CN108193135B - 一种低碳高强度奥氏体耐热钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低碳高强度奥氏体耐热钢及其制备方法，制备方法具体操作为：在初炼阶段对钢水的成分进行初调，在精炼阶段持续调整氧气与氮气的流量比，并在精炼中期先后向钢水中加入脱氧剂和脱硫剂，在精炼后期，向钢水中加入合金添加剂并精调钢水成分，然后经过浇注和热处理得到成品钢材。成品钢的成分包括C、Si、Mn、S、P、Cr、Ni、Nb、Mo、Pb、Sn、Zn、As、合金添加剂和Fe，合金添加剂为B、Zr或稀土中的至少一种。采用本方法所制备的耐热钢可有效解决现有钢材塑韧性与高温强度不能兼顾的技术问题。

Description

一种低碳高强度奥氏体耐热钢及其制备方法
技术领域
本发明属于耐高温金属材料技术领域，具体涉及一种低碳高强度奥氏体耐热钢及其制备方法。
背景技术
耐高温金属材料是航空、航天、动力、机械、石化、冶金等行业中重要得金属材料，扮演着举足轻重的作用。随着石油化工行业的发展，该行业中氢转换、乙烯裂解等关键工艺技术所需要的加热炉炉管，需长期在高温、强腐蚀介质、高含碳气氛及反复经受冷热循环的环境下工作，如此，炉管的材质要求具有好的抗渗碳、抗高温蠕变断裂、抗热疲劳、抗氧化等性能。
在标准HGT2601-2011中公布的两种耐热钢材料牌号ZG40Cr25Ni35Nb、ZG10Cr25Ni35Nb，采用离心铸造获得的铁-铬-镍耐热合金炉管，因其含有较高Cr、Ni元素，能较好地满足石油化工行业高温炉管地生产使用需求。但是在实际使用过程中，两种材料都存在一定的问题，进而限制了材料的应用领域及材料的使用服役寿命。ZG40Cr25Ni35Nb材料相对于ZG10Cr25Ni35Nb材料存在高温强度较好，但材料塑韧性有所不足的情况；与此同时，材料ZG10Cr25Ni35Nb表现出较好的塑韧性、抗渗碳能力以及在高温环境下的抗氧化性能，但材料存在高温瞬时强度稍显不足的现象。
发明内容
针对上述现有技术，本发明提供一种低碳高强度奥氏体耐热钢及其制备方法，以解决现有钢材塑韧性与高温强度不能兼顾的技术问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：提供一种低碳高强度奥氏体耐热钢，包括以下质量百分比的组分：C：0.03～0.2wt％，Si：≤2wt％，Mn：≤1.5wt％，S≤0.03wt％，P≤0.03wt％，Cr：18～28wt％，Ni：32～40wt％，Nb：≤1.8wt％，Mo：≤1wt％，Pb：≤0.01wt％，Sn：≤0.01wt％，Zn：≤0.01wt％，As：≤0.01wt％，合金添加剂≤0.3wt％，余量为Fe；其中，合金添加剂为B、Zr或稀土中的至少一种。
该钢材的有益效果是：本发明中的钢材碳含量较低，提升了材料在高温含碳气氛中的抗炭化能力，拓宽了材料的使用范围，延长了工件的使用寿命。另外，本发明的钢材在常温下的屈服强度和抗拉强度与ZG40Cr25Ni35Nb钢材相比，分别提升了13％和10％以上，延伸率提升了3倍；本发明的钢材在1000℃条件下，瞬时强度和延伸率与ZG40Cr25Ni35Nb钢材相比也有较大提高，很好的解决了现有钢材塑韧性与高温强度不能兼顾的技术问题。
本发明还公开了一种低碳高强度奥氏体耐热钢制备方法，包括以下步骤：
(1)初炼：将中频炉温度升至1550～1650℃，使原料熔化，并调整钢水成分及含量为：C：0.1～0.13wt％，Si：≤1.2wt％，Mn：≤0.5wt％，S≤0.03wt％，P≤0.03wt％，Cr：18～25wt％，Ni：32～38wt％，Nb：≤1.8wt％，Mo：≤1wt％；Pb：≤0.02wt％，Sn：≤0.01wt％，Zn：≤0.02wt％，As：≤0.01wt％；
(2)精炼：将初炼后的钢水置于精炼炉内，按氧气:氮气＝5～6:1的流速比向精炼炉内注入混合气体，氧气的流速为300～600m3/h；此后，每隔10～20min氮气的流速提升20％，氧气的流速下降20％；精炼开始30～40min后，加入脱硫剂，所加脱硫剂与钢水的质量比为100～150:1000；加入脱硫剂30～40min后，加入脱氧剂，所加脱氧剂与钢水的质量比为50～80:1000；加入脱氧剂15～30min后，加入合金添加剂，继续吹气20～30min，再精调钢水成分，完成精炼；
(3)对精炼后的钢水进行浇注和热处理，制得低碳高强度奥氏体耐热钢。
制备方法还可以做如下改进。
进一步，步骤(2)中氧气与氮气的流量比为6:1，氧气的流量为600m3/h。
