CN103540804B - 低成本耐热镍铬合金及制备方法与其制成的均热炉辊环和炉底辊 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低成本耐热镍铬合金，其成分为：Ni：50～55%，Cr：25～28%，C：0.3～0.4%，Si：1.0～2.0%，Mn：1.0～1.5%，Mo：0.5～0.8%，余量为Fe。还公开了一种低成本耐热镍铬合金制备方法，步骤如下：1）制作合金熔体；2）过热、脱氧处理和精炼；3）浇注。还公开了一种均热炉辊环，包括多块扇形辊环分节，辊环本体上设有环状插槽和销孔。还公开了一种使用该均热炉辊环装配而成的均热炉炉底辊，包括中空辊轴，中空辊轴外壁上设有环状轴肩，环状轴肩与扇形辊环分节的U形插槽嵌置配合，并通过销轴组件相连。本发明耐高温、抗氧化性能好、成本低廉，可广泛应用于高温合金零件制造领域。

Description

低成本耐热镍铬合金及制备方法与其制成的均热炉辊环和炉底辊

技术领域

本发明涉及钢铁材料制造领域，具体地指一种低成本耐热镍铬合金及制备方法与其制成的均热炉辊环和炉底辊。

背景技术

薄板坯连铸连轧短流程生产线是当今世界钢铁生产工艺中的一项重大革新技术，它实现了从钢水到成品连续的生产过程，表现在较纯净的炉外精炼钢水技术、无缺陷浇铸的连铸技术、成熟的板材连轧技术以及精确的计算机控制管理技术，而辊底式均热炉补充加热和缓冲等技术问题的成功解决，更是彻底解决了薄板坯生产中常见的连铸机与轧机之间衔接和匹配的问题，所以在世界范围内，连铸连轧短流程生产线渐已成为薄板坯生产的主流技术。由于这项技术具有生产过程紧凑、周期短、成材率高、能耗低、投资少、成本低、经济效益明显等一系列优点，也引起了国内许多钢铁企业的注意，并纷纷引进了该项技术，如武钢引进的CSP（CompactStripProduction，短流程炼钢轧钢）生产线，并已成为国内薄板坯生产的翘楚。

作为国内同行业薄板坯生产的龙头企业，武钢现有的CSP生产线共有两座均热（加热）炉，每座炉内有近200根均热炉炉底辊，每根均热炉炉底辊身上共有4圈耐热均热炉辊环，工作中均热炉辊环要承受加热炉内1150～1250℃的高温，并且这些均热炉辊环都是通过两个焊接脚将其直接焊接在中空辊轴侧壁上，而两个焊接脚的面积只有均热炉辊环表面积的五分之一，散热性不好，致使均热炉辊环成为整个加热炉机械设备中工作条件最为恶劣、也最易损坏的构件，这就要求均热炉辊环具备较高的抗氧化性和高温强度。在此情况下，均热炉辊环寿命多为1年半至2年左右，需求量极大。为了提高寿命，现有的CSP生产线采用钴基合金制造耐热均热炉辊环，（如一件公开号为CN102345037A、发明名称为“水冷炉辊辊环材料的制造方法”的中国专利申请公开了一种钴基合金，主要成分为：Co：49.36%，Cr：28%，C：0.22%，Si：1.4%，Mn：0.9%，余量为Fe和其他不可避免的杂质），希望利用钴基合金的高抗氧化性来满足工作要求，这虽然满足了部分使用要求，但钴是战略物资，不仅价格极为昂贵，而且由于国内生产能力不足，需要从国外大量进口，占用了大量的外汇，同时，高温性能仍显不足，亟待改善。对国内各薄板坯生产企业而言，为了打破国外的技术封锁，服务于国家进口替代战略，优化均热炉炉底辊的辊环材料及结构，研发满足大规模商业化的均热炉辊环及均热炉炉底辊制造技术已成为肩负的历史使命。

