CN105108098B - 常压下离心铸造高氮奥氏体不锈钢钢管的工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种常压下离心铸造高氮奥氏体不锈钢钢管的工艺，包括配料、铸型和铸造机准备、合金熔炼和浇注、出型清理和热处理、记录和检验，其铸管材料采用高氮奥氏体不锈钢，在常压下该合金熔体或凝固过程呈现过饱和的合金氮含量≥0.65%N，常压铸造时会产生自发气并溢出氮气气泡；在常压熔炼条件下，冶炼获得高氮含量的高氮奥氏体不锈钢金属液满足浇注温度条件后，90秒内迅速进入浇注步骤，并在3分钟内完成所有熔炼金属液的离心浇注；利用离心力的辅助偏析效果，使溢出的氮气气泡离开铸管的质量规范部位。该工艺可以稳定有效地控制氮含量、气泡位置及数量，满足表面和整体质量要求。

Description

常压下离心铸造高氮奥氏体不锈钢钢管的工艺

技术领域

本发明属于铸造技术领域，具体来说是一种常压下离心铸造高氮奥氏体不锈钢钢管的工艺，该工艺实现了在常压下离心铸造高强度高耐蚀性的高氮奥氏体不锈钢钢管的目的。

背景技术

八十年代末开始受到世界普遍重视的氮合金化的高氮合金钢，包括高氮不锈钢和高氮工具钢等材料，尤其高氮不锈钢，由于其节约镍和优良的性能，受到各国的重视，甚至被作为战略性结构材料。

高氮不锈钢较普遍地采用加压冶炼技术，当前，产品的铸造受限于差压铸造技术，在较高压力下铸造产品，而常压铸造或铸锭只有少量报道。国内报道的高氮护环钢钢锭，提供了仅稍高于0.6%的氮含量数据，还没有铸件方面的应用。

高氮不锈钢铸造产品不能普及应用，主要原因在于：在常压或低压下的凝固过程中过饱和氮的析出和氮气溢出形成的气孔，分布于铸锭或铸件产品中。由于高氮不锈钢材料的优良性能和产品的前景，“一种高氮无镍奥氏体不锈钢的制造方法”专利技术提供了常压下冶炼氮含量0.6-1.2%的高氮钢铸坯。高氮钢作为先进和高性能工程材料，发展铸造产品，利用专利技术“一种高氮无镍奥氏体不锈钢的制造方法”冶金制取的高氮奥氏体不锈钢金属液，离心铸造高强度和高耐蚀性的钢管，具有现实的经济与社会效益的研发驱动力。

除了专利技术采用高压或差压的铸造条件，过去常压实验条件存在的问题，要么是氮含量不满足设计的高氮含量要求，要么氮气溢出造成严重的孔洞，不能实现常压铸造合格的铸造产品。

发明内容

本发明要解决高氮奥氏体不锈钢常压下离心铸造钢管的技术问题，提供一种高氮奥氏体不锈钢钢管的铸造工艺，该工艺在常压下铸造高氮奥氏体不锈钢钢管，包括氮气孔洞和高氮含量的控制，获得合格的高强度高耐蚀性的高氮奥氏体不锈钢钢管。

本发明的目的是这样实现的，该工艺方法是采用旋转产生的离心力，使金属液紧贴圆环型壁，形成中空铸管，在此基础上，利用金属液内异相质点密度不同于金属液相，在离心力作用下，将液相析出和凝固相变析出的氮气内浮出来，减轻铸管氮气气相夹杂，改善气相分布，实现常压下铸造高氮钢钢管。

具体工艺步骤如下：

1、配料：

根据高氮奥氏体不锈钢合金成分要求，以及选用在先申请高氮奥氏体不锈钢制造方法（专利号：200810050792.8）的专利技术，准备配料。

2、铸型和铸造机准备：

根据钢管特征和铸造收缩率准备铸型和离心铸造机，铸造机维护状态良好。根据铸管管坯尺寸设定大小，采用卧式离心铸造机，对铸型内表面滚挂2-3mm涂料，浇注时铸型温度选取范围120-250℃。

