CN103510019A - 一种提高铁铬铝电热合金使用寿命的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电热合金，具体而言为涉及一种利用热力学稳定性高的析出相提高铁铬铝电热合金使用寿命的方法。本发明通过向铁铬铝合金熔体中加入反应物与合金中的铝发生化学反应，形成高温下稳定的细小Al₂O₃颗粒，反应生成的Ti、B溶解进合金熔体中并在凝固时形成热稳定高的细小硼化物，这些Al₂O₃、硼化物颗粒在铁铬铝合金高温使用时可以阻止铁素体晶粒长大，同时又由于这些颗粒尺寸小、分布均匀，将不会明显影响铁铬铝合金的加工性能和电阻特性。

Description

一种提高铁铬铝电热合金使用寿命的方法

技术领域

本发明涉及电热合金，具体而言为涉及一种利用热力学稳定性高的析出相提高铁铬铝电热合金使用寿命的方法。

背景技术

电热材料是用于制造电发热体的电阻材料，电热合金是其中的重要一类，具有电阻率大、耐热疲劳，抗氧化和高温形状稳定性好等特点；我国每年生产的电热合金达万吨以上。电热合金主要有两大类：一类是铁素体组织的铁铬铝合金；另一类是奥氏体组织的镍铬合金；这两类合金由于组织结构不同，性能也不尽相同。但作为电热材料，它们各自具备一系列优点，因而均得到了大量生产和广泛使用；铁铬铝电热合金以铁为基，一般含12%～30%Cr、4%～8%Al，其余为Fe，电阻率高，最高使用温度可达1400℃，且成本低、原料来源广，但经高温长时间使用后变脆，不仅限制了使用范围，也缩短了使用寿命；因此，如能开发出高温使用后不严重变脆的铁铬铝电热合金将有重大意义。

国家发明专利（CN1122841，无脆性铁-铬-铝-稀土合金）提出通过加入稀土及W、Mo、Nb、Ta、Co等元素，改善铁铬铝高温脆化倾向，提高高温抗氧化性和使用寿命；国家发明专利（CN101538675，韧性铁-铬-铝铁素体电热合金的生产方法）则公开了一种韧性铁铬铝铁素体电热合金的生产方法，主要通过真空熔炼-高温真空精炼-还原造渣-降温凝固-升温脱氧-调质并均匀化-浇锭的工艺过程实现；该方法生产的产品不仅具有优异的耐蚀性能，还具有良好的韧性，使用寿命长。国家发明专利（CN102517503A，可塑性好且长寿命的铁铬铝合金）提出在铁铬铝合金中加入Ti、V，改善了合金的高温脆化倾向；但是，上述专利方法或者所添加合金元素均匀性不易控制，或者工艺过程比较复杂，尚有待进一步完善。

本发明的目的是提出一种利用热力学稳定性高的析出相阻止铁素体晶粒在高温时长大的方法，以提高铁铬铝电热合金的使用寿命。

发明内容

本发明提出一种提高铁铬铝电热合金使用寿命的方法，其原理是：通过向铁铬铝合金熔体中加入反应物与合金中的铝发生化学反应，形成高温下稳定的细小Al₂O₃颗粒，反应生成的Ti、B溶解进合金熔体中并在凝固时形成热稳定高的细小硼化物，这些Al₂O₃、硼化物颗粒在铁铬铝合金高温使用时可以阻止铁素体晶粒长大，同时又由于这些颗粒尺寸小、分布均匀，将不会明显影响铁铬铝合金的加工性能和电阻特性。

一种提高铁铬铝电热合金使用寿命的方法，其特征在于：将称量好的纯铁和金属铬一起真空熔炼，待达到指定熔化温度后保温足够时间得到铁铬合金熔体，经高温真空精炼、还原造渣、加铝脱氧，获得铁铬铝合金熔体，然后采用冲包法将按一定比例混合均匀的TiO₂和B₂O₃的复合粉末与铁铬铝合金熔体混合，一起加入到剩余的铁铬铝合金熔体中，保持20~30min以保证化学反应充分进行，然后调整铁铬铝合金熔体成分，并在盛钢桶中加入镧铈混合稀土，最后将温度升至1550~1590℃，控制浇锭。