不仅钢铁企业轧钢生产线需要在加热炉内垫块和运送钢坯的均热炉炉底辊上大量用到高温合金，其他冶金或石化行业也都需要用到大量抗高温氧化性能优良的合金材料。目前国内用到的这类高温合金材料大都采用高合金铸钢制造，然而这些材料只能满足低于1150℃的生产环境。所以，急需研制一种成本低廉且高温性能优良的新材料，以满足工作温度达到1250℃左右的生产线之需。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种耐高温、抗氧化性能好、成本低廉且综合效能优良的低成本耐热镍铬合金及制备方法与其制成的均热炉辊环和炉底辊。

为实现上述目的，本发明所设计的低成本耐热镍铬合金，该镍铬合金各化学成分的重量百分比为：Ni：50～55%，Cr：25～28%，C：0.3～0.4%，Si：1.0～2.0%，Mn：1.0～1.5%，Mo：0.5～0.8%，余量为Fe和其他不可避免的杂质。

作为优选方案，该镍铬合金中各化学成分的重量百分比为：Ni：52%，Cr：25%，C：0.3%，Si：1.5%，Mn：1.0%，Mo：0.6%，余量为Fe和其他不可避免的杂质。

本发明所设计低成本耐热镍铬合金的制备方法，包括以下步骤：1）向感应电炉加入按上述重量百分比配好的镍、铁、铬、钼原料，熔化为镍铬合金熔体；2）将镍铬合金熔体过热到1550～1650℃，再加入按上述重量百分比配好的硅、锰原料，进行脱氧处理，除去表面熔渣之后，再将镍铬合金熔体的温度调到1500～1550℃进行精炼；3）除去精炼过的镍铬合金熔体表面熔渣，然后浇入铸模，浇注温度为1460～1520℃，得到耐热镍铬合金铸件。

作为优选方案，所述步骤2）中，控制镍铬合金熔体的过热温度为1580～1620℃，控制镍铬合金熔体的精炼温度为1520～1540℃。

进一步地，所述步骤3）中，控制浇注温度为1480～1500℃。

本发明所设计的采用低成本耐热镍铬合金制成的均热炉辊环，该辊环呈剖分组合式结构，包括多块用于围合成圆圈的扇形辊环分节，所述扇形辊环分节的内侧设置U形插槽，所述U形插槽的两边设置有销孔。

作为优选方案，所述扇形辊环分节设置有4～8块。

本发明所设计使用均热炉辊环装配而成的均热炉炉底辊，包括中空辊轴和多块用于围合成圆圈的扇形辊环分节，所述中空辊轴外壁上设置有环状轴肩，所述环状轴肩上设置有与扇形辊环分节的销孔相对应的轴向通孔，所述环状轴肩与扇形辊环分节的U形插槽嵌置配合，并通过贯穿对应轴向通孔和销孔的销轴组件连为一体。

作为优选方案，所述环状轴肩内圈设置有环状水槽，所述环状水槽两边与中空辊轴外壁密封焊接相连，所述中空辊轴外壁上开设有径向通孔，所述环状水槽通过径向通孔与中空辊轴内腔相连。

本发明的工作原理是这样的：具体而言，本发明实施了以下技术手段：

（1）采用镍铬合金铸造均热炉辊环，镍含量控制在50%～55%，在合金成分中不含元素Co，通过图5可以看出，镍铬合金金相组织均匀，晶粒圆整而细小，有利于提高辊环铸件的高温力学性能和抗氧化能力，既保证了合金具有好的高温强度和抗氧化性，相对于钴基合金又降低了成本；同时，将合金成分设计和传统铸造方法相结合，通过原材料、熔炼工艺和浇注工艺的合理选择，进一步提高了镍铬合金材料的抗氧化性能。

（2）通过扇形辊环分节上的U形插槽与设于中空辊轴上的环状轴肩之间的嵌置配合，增大了均热炉辊环与中空辊轴的接触面积，有利于散热，并通过流动在环状水槽至中空辊轴内腔中的流水，使均热炉辊环的冷却效果更好，有效降低了均热炉辊环的温度，提升了其耐热性能，延长了均热炉辊环的使用寿命；而且，扇形辊环分节与中空辊轴上的环状轴肩采用销轴连接，与现有均热炉辊环通过焊接脚直接焊接到中空辊轴的结构大为迥异。