进一步，脱硫剂包括以下质量百分比的组分：CaO 50～65wt％，MgO 5～10wt％和Al2O3 30～40wt％。
进一步，脱氧剂包括以下质量百分比的组分：Al 10～25wt％，Si 60～80wt％和Ca8～18wt％。
进一步，步骤(3)中浇注在卧式离心铸造机中进行；浇注过程中控制模具内孔跳动在0.5～4mm范围内，出钢、浇注、凝固以及冷却过程在20～35min中内完成。
进一步，步骤(3)终稿热处理的具体方法为：将浇注后的铸件加热到1000～1300℃并保温，保温时间与铸件厚度之间的关系为1～2min/mm；然后将铸件水冷至120～150℃，保温1.5～2h后，将铸件温度上升至560～900℃，保温1.5～5.5h，之后冷却至室温。
采用上述制备方法的有益效果是：初炼时，初调钢水成分，使刚水成分与最终产品接近，不仅可以降低后续精调成分的难度，缩短精调时间，而且能够使钢水以较优的比例进入精炼炉进行精炼，精炼效果更好，所制备的钢材力学性能更佳。精炼时，氮气和氧气同时进入钢水中，氧气与钢水中的碳反应，降低钢水中的碳含量，氮气在搅拌钢水的同时，可以有效保护金属成分不被氧化，提升了材料性能。精炼过程中，持续调节氧氮比，使吹入精炼炉内的气体压力处于10～15MPa范围内，在保证钢水成分含量基本不变的前提下，使钢水充分搅拌，钢水的脱氧与脱硫效果更好。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式做详细的说明。
实施例一
在实施例一中，提供了一种低碳高强度奥氏体耐热钢的制备方法，包括以下步骤：
(1)初炼：将中频炉温度升至1550℃，加入废钢、矿石等原料，使原料熔化，并调整钢水成分到如下范围：C：0.1～0.13wt％，Si：≤1.2wt％，Mn：≤0.5wt％，S≤0.03wt％，P≤0.03wt％，Cr：18～25wt％，Ni：32～38wt％，Nb：≤1.8wt％，Mo：≤1wt％；Pb：≤0.02wt％，Sn：≤0.01wt％，Zn：≤0.02wt％，As：≤0.01wt％，然后钢水出钢，进入AOD精炼炉内继续精炼；
(2)精炼：初始阶段，按氧气:氮气＝6:1的流速比向AOD精炼炉内注入混合气体，氧气的流速为600m3/h；此后，每隔10min氮气的流速提升20％，氧气的流速下降20％；精炼开始30min后，随混合气体一起向钢水中吹入脱硫剂，脱硫剂包括以下质量百分比的组分：CaO65wt％，MgO 5wt％和Al2O3 30wt％，所加脱硫剂与钢水的质量比为100:1000；加入脱硫剂30min后，加入脱氧剂，脱氧剂包括以下质量百分比的组分：Al 25wt％，Si 60wt％和Ca15wt％，所加脱氧剂与钢水的质量比为80:1000；加入脱氧剂15min后，加入合金添加剂，合金添加剂为B，所加合金添加剂的质量百分比≤0.3wt％；继续吹气30min，再精调钢水成分，完成精炼；
(3)浇注：精炼后的钢水进入卧室离心铸造机进行离心铸造；浇注过程中控制模具内孔跳动在0.5～4mm范围内，出钢、浇注、凝固以及冷却过程在35min中内完成；
(4)热处理：将浇注后的铸件加热到1300℃并保温，保温时间与铸件厚度之间的关系为1min/mm；然后将铸件水冷至150℃，保温1.5h后，将铸件温度上升至900℃，保温1.5h，之后冷却至室温。
实施例二
在实施例二中，提供了一种低碳高强度奥氏体耐热钢的制备方法，包括以下步骤：
(1)初炼：将中频炉温度升至1650℃，加入废钢、矿石等原料，使原料熔化，并调整钢水成分到如下范围：C：0.1～0.13wt％，Si：≤1.2wt％，Mn：≤0.5wt％，S≤0.03wt％，P≤0.03wt％，Cr：18～25wt％，Ni：32～38wt％，Nb：≤1.8wt％，Mo：≤1wt％；Pb：≤0.02wt％，Sn：≤0.01wt％，Zn：≤0.02wt％，As：≤0.01wt％，然后钢水出钢，进入AOD精炼炉内继续精炼；
(2)精炼：初始阶段，按氧气:氮气＝5:1的流速比向AOD精炼炉内注入混合气体，氧气的流速为500m3/h；此后，每隔15min氮气的流速提升20％，氧气的流速下降20％；精炼开始40min后，随混合气体一起向钢水中吹入脱硫剂，脱硫剂包括以下质量百分比的组分：CaO50wt％，MgO 10wt％和Al2O3 40wt％，所加脱硫剂与钢水的质量比为150:1000；加入脱硫剂40min后，加入脱氧剂，脱氧剂包括以下质量百分比的组分：Al 10wt％，Si 80wt％和Ca10wt％，所加脱氧剂与钢水的质量比为50:1000；加入脱氧剂30min后，加入合金添加剂，合金添加剂为B和Zr，所加合金添加剂的质量百分比≤0.3wt％；继续吹气20min，再精调钢水成分，完成精炼；