3、合金熔炼和浇注：

按照生产标准执行高氮不锈钢熔炼和浇注的工艺操作程序，工序连续稳定，实现高氮不锈钢铸管氮合金化成分控制目标。熔炼工艺中的温度和时间采用常压冶炼高氮奥氏体不锈钢的工艺规程（先前申请的专利公开号：CN 101285148A；名称：一种高氮无镍奥氏体不锈钢的制造方法），该专利有相关报道，以及申请人正在申请的专利，不便公开。

熔炼完成时，将高氮奥氏体不锈钢金属液温度快速调整至浇注温度，成分符合过饱和氮的高氮含量控制并保持。90秒内衔接浇注步骤。

浇注时，铸型温度、铸型转速、浇注充填速度等参数控制，参考一般离心铸造钢管的规范，特别要结合高氮奥氏体不锈钢的材料特征，结合顺序凝固和使集聚的氮气气相在离心力作用下偏析溢出，在浇注时，针对氮气在液相中脱溶和凝固相变时的氮气析出，为有利于异相氮气气泡在离心力作用下偏析溢出，铸型转速计算可以采用较高的重力系数，采用合理的铸型转速工艺参数，是常压下离心铸造高氮奥氏体不锈钢钢管的工艺的重要特征。

所述高氮奥氏体不锈钢的浇注温度选择原则为在浇注温度较低的同时满足浇注充型要求，一般控制为1480-1550℃。在浇注温度下，根据铸管重量和壁厚控制浇注充填速度，大于2kg/s，一般还要满足60秒内对单件浇注完成，并且满足所有熔炼的金属液浇注时间都在3分钟以内。

铸型转速计算依据重力系数G，一般选取30-100，据此计算选取浇注时铸型转速，浇注结束后转速逐渐下降。

4、出型清理和热处理：

钢管出型、清理过程中，一般插入固溶热处理工艺。

钢管出型温度控制在800-1000℃。

需要热处理的钢管，铸管出型后，在进一步清理前，利用出型温度或余热，对其铸管进行固溶热处理，可以获得单相奥氏体结构的钢管，也可以保留部分其它相，主要是氮化物，提高铸管的抗拉强度、塑性或韧性、耐腐蚀性能。也可以在钢管毛坯进行铸件清理后固溶热处理。

所述热处理固溶温度选取范围为1020-1150℃，固溶时间1-8小时；出炉时，进行垂直吊装淬火处理，淬火介质选取范围较大，可以是水、油、水基淬火介质等，依据工厂条件、环保要求、生产成本、铸管组织质量规范控制要求。

清理操作，包括对脱氮的表面层、铸管两端部、内表面层，采用适合的机械加工法去除。清理时尤其关注内表面的气相偏聚的去除，对内壁表层或次表层进行机械加工予以去除，获得合格钢管。

5、记录和检验：

做好工序记录，检验钢管成分，按照钢管质量要求逐项检测。

本发明具有以下优点：

1、通过本工艺能够获得高耐腐蚀性的高氮不锈钢钢管；

2、不必在差压或高压条件下铸造高氮不锈钢结构产品，不受差压或高压技术必须附加的工艺装备的限制，以及对铸造产品种类或规格的约束，降低了工艺条件要求，控制了生产成本；

3、采用本专利工艺，生产过程控制主要集中在特征工艺的控制和离心铸管生产的常规步骤的工艺参数方面，从而使应用高氮奥氏体不锈钢生产钢管的控制、管理和继续研发有据可循；

4、本发明工艺也适用于其它高氮奥氏体不锈钢、高氮双相不锈钢、高氮铁素体不锈钢等氮含量高的不锈钢，适用于定义的氮含量超过0.4%的奥氏体不锈钢和氮含量超过0.08%的铁素体不锈钢，延伸和包括能够熔炼的氮含量较高的其它高氮铁合金材料。

具体实施方式

铸造管坯尺寸为Φ560/420×2000mm的高氮不锈钢钢管，合金成分：0.7-0.85%N,<0.03%C, 18-20%Cr, 16-18%Mn, 2-2.5%Mo, <0.03%P, <0.03%S, <0.5%Si, 余量Fe。两端各增加70mm，在热处理后切除。