综上所述，本发明的优点在于：将合金成分设计和传统铸造方法相结合，通过原材料、熔炼工艺、浇注工艺等的合理选择，有效地提高了镍铬合金材料的高温强度和抗氧化性能，该材料可广泛用于制造包括均热炉辊环在内的各种具有抗高温氧化性能的合金零件。同时，均热炉炉底辊的结构设计中通过增大扇形辊环分节和中空辊轴的接触面积以及利用流水散热，有效地降低了均热炉辊环表面温度，延长了均热炉辊环的使用寿命。

附图说明

图1为本发明组成均热炉辊环的扇形辊环分节的主视结构示意图；

图2为图1中的A-A剖视结构示意图；

图3为本发明使用均热炉辊环装配而成的均热炉炉底辊结构示意图；

图4为图3中的B-B剖视结构示意图；

图5为本发明低成本耐热镍铬合金的铸态金相组织示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：

参见图1至图2，本发明采用低成本耐热镍铬合金制成的均热炉辊环，该辊环呈剖分组合式结构，包括六块用于围合成圆圈的扇形辊环分节1，所述扇形辊环分节1的内侧设置U形插槽1.1，所述U形插槽1.1的两边设置有销孔1.2。

参见图3至图4，本发明使用均热炉辊环装配而成的均热炉炉底辊，包括六块用于围合成圆圈的扇形辊环分节1、中空辊轴2和环状轴肩3。

所述环状轴肩3设置于辊轴2外壁上，所述环状轴肩3设置有与扇形辊环分节1的销孔1.2相对应的轴向通孔3.1，所述环状轴肩3与扇形辊环分节1的U形插槽1.1嵌置配合，并通过贯穿对应轴向通孔3.1和销孔1.2的销轴组件（图中未示出）连为一体。所述环状轴肩3内圈设置有环状水槽3.2，所述环状水槽3.2两边与中空辊轴2外壁密封焊接相连，所述中空辊轴2外壁上开设有径向通孔2.1，所述环状水槽3.2通过径向通孔2.1与中空辊轴2内腔相连。

下面三个实施例将详述低成本耐热镍铬合金及其制备方法：

实施例1：

先将原料按制造扇形辊环分节1所需的重量百分比配好备用，随后将99.98%的纯Ni、0.06%C的微碳铬铁（含70%Cr）、99.9%的纯Fe以及钼铁（含70%Mo），投入感应电炉内，使其熔化为镍铬合金熔体；再将镍铬合金熔体过热到1550℃，并加入硅铁（含75%Si）及锰铁（含60%Mn）进行脱氧处理，得到所需的镍铬合金，其成分及重量百分比为Ni：50%，Cr：25%，C：0.3%，Si：1.0%，Mn：1.0%，Mo：0.5%，余量为Fe和其他不可避免的杂质，除去表面熔渣，再将镍铬合金熔体的温度调到1520℃进行精炼；除去精炼过的镍铬合金熔体表面熔渣，然后浇入扇形辊环分节1的铸模，浇注温度为1460℃，凝固后获得由耐热镍铬合金制成的扇形辊环分节1铸件。通过图5可以看出，镍铬合金金相组织均匀，晶粒圆整而细小，有利于提高均热炉辊环铸件的高温力学性能和抗氧化能力。

下面两个表格均以本实施例为例，以其中采用低成本耐热镍铬合金制成的均热炉辊环为检测对象分别表现了其高温强度和抗高温氧化性能：

表1所示实施例1的镍铬合金材料的室温及高温强度性能都非常良好；

表1镍铬合金材料的性能

试样序号	室温强度(MPa)	900℃高温强度(MPa)
			1	492	143
2	495	151
			3	489	142

表2所示实施例1的镍铬合金材料在空气介质下氧化100h后计算的平均氧化增重速率。根据HB5258-2000《钢及高温合金的抗氧化性测定方法》进行评定，高温合金的抗氧化等级分别为：完全抗氧化，抗氧化，次抗氧化，弱抗氧化，不抗氧化。本发明的合金即使在1200℃下也表现为抗氧化，具有好的抗高温氧化性能。