所述的称量好的纯铁和金属铬是指，按金属铬占23.5~34.0wt.%，其余为纯铁进行配料，其中纯铁的碳含量控制在0.1wt.%以下。

所述的真空熔炼是指，在真空下熔炼纯铁和金属铬，不加保护性气氛，熔化期真空度控制在20~40Pa。

所述的指定熔化温度是指，铁铬合金熔体温度控制在1600~1650℃。

所述的保温足够时间是指，铁铬合金熔体达到指定熔化温度后保温30~50min。

所述的高温真空精炼是指，将铁铬合金熔体温度升至1620~1650℃，在1~3Pa的真空下，精炼15~20min，当真空度至20000~25000Pa时开始吹氧脱碳，当铁铬合金熔体中碳的含量降至0.03~0.05wt.%时停止吹氧，进行高真空沸腾，即在高真空下脱碳和高真空下脱氮，真空度50~100Pa时，沸腾时间20~30min。

所述的还原造渣是指，在铁铬合金熔体加入占熔体1.0wt.%的硅铁，同时加入2.5wt.%石灰、0.7wt.%萤石料造渣，真空度300~500Pa，还原时间10~15min，底吹搅拌。

所述的加铝脱氧是指，将铁铬合金熔体温度调整至1520~1550℃，加入占铁铬合金熔体4.0~6.0 wt.%的纯铝脱氧，真空度300~500Pa，脱氧时间5~10 min。

所述的按一定比例混合均匀的TiO₂和B₂O₃的复合粉末是指，将占铁铬铝合金熔体0.6~1.2wt.%的TiO₂粉末与占铁铬铝合金熔体0.5~1.0wt.%的B₂O₃粉末通过高能球磨均匀混合所获得的粉末。

所述的冲包法是指，将复合粉末置于经600~800℃、30~50min烘烤的钢包底部一侧，混合粉末上覆盖一层10mm厚的铁铬铝合金屑并捣实，铁铬铝合金熔体由钢包另一侧倒入，铁铬铝合金熔体质量为混合粉末质量的10~12倍；所述铁铬铝合金屑的成份满足：Cr=21.5~31.0%，Al=3.0~6.0%，Ti=0.35~0.70%，B=0.15~0.30%，C≤0.01%，Si≤0.1%，Mn≤0.08%，N≤0.05%，P≤0.030%，S≤0.030%，其余杂质≤0.05%，余量为Fe。

所述的调整铁铬铝合金熔体成分是指，通过添加纯铬、纯铁或/和纯铝，并结合采用脱碳、脱硫、脱磷方法，调整铁铬铝合金熔体中各元素的质量百分比为：Cr=21.5~31.0%，Al=3.0~6.0%，Ti=0.35~0.70%，B=0.15~0.30%，C≤0.01%，Si≤0.1%，Mn≤0.08%，N≤0.05%，P≤0.030%，S≤0.030%，其余杂质≤0.05%，余量为Fe。

所述的加入镧铈混合稀土是指，加入占铁铬铝合金熔体总质量0.50~0.55%的镧铈混合稀土，其中杂质含量≤0.20wt%。

本发明提出的方法成本低，由此生产的铁铬铝电热合金中Ti、B元素分布均匀，析出的颗粒尺寸细小、数量多，强化和阻止高温下铁素体晶粒长大的效果明显，材料塑性明显改善，使用寿命提高了30%以上。

附图说明

图1 经高温（1100℃）长时间（100h）使用后铁铬铝丝的显微组织。

具体实施方式

本发明可以根据以下实例实施，但不限于以下实例；在本发明中所使用的术语，除非有另外的说明，一般具有本领域普通技术人员通常理解的含义；应理解，这些实施例只是为了举例说明本发明，而非以任何方式限制本发明的范围；在以下的实施例中，未详细描述的各种过程和方法是本领域中公知的常规方法。

实施例1

本实施例具体实施一种提高铁铬铝电热合金使用寿命的方法，将纯铁和金属铬按金属铬占23.5wt.%，其余为纯铁进行配料，称量好后一起真空熔炼，不加保护性气氛，熔化期真空度控制在20Pa，待达到1600℃保温50min，进行高温真空精炼、还原造渣和加铝脱氧。

高温真空精炼时，将铁铬合金熔体温度升至1620℃，在1Pa的真空下，精炼20min，当真空度至20000Pa时开始吹氧脱碳，当铁铬合金熔体中碳的含量降至0.05wt.%时停止吹氧，进行高真空沸腾，即在高真空下脱碳和高真空下脱氮，真空度100Pa时，沸腾时间20min；经过高温真空精炼，在铁铬合金熔体加入占熔体1.0wt.%的硅铁，同时加入2.5wt.%石灰、0.7wt.%萤石料造渣，真空度500Pa，还原时间10min，底吹搅拌；然后将铁铬合金熔体温度调整至1520℃，加入纯铝脱氧，纯铝占铁铬合金熔体的4.0wt.%，真空度500Pa，脱氧时间5 min。

