CN104164625B - 一种用于高温工况下耐氯腐蚀的耐热钢及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于高温工况下的耐氯腐蚀的耐热钢及其使用方法，其化学成分为(质量％)：C：0.1～0.5％，Si：0.5～2.5％，Mn：0.1～2.0％，Cr：20.0～30.0％，Ni：14.0～25.0％，W：1.0～4.0％，Mo：0.5～2.5％，Al：2.0～5.0％，V：0.1～1.0％，Nb：0.05～0.5％，Ti：0.05～0.3％，S+P≤0.03％，其余为Fe和不可避免的杂质。在制作工件的过程中，在毛坯件时进行退火热处理：退火温度820～850℃，每10mm厚保温1小时，油冷；工件在粗加工之后，精加工之前，进行固溶+低温回火热处理：固溶温度1030～1100℃，每15mm厚保温1小时，水冷，回火温度200～220℃，每10mm厚保温1.5～2小时，空冷。特别适用于水泥生产用预热器设备的旋风筒内筒的挂片。
Description
技术领域
本发明涉及一种耐热钢，特别涉及一种在高温工况下(850～950℃)耐氯腐蚀的耐热钢及其使用方法。
背景技术
随着水泥工业的发展以及国家对环境保护的要求，水泥厂生产使用的原材料越来越多样化，其中电石渣成为主要原材料之一。由于电石渣中含氯元素成分较高，导致预热器设备旋风筒的内部氯元素含量在3％左右，远高于使用常规原料旋风筒内部的氯含量(通常在0.2％左右),导致预热器设备中旋风筒的内筒挂片零件腐蚀较为严重，不能够满足正常生产需求。目前，使用在高温工况(850～950℃)的挂片材料为ZG40Cr25Ni20Si2，在氯腐蚀环境中使用寿命不足6个月，和1年的使用寿命要求相比，相差较大。因此，研发一款在高温工况下耐氯腐蚀的耐热钢势在必行。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够在850～900℃高温工况下耐氯腐蚀的耐热钢及其使用方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种用于高温工况下耐氯腐蚀的耐热钢，按质量百分比，包括以下成分：C：0.1～0.5％，Si：0.5～2.5％，Mn：0.1～2.0％，Cr：20.0～30.0％，Ni：14.0～25.0％，W：1.0～4.0％，Mo：0.5～2.5％，Al：2.0～5.0％，V：0.1～1.0％，Nb：0.05～0.5％，Ti：0.05～0.3％，S+P≤0.03％，其余为Fe和不可避免的杂质。
优选，按质量百分比，包括以下成分：C：0.2～0.4％，Si：1.0～2.0％，Mn：0.3～1.5％，Cr：22.0～28.0％，Ni：16.0～22.0％，W：1.8～3.5％，Mo：0.8～2.0％，Al：3.0～4.5％，V：0.2～0.6％，Nb：0.1～0.4％，Ti：0.1～0.25％，S≤0.01％，P≤0.02％，其余为Fe和不可避免的杂质。
更优选，按质量百分比，包括以下成分：C：0.25～0.35％，Si：1.0～1.5％，Mn：0.5～1.0％，Cr：23.0～26.0％，Ni：18.0～21.0％，W：2.2～3.0％，Mo：1.0～1.5％，Al：3.5～4.3％，V：0.25～0.35％，Nb：0.25～0.35％，Ti：0.12～0.2％，S≤0.01％，P≤0.02％，其余为Fe和不可避免的杂质。
最优选，按质量百分比，包括以下成分：C：0.3％，Si：1.2％，Mn：0.8％，Cr：24.5％，Ni：19.5％，W：2.8％，Mo：1.2％，Al：4.2％，V：0.3％，Nb：0.3％，Ti：0.15％，S≤0.01％，P≤0.02％，其余为Fe和不可避免的杂质。