表2在空气介质下氧化100h后计算的平均氧化增重速率

温度/℃	氧化速率/[g/(m2.h)]	抗氧化级别
			1000	0.1054	完全抗氧化
1100	0.1482	抗氧化
			1200	0.1583	抗氧化

实施例2：

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：将镍铬合金熔体过热到1650℃，脱氧处理后得到的镍铬合金成分及重量百分比为Ni：55%，Cr：25%，C：0.3%，Si：2.0%，Mn：1.5%，Mo：0.8%，余量为Fe和其他不可避免的杂质，精炼温度调到1500℃进行；辊环分节4的浇注温度为1520℃。

实施例3：

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：将镍铬合金熔体过热到1600℃，脱氧处理后所得到的镍铬合金成分及重量百分比为Ni：52%，Cr：28%，C：0.4%，Si：1.5%，Mn：1.0%，Mo：0.6%，余量为Fe和其他不可避免的杂质，精炼温度调到1550℃进行；辊环分节4的浇注温度为1500℃。

Claims (7)

1.一种使用均热炉辊环装配而成的均热炉炉底辊，该辊环由低成本耐热镍铬合金制备而成，该镍铬合金中各化学成份的重量百分比为：Ni：50～55％，Cr：25～28％，C：0.3～0.4％，Si：1.0～2.0％，Mn：1.0～1.5％，Mo：0.5～0.8％，余量为Fe和其他不可避免的杂质，该辊环呈剖分组合式结构，包括多块用于围合成圆圈的扇形辊环分节(1)，所述扇形辊环分节(1)的内侧设置U形插槽(1.1)，所述U形插槽(1.1)的两边设置有销孔(1.2)，其特征在于：所述均热炉炉底辊包括中空辊轴(2)和多块用于围合成圆圈的扇形辊环分节(1)，所述中空辊轴(2)外壁上设置有环状轴肩(3)，所述环状轴肩(3)上设置有与扇形辊环分节(1)的销孔(1.2)相对应的轴向通孔(3.1)，所述环状轴肩(3)与扇形辊环分节(1)的U形插槽(1.1)嵌置配合，并通过贯穿对应轴向通孔(3.1)和销孔(1.2)的销轴组件连为一体。

2.根据权利要求1所述使用均热炉辊环装配而成的均热炉炉底辊，其特征在于：该镍铬合金中各化学成份的重量百分比为：Ni：52％，Cr：25％，C：0.3％，Si：1.5％，Mn：1.0％，Mo：0.6％，余量为Fe和其他不可避免的杂质。

3.根据权利要求1所述使用均热炉辊环装配而成的均热炉炉底辊，其特征在于：所述镍铬合金的制备方法包括以下步骤：

1)向感应电炉加入按上述重量百分比配好的镍、铁、铬、钼原料，熔化为镍铬合金熔体；

2)将镍铬合金熔体过热到1550～1650℃，再加入按上述重量百分比配好的硅、锰原料，进行脱氧处理，除去表面熔渣之后，再将镍铬合金熔体的温度调到1500～1550℃进行精炼；

3)除去精炼过的镍铬合金熔体表面熔渣，然后浇入铸模，浇注温度为1460～1520℃，得到耐热镍铬合金铸件。

4.根据权利要求3所述使用均热炉辊环装配而成的均热炉炉底辊，其特征在于：所述步骤2)中，控制镍铬合金熔体的过热温度为1580～1620℃，控制镍铬合金熔体的精炼温度为1520～1540℃。

5.根据权利要求3所述使用均热炉辊环装配而成的均热炉炉底辊，其特征在于：所述步骤3)中，控制浇注温度为1480～1500℃。

6.根据权利要求5所述使用均热炉辊环装配而成的均热炉炉底辊，其特征在于：所述扇形辊环分节(1)设置有4～8块。

7.根据权利要求6所述使用均热炉辊环装配而成的均热炉炉底辊，其特征在于：所述环状轴肩(3)内圈设置有环状水槽(3.2)，所述环状水槽(3.2)两边与中空辊轴(2)外壁密封焊接相连，所述中空辊轴(2)外壁上开设有径向通孔(2.1)，所述环状水槽(3.2)通过径向通孔(2.1)与中空辊轴(2)内腔相连。