加铝脱氧后将占铁铬铝合金熔体0.6wt.%的TiO₂粉末与占铁铬铝合金熔体0.5wt.%的B₂O₃粉末通过高能球磨均匀混合，加入经过600℃、50 min预热的钢包，用复合粉末质量10倍的铁铬铝合金熔体经冲包法与复合粉末混合，一起加入到剩余的铁铬铝合金熔体中，保持20min以保证化学反应充分进行；冲包时，将混合粉末置于经充分烘烤的钢包底部一侧，混合粉末上覆盖一层10mm厚的铁铬铝合金屑，捣实，铁铬铝合金熔体由钢包另一侧倒入。

通过添加纯铬、纯铁，并结合采用脱碳、脱硫、脱磷方法，调整铁铬铝合金熔体中各元素的质量百分比为：Cr=21.5%，Al=3.0%，Ti=0.35%，B=0.15%，C≤0.01%，Si≤0.1%，Mn≤0.08%，N≤0.05%，P≤0.030%，S≤0.030%，其余杂质≤0.05%，余量为Fe；最后在盛钢桶中加入占铁铬铝合金熔体总质量0.50%的镧铈混合稀土，最后将温度升至1550℃，控制浇锭。

通过对铁铬铝丝经高温（1100℃）长时间（100h）使用前后的显微组织进行比较可以看出，由本发明获得的合金生产的铁铬铝丝经高温长时间使用后显微组织（见图1）依然细小均匀；经检测，由上述过程获得的合金生产的铁铬铝丝使用寿命比常规铁铬铝丝提高了35%。

实施例2

本实施例具体实施一种提高铁铬铝电热材料寿命的方法，将纯铁和金属铬按金属铬占34.0wt.%，其余为纯铁进行配料，称量好后一起真空熔炼，不加保护性气氛，熔化期真空度控制在40Pa，待达到1650℃保温30min后，进行高温真空精炼、还原造渣和加铝脱氧。

高温真空精炼时，铁铬合金熔体温度为1650℃，在3Pa的真空下，精炼15min，当真空度至25000Pa时开始吹氧脱碳，当铁铬合金熔体中碳的含量降至0.03wt.%时停止吹氧，进行高真空沸腾，即在高真空下脱碳和高真空下脱氮，真空度50Pa时，沸腾时间30min；经过高温真空精炼，在铁铬合金熔体加入占熔体1.0wt.%的硅铁，同时加入2.5wt.%石灰、0.7wt.%萤石料造渣，真空度300Pa，还原时间15min，底吹搅拌；然后将铁铬合金熔体温度调整至1550℃，加入纯铝脱氧，纯铝占铁铬合金熔体的6.0 wt.%，真空度300Pa，脱氧时间10min。

加铝脱氧后将占铁铬铝合金熔体1.2wt.%的TiO₂粉末与占铁铬铝合金熔体1.0wt.%的B₂O₃粉末通过高能球磨均匀混合加入经过800℃、30 min预热的钢包，用复合粉末质量12倍的铁铬铝合金熔体经冲包法与复合粉末混合，一起加入到剩余的铁铬铝合金熔体中，保持30min以保证化学反应充分进行；冲包时，将混合粉末置于经充分烘烤的钢包底部一侧，混合粉末上覆盖一层10mm厚的铁铬铝合金屑，捣实，铁铬铝合金熔体由钢包另一侧倒入。

通过添加纯铬、纯铁、纯铝，并结合采用脱碳、脱硫、脱磷方法，调整铁铬铝合金熔体中各元素的质量百分比为：Cr=31.0%，Al=6.0%，Ti=0.70%，B=0.30%，C≤0.01%，Si≤0.1%，Mn≤0.08%，N≤0.05%，P≤0.030%，S≤0.030%，其余杂质≤0.05%，余量为Fe；在盛钢桶中加入占铁铬铝合金熔体总质量0.53%的镧铈混合稀土，最后将温度升至1590℃，控制浇锭；经检测，由上述过程获得的合金生产的铁铬铝丝使用寿命比常规铁铬铝丝提高了32%。

实施例3

本实施例具体实施一种提高铁铬铝电热合金使用寿命的方法，将纯铁和金属铬按金属铬占30.0wt.%，其余为纯铁进行配料，称量好后一起真空熔炼，不加保护性气氛，熔化期真空度控制在30Pa；待达到1620℃保温40min后，进行高温真空精炼、还原造渣和加铝脱氧。

