CN102373385B

CN102373385B - 一种低镍奥氏体耐热铸钢及其熔炼方法

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Publication number: CN102373385B
Application number: CN 201010254238
Authority: CN
Inventors: 刘智勇; 赵忠刚; 李爱民; 李宁; 岳景东; 林静; 萨仁格日乐; 孙玲玲
Original assignee: SHENYANG KEJIN SPECIAL MATERIAL CO Ltd
Current assignee: SHENYANG KEJIN SPECIAL MATERIAL CO Ltd
Priority date: 2010-08-16
Filing date: 2010-08-16
Publication date: 2013-08-21
Anticipated expiration: 2030-08-16
Also published as: CN102373385A

Abstract

一种低镍奥氏体耐热铸钢及其熔炼方法，其特点是按重量百分比计，该耐热铸钢组份为： C ： 0.70 ～ 1.0 ， Si ： 2.50 ～ 3.50 ， Mn ： 12.0 ～ 14.0 ， Cr ： 19.0 ～ 22.0 ， Ni ： 0.4 ～ 1.0 ， N ： 0.35 ～ 0.50 ，铁及不可避免的残余元素：余量；其熔炼方法为：原料准备；装料；化料；硅钙及稀土脱氧；磁场搅拌；最终硅钙脱氧和浇注铸锭。本发明采用中频感应炉熔炼、优化耐热铸钢成分、调整熔炼功率、电磁搅拌 + 氩气保护精炼以及硅钙＋稀土联合脱氧的方法熔炼低镍奥氏体耐热铸钢，通过调整低镍奥氏体耐热铸钢中 C 、 N 、 Mn 元素的含量及配比来达到既降低镍含量、又能形成稳定的单相奥氏体组织的目的。

Description

一种低镍奥氏体耐热铸钢及其熔炼方法

技术领域

本发明涉及一种耐热铸钢及其熔炼方法,特别是涉及一种低镍奥氏体耐热铸钢及其熔炼方法,属于钢铁冶炼技术领域。

背景技术

耐热铸钢具有良好的高温强度及抗高温氧化性能，在高温加热炉及锅炉设备等耐热领域的应用十分广泛。为提高耐热铸钢的使用温度和抗高温氧化能力，在1000°C以上使用的耐热铸钢中通常都含有较高比例的Cr，同时添加较多的贵金属Ni，以达到扩大奥氏体相区和稳定奥氏体的目的。如目前在电厂锅炉燃烧器喷嘴中常用的4Cr25Ni20Si2钢（简称25-20钢）中即含有约25％（重量百分比）的Cr和约20％（重量百分比）的Ni。我国是一个缺少Ni资源的国家，Ni的使用量又非常巨大，而生产用Ni的价格长期受国外的影响与控制，波动较大，导致产品成本增加，这是限制我国耐热铸钢生产的一个瓶颈问题。因此，从减少Ni的用量、降低产品成本的角度出发，发展低镍奥氏体耐热铸钢，取代或部分取代目前的高镍耐热铸钢，具有十分可观的经济与社会效益。

发明内容

本发明的目的就在于克服现有技术存在的上述不足, 提供一种低镍奥氏体耐热铸钢及其成分设计和熔炼方法，采用该成分设计和熔炼方法制备的耐热铸钢，其Ni含量0.4～1.0％（重量百分比），同时具有较佳的力学性能和抗高温氧化能力，在≤1250℃、保温48小时后水冷的条件下无龟裂发生，适用于制作炉底板、炉门、加热炉台车护板等产品。

本发明给出的技术解决方案是：这种低镍奥氏体耐热铸钢，其特点是按重量百分比计，其组成份如下。

C：0.70～1.0，Si：2.50～3.50，Mn：12.0～14.0，Cr：19.0～22.0，Ni：0.4～1.0，N：0.35～0.50，铁及不可避免的残余元素：余量。

