化晶粒，細化夾雜物，晶粒度在4級以上，夾雜物總和小于3.0級；稀土釘扎晶界，磷共 晶無法偏聚，減少晶界氧化，提高材料抗氧化能力。10. 按照權利要求3所述的稀土耐熱鋼的鑄造工藝，其特征在于:通過高溫固溶處理，使 碳化物充分溶解，確保材料初始組織單一全奧氏體組織，在服役過程中，碳化物在晶界與境 內重新析出，大幅提高高溫條件下的組織穩定性，從而確保服役溫度達到1000~1250Γ的 超高溫度范圍。
【文檔編號】C22C33/04GK106086710SQ201610716464
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月24日
【發明人】胡小強, 欒義坤, 夏立軍, 李殿中, 鄭雷剛, 謝光陽
【申請人】胡小強, 欒義坤, 夏立軍, 李殿中, 鄭雷剛, 謝光陽