CN102758146B - 一种合金材料及使用该材料制造气化炉内开式小齿轮的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种合金材料，它是在合金钢30CrNiMo8中添加了适量的元素“钒”冶炼而成。采用该合金材料生产国产气化炉内使用的开式小齿轮时，除需要进行锻造、机加工处理外，在热处理工艺中，调质时回火温度需650-690℃，表面感应淬火时温度需890-900℃。本发明利用元素钒所具有特殊性能，冶炼出的合金材料强度、回火稳定性和耐磨性都有明显提高；由于合金元素钒能细化晶粒并提高淬透性，可使合金材料的晶粒度和末端淬透性得以提高一级；也使得制造的开式小齿轮的强度、回火稳定性和耐磨性均得以大大提高，与国外合金钢制造的小齿轮相比，成本未见提高，使用寿命可提高20%，完全满足在国产气化炉内使用的要求。

Description

一种合金材料及使用该材料制造气化炉内开式小齿轮的方法

技术领域

本发明涉及一种合金材料，本发明还涉及使用该合金材料制造碎煤加压气化炉内专用开式小齿轮的方法。

背景技术

近几年，我国在煤化工行业先后投资几百亿建造了煤制油、煤制气等清洁能源项目，其中所用的一个核心设备就是碎煤加压气化炉，即煤在气化炉内燃烧后再转化为气体，而煤在燃烧和气化时需要炉内一套炉蓖设备同时旋转工作，驱动炉蓖设备旋转的就是置于炉体内的开式齿轮副（速比6，模数32，小齿轮齿数10）。由于开式齿轮副需要在350-450℃的环境温度中工作（有时工作温度还会超过450℃），在这样高温、高粉尘的环境中工作，制造齿轮的合金材料的选择以及后续的加工工艺就成为一个非常重要的问题。普通硬齿面齿轮用钢材在环境温度达到350-450℃时，强度会很快下降，因为普通硬齿面齿轮淬火后的回火温度在200℃以下，当温度升高到400℃时，表面硬度在高温回火状态下急剧下降，会很快失效。

我国最早使用的碎煤加压气化炉成套设备是引进外国的，但很快就国产化了。由于我国煤质及设备工艺水平与国外有些差异，致使我国气化炉内的压力要比国外偏高，负荷偏大，这样就对炉内使用的开式齿轮副（特别是开式小齿轮）的强度及耐热性提出了更高的要求。

目前国外同类型设备中的开式小齿轮采用的是强度较高且又具有一定耐热性的合金钢30CrNiMo8（德国标准材料牌号），但国外设备中限定开式小齿轮的工作温度不超过400℃，所以由合金钢30CrNiMo8制造的开式小齿轮不能完全满足在国内气化炉内使用的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种耐热性及强度均较高的合金材料，本发明还提供了使用该合金材料制造碎煤加压气化炉内专用的开式小齿轮的方法，生产的成品开式小齿轮强度、回火稳定性和耐磨性均可满足国产气化炉内的使用要求。

为实现上述目的，本发明可采取下述技术方案：

本发明所述的合金材料，其主要化学成分为：碳元素0.26-0.34%，铬元素1.8-2.2%，钼元素0.3-0.5%，镍元素1.8-2.2%，钒元素0.1-0.2%。

使用上述合金材料制造碎煤加压气化炉内专用开式小齿轮的方法，包括对冶炼而成的上述合金圆钢材料进行的锻造、机加工、热处理等工艺步骤；

对合金圆钢材料的锻造工艺包括：原料检查、探伤---锯切下料---加热---锻造---锻后正火、回火处理；

其中加热工序要求为：将锯切后的圆钢工件入室状炉加热，首先加热2小时到650°C，保温2小时；继续加热2小时至850°C，保温2小时；再继续加热2小时至1220°C，保温3—3.5小时出炉锻造；