所述高温工况是指850～950℃的工况。
上述的用于高温工况下的耐氯腐蚀的耐热钢的使用方法，在制作工件的过程中，在毛坯件时进行退火热处理：退火温度820～850℃，每10mm厚保温1小时，油冷；工件在粗加工之后，精加工之前，进行固溶+低温回火热处理：固溶温度1030～1100℃，每15mm厚保温1小时，水冷，回火温度200～220℃，每10mm厚保温1.5～2小时，空冷。
本发明的有益效果是：化学成分设计合理，采用Cr+Si+Mo+Al多元素综合作用，在850～950℃高温工况下形成致密的Cr2O3和Al2O3双层氧化膜，同时Mo和Si元素能够有效地阻止氯离子向金属基体中扩散，以达到抗高温氯腐蚀目的。同时，通过添加一定量的W和V元素，起到强化作用，提高材料的高温力学性能，通过添加微量的Nb和Ti元素，防止晶间腐蚀，达到延长使用寿命目的。
附图说明
图1是本发明钢在950℃的高温抗氧化性能(氧化增重)；
图2是本发明钢在950℃的高温抗熔盐腐蚀性能(腐蚀增重)；
图3是本发明钢在950℃的高温抗熔盐腐蚀性能(腐蚀减重)。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
为实现本发明提供具有高温抗氧化性能和高温抗氯腐蚀性能的耐热钢，本发明的成分控制如下：
成分设计理由或原理：
碳：在耐热钢中是一种强烈形成并稳定奥氏体且扩大奥氏体区的元素，它是一种间隙元素，通过和强化元素的结合保证材料的高温力学性能，但碳含量不宜过高，会对晶间腐蚀不力，故对碳含量控制在0.1～0.5％。优选地，碳含量为0.2～0.4％，更优选为0.25～0.35％。
硅：是铁素体形成元素，在铬-镍耐热钢中，硅含量一般不超过2.5％。硅元素能够提高钢在氧化腐蚀介质中的耐蚀性，提高钢的耐热性，因此硅元素控制在0.5～2.5％。优选地，硅含量为1.0～2.0％，更优选为1.0～1.5％。
锰：锰和硫有较强的亲和力形成硫化锰，能够有效将钢中硫去除，锰的含量控制在0.1～2.0％能在本发明钢中发挥良好的作用。优选地，锰含量为0.3～1.5％，更优选为0.5～1.0％。
铬和铝：是耐热钢抗氧化和抗腐蚀最主要的元素，同时又是形成并稳定铁素体的元素，缩小奥氏体区。为了保证本发明钢的抗氧化性能和抗腐蚀性能，同时又保证钢在室温下为奥氏体组织，一般铬含量控制在20.0～30.0％，优选地，铬含量为22.0～28.0％，更优选为23.0～26.0％；铝含量控制在2.0～5.0％，优选地，铬含量为3.0～4.5％，更优选为3.5～4.3％。
镍：是奥氏体耐热钢的主要元素，能够形成并稳定奥氏体组织，使钢获得完全奥氏体组织，提高钢的热强性。镍元素含量控制在14.0～25.0％。优选地，镍含量为16.0～22.0％，更优选为18.0～21.0％。
钼：能够提高钢的热强性，同时能够有效地防止氯元素对金属的热腐蚀，但对耐热钢高温抗氧化性能有一定影响。故钼元素含量一般控制在0.5～2.5％，优选地为0.8～2.0％，更优选为1.0～1.5％。
钨和钒：能够提高钢的热强性，能够生成碳化物，起到耐磨作用。钨元素含量控制在1.0～3.0％，优选地为1.5～2.8％，更优选为2.0～2.5％；钒元素含量控制在0.1～1.0％，优选地为0.2～0.6％，更优选地为0.3～0.5％。
铌和钛：能够细化钢的晶粒，并且形成碳化物产生弥散强化，改善抗晶间腐蚀能力，但这两种元素的加入量不能过大，影响钢液的流动性。铌元素含量控制在0.05～0.5％，优选地为0.1～0.35％，更优选为0.15～0.25％；钛元素含量0.05～0.2％，优选为0.1～0.2％。