为更好的实现本发明的目的, 按重量百分比计，所述低镍奥氏体耐热铸钢中不可避免的残余元素硫含量控制在≤0.030％、不可避免的残余元素磷含量控制在≤0.035％。

为更好的实现本发明的目的, 按重量百分比计，所述低镍奥氏体耐热铸钢中不可避免的残余元素铝含量控制在≤0.015％、不可避免的残余元素钛含量控制在≤0.015％。

本发明给出的这种低镍奥氏体耐热铸钢熔炼方法，其特点是包括有以下步骤：（1）以采用工业纯铁、电解镍、电解锰、高碳铬铁合金、硅铁为原材料，采用中频感应炉进行熔炼；（2）装料，将原材料装入中频感应炉，同时装入按炉料重量百分比计0.1～0.3%的稀土，用于钢液脱氧；（3）化料，化料期间中频感应炉的熔炼功率控制在1000 ～1200KW范围内；（4）硅钙及稀土脱氧，待原料全部熔化后，加入氮化铬，并控制此时中频感应炉的熔炼功率在500～700KW范围内，熔化氮化铬期间继续利用Si-Ca及稀土进行钢液脱氧；（5）磁场搅拌，利用中频感应炉对钢液进行磁场搅拌，促进钢液成分均匀及夹杂物上浮；（6）最终硅钙脱氧，熔炼后期加入硅钙粉对熔渣进行扩散脱氧，还原渣中相对不稳定的化合物（例如Cr ₂ O ₃ ）；（7）浇注铸锭，浇铸时钢液过热度50～180℃，同时对钢包吹氩搅拌以促进钢液成分均匀及夹杂物上浮，低镍奥氏体耐热铸钢在≤1250℃、保温48小时后水冷的条件下无龟裂发生，即为质量合格产品，适用于制作炉底板、炉门、加热炉台车护板等；其中整个熔炼过程中均采用氩气保护。

本发明采用中频感应炉熔炼、优化耐热铸钢成分、调整熔炼功率、电磁搅拌+氩气保护精炼以及硅钙＋稀土联合脱氧的方法熔炼低镍奥氏体耐热铸钢。通过调整低镍奥氏体耐热铸钢中C、N、Mn元素的含量及配比来达到既降低镍含量、又能形成稳定的单相奥氏体组织的目的；此外，通过N的加入使其在低镍奥氏体耐热铸钢中与Cr形成Cr ₂ N型氮化物，达到抑制晶界碳化物析出，提高低镍奥氏体耐热铸钢抗高温氧化性能；一方面通过硅钙、电解Mn及稀土进行联合脱氧，另一方面通过中频感应炉的磁场搅拌和浇注过程中钢包吹氩搅拌促进钢液成分均匀及夹杂物上浮，达到降低氧化夹杂含量、保证低镍奥氏体耐热铸钢纯净度的目的；通过氩气保护使低镍奥氏体耐热铸钢在熔炼过程中免受渣池辐射热氧化，同时兼有减少钢液中N流失的作用；通过熔炼后期加入硅钙粉对熔渣进行扩散脱氧，还原渣中相对不稳定的化合物（例如Cr ₂ O ₃ ），达到有效地把贵重的合金元素还原回钢液中的目的。通过以上方法，可降低低镍奥氏体耐热铸钢中的Ni含量、保证其力学及抗高温抗氧化性能。

本发明与现有技术相比,其有益效果是：1.本发明通过调整C、N、Mn的含量及配比降低耐热铸钢中的镍含量，达到减少贵金属镍的用量，以降低产品成本的目的，同时又能形成稳定的单相奥氏体组织，保证耐热钢的力学及抗高温氧化性能；2.本发明通过N的加入使其在耐热铸钢中与Cr形成Cr ₂ N型氮化物，抑制晶界碳化物析出，提高耐热铸钢抗高温氧化性能；3.本发明通过熔炼过程中全程氩气保护、硅钙、电解锰及稀土的联合脱氧，以及磁场搅拌和浇注过程中钢包吹氩搅拌等方法，实现降低氧化夹杂含量、保证耐热铸钢纯净度的目的；4.采用本发明中的成分设计和熔炼方法制备的低镍奥氏体耐热铸钢，其室温屈服强度(s _0.2 )高于620～650MPa、抗拉强度高于690～710MPa，延伸率高于8～10％、断面收缩率高于40～45％，同时具有良好、稳定的抗高温氧化性能，在≤1250℃、保温48小时后水冷的条件下无龟裂发生。