锻造时，要求镦粗比≥2.5，总变形≥6.5；开锻温度为1220℃，终锻温度为880℃；

锻后正火时：先升温1小时至650℃，保温2小时后再升温1小时至880℃，保温6小时后吹风冷却；回火时，先升温1小时至670℃，保温9小时后出炉空气冷却；

所述热处理工艺包括调质处理和表面感应淬火处理：

调质处理时，将粗加工后的齿轮工件于450-550℃入炉，升温至650℃后保温3小时；然后再继续升温至890-900℃，保温5小时后取出用油淬火，然后再于470-500℃入炉，升温至650-690℃后保温8小时，将工件取出自然冷却即可；

表面感应淬火时，先将精加工后的齿轮工件表面加热至890-900℃时油淬，然后回火，回火温度350-400℃，保温5-7小时后自然冷却即可。

本发明的优点在于利用元素钒所具有特殊性能，将其按照科学的比例添加在合金钢30CrNiMo8中，冶炼出的合金材料的强度、回火稳定性和耐磨性都有明显提高；另外由于合金元素钒能细化晶粒并提高淬透性，使本发明的合金材料的晶粒度比合金钢30CrNiMo8至少提高一级，末端淬透性也至少比合金钢30CrNiMo8提高一级，本发明合金材料在深度100mm处调质硬度几乎没有改变，用于制作气化炉内使用的开式小齿轮时（开式小齿轮的模数为32，齿深不到80mm），可省去调质前预开槽工序，节约了机加工时间。同时由于合金元素“钒”在我国资源丰富价格又较为低廉，所以材料成本提高甚微。

具体实施方式

本发明所述的合金材料，其主要化学成分为：碳元素0.26-0.34%，铬元素1.8-2.2%，钼元素0.3-0.5%，镍元素1.8-2.2%，钒元素0.1-0.2%。

使用上述合金材料制造碎煤加压气化炉内专用开式小齿轮的方法，包括对冶炼而成的上述合金圆钢材料进行的锻造、机加工、热处理等工艺步骤；

对合金圆钢材料的锻造工艺包括：原料检查、探伤---锯切下料---加热---锻造---锻后正火、回火处理；

其中加热工序要求为：将锯切后的圆钢工件入室状炉加热，首先加热2小时到650°C，保温2小时；继续加热2小时至850°C，保温2小时；再继续加热2小时至1220°C，保温3—3.5小时出炉锻造；

锻造变形时，按下述步骤进行：镦粗—拔长—镦粗—横向展宽—横向镦粗、纵向拔长—滚圆、压印—锻打成型；锻造过程中要求镦粗比≥2.5，总变形≥6.5；开锻温度为1220℃，终锻温度为880℃；

锻后正火时：将锻打件空气冷却至300℃以下入电炉，先升温1小时至650℃，保温2小时后再升温1小时至880℃，保温6小时后吹风冷却；回火时，先升温1小时至670℃，保温9小时后出炉空气冷却。

机加工工艺可去除调质前预开槽工序，其余按常规工艺进行。

热处理工艺包括调质处理和表面感应淬火处理：

调质处理时，将粗加工后的齿轮工件于450-550℃入炉，升温至650℃后保温3小时；然后再继续升温至890-900℃，保温5小时后取出用油淬火，然后再于470-500℃入炉，升温至650-690℃后保温8小时，将工件取出自然冷却即可；

表面感应淬火时使用中频感应淬火机床，先将精加工后的工件表面加热至890-900℃时油淬，然后回火，回火温度350-400℃，保温5-7小时后自然冷却即可。

本发明的合金圆钢材料是在合金钢30CrNiMo8中添加了适量的元素“钒”冶炼而成。

本发明合金圆钢材料的冶炼工艺为：

 a  选料：选清洁、少锈、杂质低的优质废钢料，其他原料、渣料和添加的合金料需要在300-700℃温度下烘烤4小时以上。并且要求其中所含的铅、锡、砷、锑、铋等五害元素均不大于0.02%，五害元素含量的总和小于0.045%；

b  炉内气体要求：氢气≤2 ppm；氧气≤20 ppm；氮气≤70ppm；

c  氧化期：氧化温度≥1550℃，脱碳量≥0.40%；

d  精炼炉精炼：白渣保持时间≥15分钟，温度1650℃以上抽真空精炼；

e  真空炉处理：氩气搅拌正常条件下，真空度要求67Pa以下，保持时间≥15分钟；

f  浇注：温度1550-1560℃；浇注速度（针对本发明制造的开式小齿轮）：锭身2.5-3分钟，冒口1.5-2分钟；

g  缓冷：20小时；

h  电渣重熔：结晶器Φ440/Φ480mm；电极坯Φ310/Φ340mm；二元渣系CaF₂ 70%，Al₂O₃ 30% ；渣量70Kg；熔化率340—360Kg/h；起弧电压58—60V；起弧电流6000—11000A；加Al粉20克/5分钟；模冷45—60分钟；缓冷72小时。

