CN104789883B - 一种用于高温测量的耐热材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于高温测量的新型耐热材料及其制备方法，该材料的化学组成为：C：0—0.6%，Si：0.6—2.5%，Re：0.04—0.1%，W：1—4%，Mo：0.5—2%，Cr：18—27%，Ni：9—22%，Mn<0.8%，V：0—1%，S<0.035%，P<0.035%，其余为Fe。本新型材料红硬性明显较传统304和310S不锈钢增强，同时本新型材料具有可锻性和焊接性，解决了结构性联结问题，使材料具有了扩展使用的空间。本新型材料的性价比大幅上升，对于高温工况下的静态应力下具有明显的适用性，具有良好的市场空间，对高温测量用户尤其是钢厂具有明显的提升温度监控准确度和降低成本的作用。

Description

一种用于高温测量的耐热材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及耐高温材料，具体是适用于高炉测温用的新型材料，以及该种新型材料的生产、制造方法。

背景技术

温度一直是控制炼铁、炼钢的质量和成本的关键因素。对于炼铁，温度对铁水中的C、O、H、N、S、P和杂质元素的控制和高炉内煤气分布、炉料布料、高炉利用系数、焦比、喷煤、炉体运行等等因素都起着关键和指导性作用。对于炼钢，温度则直接决定了铁水的进一步净化以及脱氧、脱硫、脱磷去夹杂程度，也直接决定了炼钢设备的能耗和设备损耗。控制温度一直是炼铁、炼钢的关键环节。

温度测量一直是炼铁、炼钢的关键，随着无接触式顶摄像技术的逐步退出（弊端较多），传统接触式测温技术重新被钢厂启用。在全球钢铁领域内也已成为不可逆转之势。德国、美国、日本、中国、英国、巴西、韩国、印度、泰国等等国家纷纷淘汰无接触式顶摄像技术，而采用接触式测温技术，各种与接触式测温技术相关的新技术也得到了较大的发展。

接触式测温技术主要由两部分构成，一部分为温度测量单元，主要由热电偶、记录仪构成；另一部分为机械支撑及保护单元，主要由不锈钢构成各种保护结构，最常用的材料是310S或304不锈钢。随着高炉和炼钢技术的发展，温度逐渐越来越高，测量温度已经逐渐逼进1300--1400°C。目前温度测量单元尚能满足实际需要，但支撑和保护单元越来越不能满足实际需求。经常出现保护单元烧损严重、变形严重，直接影响测量位置，甚至造成监控失效无法测量，为此钢厂不得不对整个接触式测温系统进行更换，甚至造成高炉停产、修风等，成本极高，直接影响高炉效率和生产制造成本。

综合调研分析，围绕接触式测温技术的新技术发展主要表现在结构优化方面，即希望通过结构的优化延长测量寿命，鲜有围绕材料技术进行的新技术和创新，而现有310S或304不锈钢材料已经逐渐不能满足实际需求，适应高温测量用新型耐热材料已经具有了较大的市场需求。

发明内容

为了克服现有技术中310S或304不锈钢材料无法满足高温测量的需求，本发明的目的是提供一种适用于高温测量用新型耐热材料及其生产制造方法。

众所周知，金属材料的性能是由金属材料的组织结构决定，而金属材料组织结构又由金属材料的化学成分和热处理工艺最终联合决定。同时，材料的性能还与材料的冶金品质、组织和成分偏析及其他缺陷密切相关。

新材料发明包括材料设计技术、材料热处理技术、材料检测技术（包含化学、金相组织、机械性能等）；生产制造方法发明包括新材料生产制造方法、工艺；具体包括冶炼、铸造、锻造、热处理、焊接、机械加工等等。

高温耐热材料主要要求在高温下仍然保持较高的机械性能，为实现此目标，在材料设计过程中本发明采用了固溶强化和弥散强化相结合的强化方式，即通过在基体中通过固溶更多的合金元素来提高基体的强度，同时在基体之外通过形成一定的碳化物实现弥散强化。为解决碳化物网状析出问题，采用了稀土变质技术和锻造相结合的技术，即从材料设计和生产技术上进行条件保证。另外通过热处理过程控制最终决定材料的组织结构和机械性能。同时考虑到新材料必须满足可焊性的要求，在材料设计过程中充分考虑了与焊接相关的各项成分因素。为确保材料的品质，减少各种夹杂物及气体的影响，在工艺保障上采用了精炼和底吹氩技术。