高温真空精炼时，铁铬合金熔体温度升至1640℃，在3Pa的真空下，精炼18min，当真空度至23000Pa时开始吹氧脱碳，当铁铬合金熔体中碳的含量降至0.04wt.%时停止吹氧，进行高真空沸腾，即在高真空下脱碳和高真空下脱氮，真空度80Pa时，沸腾时间25min；经过高温真空精炼，在铁铬合金熔体加入占熔体1.0wt.%的硅铁，同时加入2.5wt.%石灰、0.7wt.%萤石料造渣，真空度400Pa，还原时间13min，底吹搅拌；然后将铁铬合金熔体温度调整至1540℃，加入纯铝脱氧，纯铝占铁铬合金熔体的5.0 wt.%，真空度450Pa，脱氧时间8 min。

加铝脱氧后将占铁铬铝合金熔体0.9wt.%的TiO₂粉末与占钢水0.8wt.%的B₂O₃粉末通过高能球磨均匀混合，加入经过700℃、40 min预热的钢包，用复合粉末质量11倍的铁铬铝合金熔体经冲包法与复合粉末混合，一起加入到剩余的铁铬铝合金熔体中，保持25min以保证化学反应充分进行；冲包法是指，将混合粉末置于经充分烘烤的钢包底部一侧，混合粉末上覆盖一层10mm厚的铁铬铝合金屑，捣实，铁铬铝合金熔体由钢包另一侧倒入。

通过添加纯铬、纯铝，并结合采用脱碳、脱硫、脱磷方法，调整铁铬铝合金熔体中各元素的质量百分比为：Cr=29.0%，Al=5.0%，Ti=0.55%，B=0.25%，C≤0.01%，Si≤0.1%，Mn≤0.08%，N≤0.05%，P≤0.030%，S≤0.030%，其余杂质≤0.05%，余量为Fe；在盛钢桶中加入占铁铬铝合金熔体总质量0.52%的镧铈混合稀土，最后将温度升至1570℃，控制浇锭；经检测，由上述过程获得的合金生产的铁铬铝丝使用寿命比常规铁铬铝丝提高了38%。

实施例4

本实施例具体实施一种提高铁铬铝电热合金使用寿命的方法，将纯铁和金属铬按金属铬占34.0wt.%，其余为纯铁进行配料，称量好后一起真空熔炼，不加保护性气氛，熔化期真空度控制在40Pa；待达到1650℃保温30min后，进行高温真空精炼、还原造渣和加铝脱氧。

高温真空精炼时，铁铬合金熔体温度调至1630℃，在3Pa的真空下，精炼18min，当真空度至22000Pa时开始吹氧脱碳，当铁铬合金熔体中碳的含量降至0.03 wt.%时停止吹氧，进行高真空沸腾，即在高真空下脱碳和高真空下脱氮，真空度100Pa时，沸腾时间30min；经过高温真空精炼，在铁铬合金熔体加入占熔体1.0wt.%的硅铁，同时加入2.5wt.%石灰、0.7wt.%萤石料造渣，真空度400Pa，还原时间13min，底吹搅拌；然后将铁铬合金熔体温度调整至1550℃，加入纯铝脱氧，纯铝占铁铬合金熔体的5.0wt.%，真空度400Pa，脱氧时间10 min。

加铝脱氧后将占铁铬铝合金熔体1.2wt.%的TiO₂粉末与占铁铬铝合金熔体1.0wt.%的B₂O₃粉末通过高能球磨均匀混合，加入经过750℃、35 min预热的钢包，用复合粉末质量10倍的铁铬铝合金熔体经冲包法与复合粉末混合，一起加入到剩余的铁铬铝合金熔体中，保持28min以保证化学反应充分进行；冲包法是指，将混合粉末置于经充分烘烤的钢包底部一侧，混合粉末上覆盖一层10mm厚的铁铬铝合金屑，捣实，铁铬铝合金熔体由钢包另一侧倒入。

通过添加纯铬，并结合采用脱碳、脱硫、脱磷方法，调整铁铬铝合金熔体中各元素的质量百分比为：Cr=30.0%，Al=4.0%，Ti=0.50%，B=0.20%，C≤0.01%，Si≤0.1%，Mn≤0.08%，N≤0.05%，P≤0.030%，S≤0.030%，其余杂质≤0.05%，余量为Fe；并在盛钢桶中加入占铁铬铝合金熔体总质量0.55%的混合稀土，最后将温度升至1580℃，控制浇锭，经检测，由上述过程获得的合金生产的铁铬铝丝使用寿命比常规铁铬铝丝提高了33%。

Claims (9)