本发明冶炼的合金钢与合金钢30CrNiMo8的主要成分对照见表1：

表1

	C（碳）%	Cr（铬）%	Mo（钼）%	Ni（镍）%	V（钒）%
						30CrNiMo8	0.26—0.34	1.8—2.2	0.3—0.5	1.8—2.2	——
本发明合金钢	0.26—0.34	1.8—2.2	0.3—0.5	1.8—2.2	0.1—0.2

本发明冶炼的合金钢与合金钢30CrNiMo8的强度对照见表2：

表2

采用本发明合金钢与合金钢30CrNiMo8生产的开式小齿轮热处理调质温度对照见表3：

表3

	淬火温度	回火温度
			30CrNiMo8	860°C——880°C	540°C——570°C
本发明合金钢	890°C——900°C	650°C——690°C

本发明合金钢与合金钢30CrNiMo8生产的模拟试样表面感应淬火后在不同高温下回火硬度实测数据对照见表4：

表4

 

本发明合金钢与合金钢30CrNiMo8生产的模拟试样表面感应淬火后硬层深度和硬度对比见表5：

表5

结论：

在国外同类型设备中使用的开式小齿轮采用的合金钢30CrNiMo8的配方基础上添加了合金元素“钒”，即得到了国产碎煤加压气化炉内使用的开式小齿轮所要求的合金钢，由于元素钒所具有的特殊性能（细化晶粒、提高材料淬透性、提高回火稳定性、提高强度和硬度等），使冶炼而成的新的合金材料的末端淬透性更高，调质处理和中频感应淬火后硬层更深，节省了开式小齿轮调质前开槽的机加工工序，也使得本发明制造出的开式小齿轮的强度、回火稳定性和耐磨性均得以大大提高，与原合金钢制造的开式小齿轮相比，成本未见提高（本发明材料增加的成本可与节省机加工开槽工序成本相抵），使用寿命可提高20%，完全满足在国产气化炉内使用的要求。

Claims (1)

1.使用合金材料制造碎煤加压气化炉内专用开式小齿轮的方法，包括对冶炼而成的合金圆钢材料进行的锻造、机加工、热处理工艺步骤；其特征在于：

所述合金材料的主要化学成分为：碳元素0.26-0.34%，铬元素1.8-2.2%，钼元素0.3-0.5%，镍元素1.8-2.2%，钒元素0.1-0.2%；

所述合金圆钢材料的锻造工艺包括：原料检查、探伤---锯切下料---加热---锻造---锻后正火、回火处理；

其中加热工序要求为：将锯切后的圆钢工件入室状炉加热，首先加热2小时到650°C，保温2小时；继续加热2小时至850°C，保温2小时；再继续加热2小时至1220°C，保温3—3.5小时出炉锻造；

锻造时，要求镦粗比≥2.5，总变形≥6.5；开锻温度为1220℃，终锻温度为880℃；

锻后正火时：先升温1小时至650℃，保温2小时后再升温1小时至880℃，保温6小时后吹风冷却；回火时，先升温1小时至670℃，保温9小时后出炉空气冷却；

所述热处理工艺包括调质处理和表面感应淬火处理：

调质处理时，将粗加工后的齿轮工件于450-550℃入炉，升温至650℃后保温3小时；然后再继续升温至890-900℃，保温5小时后取出用油淬火，然后再于470-500℃入炉，升温至650-690℃后保温8小时，将工件取出自然冷却即可；

表面感应淬火时，先将精加工后的齿轮工件表面加热至890-900℃时油淬，然后回火，回火温度350-400℃，保温5-7小时后自然冷却即可。