具体实施方式

实施例1：0.7wt.％镍奥氏体耐热铸钢及其熔炼方法。

采用5t中频感应炉熔炼低镍奥氏体耐热铸钢，熔炼全程采用氩气保护，铸钢化学成分见表1，其制备过程为：原材料为工业纯铁、电解镍、电解锰、高碳铬铁合金、硅铁等常规原料；2.将上述原材料及0.1～0.3%的稀土（本实施例为0.2%）装入5t中频感应炉进行熔炼；3.所述的低镍奥氏体耐热铸钢熔炼中，熔炼功率在500～1200KW范围内（本实施例为800KW），化料期间熔炼功率在1000～1200KW范围内（本实施例为1000KW）；4.待步骤3中的原料全部化清后，分多批少量加入氮化铬，并控制此时的熔炼功率在500～700KW范围内（本实施例为600KW），熔化氮化铬期间继续利用Si-Ca及稀土进行钢液脱氧；5.所述的低镍奥氏体耐热铸钢熔炼中，熔炼期间利用中频感应炉的磁场搅拌和浇注过程中钢包吹氩搅拌促进钢液成分均匀及夹杂物上浮；6.所述的低镍奥氏体耐热铸钢熔炼中，熔炼后期加入硅钙粉对熔渣进行扩散脱氧，还原渣中相对不稳定的化合物（例如Cr ₂ O ₃ ）；7.待步骤6完成后，进行铸锭浇铸，浇铸时钢液过热度在50～180℃（本实施例为90℃）；8.待步骤7完成后，在铸锭上取样，按GB/T 228-2002 《金属材料室温拉伸试验方法》进行力学性能测试，结果见表2；9.待步骤7完成后，在铸锭上取样进行铸钢的高温氧化性能测试，实验温度为1150℃～1300℃，实验条件及实验数据见表3。

表1 耐热铸钢的化学成分（wt.％）

C	Si	Ni	Cr	Mn	Al	Ti	N	P	S	Fe
											0.85	3.03	0.69	20.61	13.11	0.008	0.004	0.389	0.028	0.004	余

表2 耐热铸钢的力学性能

编号	σ_b/MPa	σ_0.2 /MPa	δ/％	Ψ/%	备注
						1	690	645	10.0	48.0
2	700	670	9.0	45.5
						3	695	660	9.0	46.0

表3 耐热铸钢的高温氧化实验条件及测试结果

序号	温度	保温时间	实验前重量	实验后重量	备注
						1	1150℃	48h，水冷	116.112g	115.949g	无龟裂
2	1200℃	48h，水冷	116.089g	115.829g	无龟裂
						3	1250℃	48h，水冷	116.175g	115.786g	无龟裂
4	1300℃	48h，水冷	116.134g	115.521g	棱角微小熔化

实验结果表明，所制备0.7wt.％镍奥氏体耐热铸钢的抗拉强度高于690MPa、屈服强度高于645MPa、延伸率高于9.0％、断面收缩率高于45.5％；在≤1250℃、保温48h、水冷后，整个试样未出现龟裂现象；在实验条件为1300℃、保温48h、水冷后，试样的棱角处有微小的熔化现象。

实施例2：0.8wt.％镍奥氏体耐热铸钢及其熔炼方法。

与实施例1不同之处在于，所制备的奥氏体耐热铸钢中含有0.8wt.％的镍。

采用5t中频感应炉，以工业纯铁、电解镍、电解锰、高碳铬铁合金、硅铁等为原料熔炼低镍奥氏体耐热铸钢，熔炼全程采用氩气保护。将原料及0.2%的稀土装入中频感应炉中，选用850KW熔炼功率进行铸钢熔炼，化料期间熔炼功率在1100KW。待原料全部化清后，分多批少量加入氮化铬，并控制此时的熔炼功率为600KW，熔化氮化铬期间继续利用Si-Ca及稀土进行钢液脱氧。熔炼期间利用中频感应炉的磁场搅拌和浇注过程中钢包吹氩搅拌促进钢液成分均匀及夹杂物上浮。熔炼后期加入硅钙粉对熔渣进行扩散脱氧，还原渣中相对不稳定的化合物（例如Cr ₂ O ₃ ）。进行铸锭浇铸，浇铸时钢液过热度为80℃。低镍奥氏体耐热铸钢的化学成分见表4。