本发明采用的技术方案是，一种用于高温测量的新型耐热材料，核心是在柔性的基体上点状或点网状地分布着一定程度的碳化物，从而提高材料的高温性能强度。其化学组成按重量百分比为：C：0—0.6%，Si：0.6—2.5%， Re：0.04—0.1%，W：1—4%，Mo：0.5—2%，Cr：18—27%，Ni：9—22%，Mn<0.8%，V：0—1%，S<0.035%，P<0.035%，其余为Fe。

上述材料化学成分中，碳既作为形成各种碳化物的组成元素，又作为基体强化素。形成碳化物时，既保证了总体的弥散强化，同时热处理加热过程中，一部分碳化物本身还会回溶到基体中，提高基体的强度及红硬性，同时碳是作为材料有无可焊性的一个关键性指标，综合全部因素，碳的成分含量为：C：0—0.6%。

W、Mo、V的加入，主要是为了与碳的作用形成强度支撑颗粒项—碳化物（弥散强化），同时一部分会溶入基体显著提高材料的红硬性即材料所需要的高温性能。加入量过多，会造成大量的网状碳化物，加入量过少形成的碳化物又太少，强化效果不明显。同时又必须考虑到材料要求的可锻性和可焊性，因而不能过多的靠弥散强化来支撑材料的高温性能需求。另外，W、Mo作为最有效的高温元素，其对材料的高温性能支撑是最有效的，不能过低度，而V的加入则是与W、Mo元素一起构成颗粒形碳化物的主要元素，从而形成包括W₆C、MO₂C、VC的碳化物，从而形成弥散强化的作用。依据此设计思路W、Mo、V成分含量如下：W：1—4%，Mo：0.5—2%， V：0—1%。

Cr的加入，主要有三方面的作用：第一是Cr也会形成碳化物，有一定的弥散强化作用，另一方面则是大量溶于基体，提高基体的淬透性和基体强度，第三是防氧化和防锈，结合国家不锈钢系列材料的设计标准，Cr的成分如下：Cr：18—27%。

Ni的加入主要是提高材料的韧性，同时Ni作为奥氏体元素，其主要是为了热处理组织结构控制提供保证。同时Ni的加入扩大了奥氏体，为奥氏体中固溶更多的合金碳化物提供了条件。结合国家不锈钢系列材料的设计标准，Ni的成分如下：Ni：9—22%。

Si的加入主要是强化基体作用，提高了材料的抗疲劳性能，同时，Si是石墨化元素，综合Si的特性，Si的成分如下：Si：0.6—2.5%。

Re的成分设计主要是为了工艺保证，其核心是为了断网，减小网状碳化物的破坏力，也为后续的锻造工序提供了更有利的条件。同时，稀土还有脱硫和脱气的作用，对提高钢的品质有益。

S、P的控制是为了提高钢的品质，减少各种非金属夹杂物的影响，其遵循钢的一般控制原则，S<0.035%，P<0.035%。

本发明还提供了一种新材料的生产制造方法，其工艺步骤为：电炉冶炼→铸造→退火→锻造→热处理。

电炉冶炼的核心是保证获得本发明材料所要求的化学成分及冶金品质；

铸造的核心保证液体材料成形和减少铸造缺陷；

退火的核心是保证硬度和网状碳化物等级；

锻造的核心是保证碳化物断网；

热处理的核心是获得在柔性的基体上点状或点网状地分布着一定程度的碳化物的组织结构，从而提高材料的高温性能强度。

新材料生产制备过程中的质量管控要点为：化学成分、非金属夹杂、气体含量（冶炼工序）→各种铸造缺陷（铸造工序）→硬度、网状碳化物等级（退火工序）→锻造缺陷、网状碳化物等级（锻造工序）→金相组织、机械性能、焊接性（热处理工序）。

为控制材料中的非金属夹杂物及气体含量，在冶炼过程中采用炉内吹氩；为实现碳化物断网，在钢包内采用加稀土混冲。

本发明的新型材料红硬性明显较传统304和310S不锈钢增强，600℃材料的抗拉强度约为310S的2倍，600℃时的强度衰减约为310S的1/3，同时本新型材料具有可锻性和焊接性，解决了结构性联结问题，使材料具有了扩展使用的空间。本新型材料的性价比大幅上升，对于高温工况下的静态应力下具有明显的适用性，具有良好的市场空间，对高温测量用户尤其是钢厂具有明显的提升温度监控准确度和降低成本的作用。本新型材料可耐800℃～1150℃的高温，可完全满足钢厂生产过程中的测温需求。