同时，硫、磷等杂质元素在技术条件允许情况下应尽可能降低其含量，减少晶间偏僻，提高韧性。铬、硅、钼和铝这四种综合作用元素的合理配比含量，以及碳元素与强化元素之间达到理想的配比含量，从而保证本发明钢在850～900℃的高温氯腐蚀工况环境中，具有良好的抗腐蚀能力，同时具有良好的高温力学性能。
本发明钢根据要求制作成工件时，需要进行热处理，在毛坯件时进行退火热处理：退火温度820～850℃，保温时间根据工件壁厚调整，每10mm厚保温1小时，油冷；工件在粗加工之后，精加工之前，进行固溶+低温回火热处理：固溶温度1030～1100℃，保温时间根据壁厚调整，每15mm厚保温1小时，水冷，回火温度200～220℃，保温时间根据壁厚调整，每10mm厚保温1.5～2小时，空冷
本发明钢实施的具体化学成分(质量分数％)见下表1所示。
表1 化学成分(质量分数％)
对比钢：ZG40Cr25Ni20Si2
下面仅以实施例1、2、3和4为例，说明如下：
试验例1：室温力学性能
按照试验标准：GB/T 228对本发明钢和对比钢进行室温力学性能试验。其结果见表2。
表2 室温力学性能
试验例2：高温力学性能
按照试验标准：GB/T 4338进行本发明钢和对比钢的高温力学性能试验。其结果见表3。
表3 高温力学性能
试验例3：高温抗氧化试验
图1是本发明实施例1、2、3、4和对比钢在950℃，连续100小时的氧化增重动力学曲线。
通过氧化动力学曲线可以清晰的看出：连续100小时氧化后，对比钢的氧化增重为0.9745mg/cm2，实施例1的氧化增重为0.3504mg/cm2，实施例2的氧化增重为0.3861mg/cm2，实施例3的氧化增重为0.4328mg/cm2，实施例4的氧化增重为0.3955mg/cm2。
根据标准HB5258抗氧化性测试方法中规定，氧化速率(g/m2·h)：
| ＜0.1 | 完全抗氧化级 |
| 0.1～1.0 | 抗氧化级 |
| 1.0～3.0 | 次氧化级 |
| 3.0～10.0 | 弱氧化级 |
| ＞10.0 | 不抗氧化级 |
将试验结果折算成标准：
△对比钢＝0.009745mg/cm2·h＝0.09745g/m2·h完全抗氧化级
△实施例1＝0.003504mg/cm2·h＝0.03504g/m2·h完全抗氧化级
△实施例2＝0.003861mg/cm2·h＝0.03861g/m2·h完全抗氧化级
△实施例3＝0.004328mg/cm2·h＝0.04328/m2·h完全抗氧化级
△实施例4＝0.003955mg/cm2·h＝0.03955g/m2·h完全抗氧化级
实施例1、2、3、4和对比钢在950℃的静态抗氧化性能都达到完全抗氧化级别，并且实施例1、2、3、4明显优于对比钢。
试验例4：高温抗腐蚀试验
图2是本发明实施例1、2、3、4和对比钢在950℃，连续100小时的腐蚀增重动力学曲线。
图3是本发明实施例1、2、3、4和对比钢在950℃，连续100小时的腐蚀减重动力学曲线。
试验过程中采用涂盐热腐蚀模式，腐蚀盐成分为5％NaCl+95％Na2SO4。
通过图2腐蚀增重动力学曲线可以清晰的看出：连续100小时腐蚀后，对比钢的腐蚀增重为54.9332mg/cm2，实施例1的腐蚀增重为9.6854mg/cm2，实施例2的腐蚀增重为11.0042mg/cm2，实施例3的腐蚀增重为12.5124mg/cm2，实施例4的腐蚀增重为11.7042mg/cm2。