1.一种提高铁铬铝电热合金使用寿命的方法，其特征在于：将称量好的纯铁和金属铬一起真空熔炼，待达到指定熔化温度后保温足够时间得到铁铬合金熔体，经高温真空精炼、还原造渣、加铝脱氧，获得铁铬铝合金熔体，然后采用冲包法将按一定比例混合均匀的TiO₂和B₂O₃的复合粉末与铁铬铝合金熔体混合，一起加入到剩余的铁铬铝合金熔体中，保持20~30min以保证化学反应充分进行，然后调整铁铬铝合金熔体成分，并在盛钢桶中加入镧铈混合稀土，最后将温度升至1550~1590℃，控制浇锭。

2.如权利要求1所述的一种提高铁铬铝电热合金使用寿命的方法，其特征在于：所述的称量好的纯铁和金属铬是指，按金属铬占23.5~34.0wt.%，其余为纯铁进行配料，其中纯铁的碳含量控制在0.1wt.%以下。

3.如权利要求1所述的一种提高铁铬铝电热合金使用寿命的方法，其特征在于：所述的真空熔炼是指，在真空下熔炼纯铁和金属铬，不加保护性气氛，熔化期真空度控制在20~40Pa。

4.如权利要求1所述的一种提高铁铬铝电热合金使用寿命的方法，其特征在于：所述的指定熔化温度是指，铁铬合金熔体温度控制在1600~1650℃；所述的保温足够时间是指，铁铬合金熔体达到指定熔化温度后保温30~50min。

5.如权利要求1所述的一种提高铁铬铝电热合金使用寿命的方法，其特征在于：所述的高温真空精炼是指，将铁铬合金熔体温度升至1620~1650℃，在1~3Pa的真空下，精炼15~20min，当真空度至20000~25000Pa时开始吹氧脱碳，当铁铬合金熔体中碳的含量降至0.03~0.05wt.%时停止吹氧，进行高真空沸腾，即在高真空下脱碳和高真空下脱氮，真空度50~100Pa时，沸腾时间20~30min。

6.如权利要求1所述的一种提高铁铬铝电热合金使用寿命的方法，其特征在于：所述的还原造渣是指，在铁铬合金熔体加入占熔体1.0wt.%的硅铁，同时加入2.5wt.%石灰、0.7wt.%萤石料造渣，真空度300~500Pa，还原时间10~15min，底吹搅拌；所述的加铝脱氧是指，将铁铬合金熔体温度调整至1520~1550℃，加入占铁铬合金熔体4.0~6.0 wt.%的纯铝脱氧，真空度300~500Pa，脱氧时间5~10 min。

7.如权利要求1所述的一种提高铁铬铝电热合金使用寿命的方法，其特征在于：所述的按一定比例混合均匀的TiO₂和B₂O₃的复合粉末是指，将占铁铬铝合金熔体0.6~1.2wt.%的TiO₂粉末与占铁铬铝合金熔体0.5~1.0wt.%的B₂O₃粉末通过高能球磨均匀混合所获得的粉末；所述的冲包法是指，将复合粉末置于经600~800℃、30~50min烘烤的钢包底部一侧，混合粉末上覆盖一层10mm厚的铁铬铝合金屑并捣实，铁铬铝合金熔体由钢包另一侧倒入，铁铬铝合金熔体质量为混合粉末质量的10~12倍；所述铁铬铝合金屑的成份满足：Cr=21.5~31.0%，Al=3.0~6.0%，Ti=0.35~0.70%，B=0.15~0.30%，C≤0.01%，Si≤0.1%，Mn≤0.08%，N≤0.05%，P≤0.030%，S≤0.030%，其余杂质≤0.05%，余量为Fe。

8.如权利要求1所述的一种提高铁铬铝电热合金使用寿命的方法，其特征在于：所述的调整铁铬铝合金熔体成分是指，通过添加纯铬、纯铁或/和纯铝，并结合采用脱碳、脱硫、脱磷方法，调整铁铬铝合金熔体中各元素的质量百分比为：Cr=21.5~31.0%，Al=3.0~6.0%，Ti=0.35~0.70%，B=0.15~0.30%，C≤0.01%，Si≤0.1%，Mn≤0.08%，N≤0.05%，P≤0.030%，S≤0.030%，其余杂质≤0.05%，余量为Fe。

9.如权利要求1所述的一种提高铁铬铝电热合金使用寿命的方法，其特征在于：所述的加入镧铈混合稀土是指，加入占铁铬铝合金熔体总质量0.50~0.55%的镧铈混合稀土，其中杂质含量≤0.20wt%。

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