具体实施方式

实施例1（化学成分1）：

1、过程实施

1）电炉冶炼和铸造

具体实施如下：

将低碳废钢、钨铁、钼铁、铬铁、钒铁、镍板按顺序依次加入500KG中频感应炉中熔清；

炉内吹氩；

调整钢水化学成分，通过炉前化学检测分析，成分合格后，加入脱氧剂铝条，升温至1600--1650℃准备出钢；

将稀土粉碎至20mm大小，并经过280℃x4H烘烤后的稀土置于钢烘烤后的钢包中，1600--1650℃的钢水混冲钢包；

镇静10-20min后，待钢温至1500-1550℃开始浇铸。

2）退火

将铸锭加热至800-840℃，保温，随炉缓冷至500℃以下后，取出空冷；

检查硬度及网状碳化物等级。

3）锻造

将经过退火后的坯件，加热至1200℃，取出后开始锻造，终锻温度不得低于1000℃，锻造比不得小于3；

检查锻造缺陷、网状碳化物等级。

4）热处理

将经过锻造的坯件，加热到1000-1300，淬入水中，再经过200℃回火；

检查金相组织、机械性能、焊接性。

2、检测结果：

1）化学成分（重量百分比）

元素

C

Si

Mn

Cr

Ni

Re

成分

0.16

1.17

0.55

18.75

9.58

0.06

元素

W

Mo

V

S

P

Fe

成分

1.86

0.77

0.37

0.028

0.021

其余

2）机械性能

3）高温性能测试

高温性能测试结果显示该成分材料高温性能指标明显优于310S 和304不锈钢，耐高温可达到1150℃。

实施例2（化学成分2）：

1、过程实施

过程实施同实施例1的过程。

2、检测结果

1）化学成分（重量百分比）

元素

C

Si

Mn

Cr

Ni

Re

成分

0.47

2.36

0.49

25.68

19.32

0.07

元素

W

Mo

V

S

P

Fe

成分

3.69

1.83

0.79

0.020

0.018

其余

2）机械性能

3）高温性能测试

高温性能测试结果显示该成分材料高温性能指标明显优于310S 和310S不锈钢，耐高温可达到1150℃。

Claims (4)

1.一种用于高温测量的耐热材料，其特征在于：其化学组成按重量百分比为：C：0.16%，Si：1.17%，RE：0.06%，W：1.86%，Mo：0.77%，Cr：18.75%，Ni：9.58%，Mn：0.55%，V：0.37%，S：0.028%，P：0.021%，其余为Fe。

2.一种用于高温测量的耐热材料，其特征在于：其化学组成按重量百分比为：C：0.47%，Si：2.36%，RE：0.07%，W：3.69%，Mo：1.83%，Cr：25.68%，Ni：19.32%，Mn：0.49%，V：0.79%，S：0.020%，P：0.018%，其余为Fe。

3.权利要求1或2所述用于高温测量的耐热材料的制备方法，其特征在于：其工艺步骤为：电炉冶炼→铸造→退火→锻造→热处理；其具体步骤如下：

1）电炉冶炼→铸造

将低碳废钢、钨铁、钼铁、铬铁、钒铁、镍板按顺序依次加入500KG中频感应炉中熔清；炉内吹氩；

调整钢水化学成分，通过炉前化学检测分析，成分合格后，加入脱氧剂铝条，升温至1600-1650℃准备出钢；

将稀土粉碎至20mm大小，并经过280℃x4h烘烤后的稀土置于钢烘烤后的钢包中，1600-1650℃的钢水混冲钢包；

镇静10-20min后，待钢温至1500-1550℃开始浇铸；

2）退火

将铸锭加热至800-840℃，保温，随炉缓冷至500℃以下后，取出空冷；

3）锻造

将经过退火后的坯件，加热至1200℃，取出后开始锻造，终锻温度不得低于1000℃，锻造比不得小于3；

4）热处理

将经过锻造的坯件，加热到1000-1300℃，淬入水中，再经过200℃回火。

4.根据权利要求3所述用于高温测量的耐热材料的制备方法，其特征在于：在电炉冶炼的过程中向炉内吹氩，保证材料中的非金属夹杂物及气体含量。