通过图3腐蚀减重动力学曲线可以清晰的看出：连续100小时腐蚀后，对比钢的腐蚀减重约为99.7012mg/cm2，实施例1的腐蚀减重约为19.2712mg/cm2，实施例2的腐蚀减重约为21.1782mg/cm2，实施例3的腐蚀减重约为24.2712mg/cm2，实施例4的腐蚀减重约为21.8712mg/cm2。
实施例1、2、3、4在抗热腐蚀增重试验中，与对比钢相比，其腐蚀增加重量前者仅为后者的20％左右；在抗腐蚀减重试验中，与对比钢相比，其腐蚀减少重量前者仅为后者的20～24％。结果表明，本发明的成分设计合理，能够有效的防止氯元素的腐蚀，与已用的ZG40Cr25Ni20Si2相比，抗腐蚀性能提高近4倍。
本发明钢应用在水泥生产用预热器设备的旋风筒内筒的挂片上，能够有效地防止氯元素的热腐蚀，极大提高热使用寿命，保证生产稳定性。
以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够理解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本发明的专利范围，即凡本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的专利范围内。
Claims (5)
1.一种用于高温工况下的耐氯腐蚀的耐热钢，其特征在于，按质量百分比，包括以下成分：C：0.1～0.5％，Si：0.5～2.5％，Mn：0.1～2.0％，Cr：20.0～30.0％，Ni：14.0～25.0％，W：1.0～4.0％，Mo：0.5～2.5％，Al：2.0～5.0％，V：0.1～1.0％，Nb：0.05～0.5％，Ti：0.05～0.3％，S+P≤0.03％，其余为Fe和不可避免的杂质,高温工况是指850～950℃的工况。
2.根据权利要求1所述的用于高温工况下的耐氯腐蚀的耐热钢，其特征在于，按质量百分比，包括以下成分：C：0.2～0.4％，Si：1.0～2.0％，Mn：0.3～1.5％，Cr：22.0～28.0％，Ni：16.0～22.0％，W：1.8～3.5％，Mo：0.8～2.0％，Al：3.0～4.5％，V：0.2～0.6％，Nb：0.1～0.4％，Ti：0.1～0.25％，S≤0.01％，P≤0.02％，其余为Fe和不可避免的杂质。
3.根据权利要求2所述的用于高温工况下的耐氯腐蚀的耐热钢，其特征在于，按质量百分比，包括以下成分：C：0.25～0.35％，Si：1.0～1.5％，Mn：0.5～1.0％，Cr：23.0～26.0％，Ni：18.0～21.0％，W：2.2～3.0％，Mo：1.0～1.5％，Al：3.5～4.3％，V：0.25～0.35％，Nb：0.25～0.35％，Ti：0.12～0.2％，S≤0.01％，P≤0.02％，其余为Fe和不可避免的杂质。
4.根据权利要求3所述的用于高温工况下的耐氯腐蚀的耐热钢，其特征在于，按质量百分比，包括以下成分：C：0.3％，Si：1.2％，Mn：0.8％，Cr：24.5％，Ni：19.5％，W：2.8％，Mo：1.2％，Al：4.2％，V：0.3％，Nb：0.3％，Ti：0.15％，S≤0.01％，P≤0.02％，其余为Fe和不可避免的杂质。
5.如权利要求1所述的用于高温工况下的耐氯腐蚀的耐热钢的使用方法，其特征在于，在制作工件的过程中，在毛坯件时进行退火热处理：退火温度820～850℃，每10mm厚保温1小时，油冷；工件在粗加工之后，精加工之前，进行固溶+低温回火热处理：固溶温度1030～1100℃，每15mm厚保温1小时，水冷，回火温度200～220℃，每10mm厚保温1.5～2小时，空冷。
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