①配料：根据上述合金成分和冶金中合金元素收得率，以及铸管重量，称量纯铁、氮化铬铁、纯锰、钼铁，配料。

②铸型和铸造机准备：采用卧式离心铸造机，对铸型内表面滚挂2-3mm涂料，浇注时铸型温度选取200℃（铸型温度范围120-250℃）。

③合金熔炼和浇注：

遵循了常压冶炼高氮奥氏体不锈钢的工艺规程（先前申请的专利公开号：CN101285148A；名称：一种高氮无镍奥氏体不锈钢的制造方法。该专利有相关报道）。

熔炼完成时，将高氮奥氏体不锈钢金属液温度快速调整至浇注温度，90秒内衔接浇注步骤，本实施例实现了立即衔接浇注。高氮奥氏体不锈钢的浇注温度选择原则为在浇注温度较低的同时满足浇注充型要求，一般控制为1480-1550℃，本实施例选取的浇注温度为1510℃。在浇注温度下，根据铸管重量和壁厚控制浇注充填速度，本实施例采用71kg/s，单管浇注时间31秒，所有熔炼的金属液在3分钟以内完成了浇注。

其它浇注主要工艺参数包括，铸型转速计算依据重力系数G，一般选取30-100，本例选取浇注时铸型转速为510r/min，浇注结束后转速逐渐下降；铸管出型温度控制在800-1000℃。

④出型清理和热处理：

出型操作后，本实施例选取了固溶热处理，固溶温度选取范围为1020-1150℃，固溶时间1-8小时；本实施例选取1120℃，还原性氮基气氛保护，保温2小时。出炉，进行垂直吊装淬火处理，淬火介质选取范围较大，可以是水、油、水基淬火介质等，受工厂条件、环保要求、生产成本、铸管组织质量规范控制要求。本实施例选用了热水浴，获得了单一奥氏体相。

清理，对脱氮的表面层、铸管两端部、内表面层，采用适合的机械加工法去除。

⑤记录和检验：做好工序记录，检验钢管成分，按照钢管质量要求逐项检测；成分检测结果：0.76-0.82%N, 0.023-0.026%C, 19.3-19.7%Cr, 16.5-16.9%Mn, 2.1-2.2%Mo,0.025%P, 0.02%S, 0.3%Si, 余量Fe。

在常压下，进行及时地和稳流地浇注高氮奥氏体不锈钢金属液体进入到铸型中，获得的最终钢管的合金成分尤其高氮含量、氮气气孔特征控制或致密性、力学性能都符合设计要求。

Claims (1)

1.一种常压下离心铸造高氮奥氏体不锈钢钢管的工艺，该工艺包括配料、铸型和铸造机准备、合金熔炼和浇注、出型清理和热处理、记录和检验五个步骤，其特征在于：

①、所述配料过程是：根据高氮奥氏体不锈钢合金成分要求准备配料，铸管材料是高氮奥氏体不锈钢，在常压下，该合金熔体或凝固过程呈现过饱和的合金氮含量≥0.65％N，常压铸造时会产生自发气并溢出氮气气泡；所述合金成分：0.7-0.85％N，<0.03％C，18-20％Cr，16-18％Mn，2-2.5％Mo，<0.03％P，<0.03％S，<0.5％Si，余量Fe；

②、所述铸型和铸造机准备过程是：根据铸管管坯尺寸设定大小，采用卧式离心铸造机，对铸型内表面滚挂2-3mm涂料，浇注时铸型温度选取范围120-250℃；

③、所述合金熔炼和浇注过程是：在常压条件下，冶炼获得合金氮含量≥0.65％N的高氮奥氏体不锈钢金属液，升温至1480-1550℃，满足浇注温度条件后，90秒内迅速进入浇注步骤，单件铸管的浇注充填速度大于2kg/s，对单件的浇注一般要在60秒内完成，并且要求在3分钟内完成所有熔炼金属液的离心浇注；采用比一般离心铸造钢管更高的旋转速度浇注，其中，重力系数G选用范围为30-100，钢管出型温度控制在800-1000℃；

④、所述出型清理和热处理过程是：选取固溶热处理，固溶温度选取范围为1020-1150℃，固溶时间1-8小时，还原性氮基气氛保护，保温2小时，出炉，出炉后进行垂直吊装淬火处理。