按与实施例1相同的方法进行耐热铸钢的力学性能和抗高温氧化性能测试，检测结果分别见表5和表6。

表4 耐热铸钢的化学成分（wt.％）

C	Si	Ni	Cr	Mn	Al	Ti	N	P	S	Fe
											0.82	3.06	0.81	20.16	13.05	0.010	0.006	0.412	0.025	0.004	余

表5 耐热铸钢的力学性能

编号	σ_b/MPa	σ_0.2 /MPa	δ/％	Ψ/%	备注
						1	695	650	10.0	47.0
2	705	670	9.5	45.0
						3	695	660	9.0	46.5

表6 耐热铸钢的高温氧化实验条件及测试结果

序号	温度	保温时间	实验前重量	实验后重量	备注
						1	1150℃	48h，水冷	116.134g	115.953g	无龟裂
2	1200℃	48h，水冷	116.106g	115.748g	无龟裂
						3	1250℃	48h，水冷	116.234g	115.812g	无龟裂
4	1300℃	48h，水冷	116.233g	115.569g	棱角微小熔化

实验结果表明，所制备0.8wt.％镍奥氏体耐热铸钢的抗拉强度高于695MPa、屈服强度高于650MPa、延伸率高于9.0％、断面收缩率高于45.0％；在≤1250℃、保温48h、水冷后，整个试样未出现龟裂现象；在实验条件为1300℃、保温48h、水冷后，试样的棱角处有微小的熔化现象。

实验表明，采用本发明技术方案的工艺参数范围内，均可实现本发明目的，所制备的低镍奥氏体耐热铸钢屈服强度(s _0.2 )高于620～650MPa、抗拉强度高于690～710MPa，延伸率高于8～10％、断面收缩率高于40～45％，同时具有良好、稳定的抗高温氧化性能，在≤1250℃、保温48小时后水冷的条件下无龟裂发生。

Claims

1.一种低镍奥氏体耐热铸钢的熔炼方法，其特征在于包括有以下步骤：

（1）以采用工业纯铁、电解镍、电解锰、高碳铬铁合金、硅铁为原材料，采用中频感应炉进行熔炼；

（2）装料，将原材料装入中频感应炉，同时装入按炉料重量百分比计0.1～0.3%的稀土，用于钢液脱氧；

（3）化料，化料期间中频感应炉的熔炼功率控制在1000 ～1200KW范围内；

（4）硅钙及稀土脱氧，待原料全部熔化后，加入氮化铬，并控制此时中频感应炉的熔炼功率在500～700KW范围内，熔化氮化铬期间继续利用Si-Ca及稀土进行钢液脱氧；

（5）磁场搅拌，利用中频感应炉对钢液进行磁场搅拌，促进钢液成分均匀及夹杂物上浮；

（6）最终硅钙脱氧，熔炼后期加入硅钙粉对熔渣进行扩散脱氧，还原渣中相对不稳定的化合物；

（7）浇注铸锭，浇铸时钢液过热度50～180℃，同时对钢包吹氩搅拌以促进钢液成分均匀及夹杂物上浮，低镍奥氏体耐热铸钢在≤1250℃、保温48小时后水冷的条件下无龟裂发生，即为质量合格产品, 质量合格的低镍奥氏体耐热铸钢按重量百分比计，其组成份为：

C：0.82～0.85，Si：3.03～3.06，Mn：13.05～13.11，Cr：20.16～20.61，

Ni：0.69～0.81，N：0.389～0.412，S: 0.004, P: 0.025～0.028,

Al: 0.008～0.010, Ti: 0.004～0.006,铁：余量；

其中整个熔炼过程中均采用氩气保护。