(3)浇注：精炼后的钢水进入卧室离心铸造机进行离心铸造；浇注过程中控制模具内孔跳动在0.5～4mm范围内，出钢、浇注、凝固以及冷却过程在20min中内完成；
(4)热处理：将浇注后的铸件加热到1000℃并保温，保温时间与铸件厚度之间的关系为2min/mm；然后将铸件水冷至120℃，保温2h后，将铸件温度上升至560℃，保温5.5h，之后冷却至室温。
实施例三
在实施例三中，提供了一种低碳高强度奥氏体耐热钢的制备方法，包括以下步骤：
(1)初炼：将中频炉温度升至1550℃，加入废钢、矿石等原料，使原料熔化，然后钢水出钢，进入AOD精炼炉内继续精炼；
(2)精炼：初始阶段，按氧气:氮气＝5:1的流速比向AOD精炼炉内注入混合气体，氧气的流速为300m3/h；此后，每隔15min氮气的流速提升20％，氧气的流速下降20％；精炼开始30min后，随混合气体一起向钢水中吹入脱硫剂，脱硫剂包括以下质量百分比的组分：CaO65wt％，MgO 5wt％和Al2O3 30wt％，所加脱硫剂与钢水的质量比为120:1000；加入脱硫剂35min后，加入脱氧剂，脱氧剂包括以下质量百分比的组分：Al 25wt％，Si 60wt％和Ca15wt％，所加脱氧剂与钢水的质量比为60:1000；加入脱氧剂20min后，加入合金添加剂，合金添加剂为稀土，所加合金添加剂的质量百分比≤0.3wt％；继续吹气30min，再精调钢水成分，完成精炼；
(3)浇注：精炼后的钢水进入卧室离心铸造机进行离心铸造；浇注过程中控制模具内孔跳动在0.5～4mm范围内，出钢、浇注、凝固以及冷却过程在35min中内完成；
(4)热处理：将浇注后的铸件加热到1300℃并保温，保温时间与铸件厚度之间的关系为1min/mm；然后将铸件水冷至150℃，保温1.5h后，将铸件温度上升至900℃，保温1.5h，之后冷却至室温。
实施例四
在实施例四中，提供了一种低碳高强度奥氏体耐热钢的制备方法，包括以下步骤：
(1)初炼：将中频炉温度升至1550℃，加入废钢、矿石等原料，使原料熔化，并调整钢水成分到如下范围：C：0.1～0.13wt％，Si：≤1.2wt％，Mn：≤0.5wt％，S≤0.03wt％，P≤0.03wt％，Cr：18～25wt％，Ni：32～38wt％，Nb：≤1.8wt％，Mo：≤1wt％；Pb：≤0.02wt％，Sn：≤0.01wt％，Zn：≤0.02wt％，As：≤0.01wt％，然后钢水出钢，进入AOD精炼炉内继续精炼；
(2)精炼：按氧气:氮气＝6:1的流速比向AOD精炼炉内注入混合气体，氧气的流速为600m3/h；精炼开始30min后，随混合气体一起向钢水中吹入脱硫剂，脱硫剂包括以下质量百分比的组分：CaO 65wt％，MgO 5wt％和Al2O3 30wt％，所加脱硫剂与钢水的质量比为100:1000；加入脱硫剂30min后，加入脱氧剂，脱氧剂包括以下质量百分比的组分：Al 25wt％，Si60wt％和Ca 15wt％，所加脱氧剂与钢水的质量比为60:1000；加入脱氧剂15min后，加入合金添加剂，合金添加剂为B，所加合金添加剂的质量百分比≤0.3wt％；继续吹气30min，再精调钢水成分，完成精炼；
(3)浇注：精炼后的钢水进入卧室离心铸造机进行离心铸造；浇注过程中控制模具内孔跳动在0.5～4mm范围内，出钢、浇注、凝固以及冷却过程在35min中内完成；
(4)热处理：将浇注后的铸件加热到1300℃并保温，保温时间与铸件厚度之间的关系为1min/mm；然后将铸件水冷至150℃，保温1.5h后，将铸件温度上升至900℃，保温1.5h，之后冷却至室温。
结果分析
取各组实施例所制得的钢材，测定它们的成分，成分列于表1。
表1合金成分(wt％)
实施例一 实施例二 实施例三 实施例四
C 0.038 0.139 0.18 0.023
Si 0.68 1.44 1.83 0.59
Mn 0.60 1.00 1.38 0.62
S 0.006 0.005 0.008 0.007
p 0.017 0.014 0.019 0.021
Cr 20.16 27.21 25.96 21.20
Ni 38.07 36.76 32.68 37.65
Nb 1.55 0.84 1.11 1.46
Mo 0.28 0.54 0.94 0..24
Pb 0.004 0.005 0.006 0.005
Sn 0.007 0.005 0.004 0.005
Zn 0.004 0.007 0.005 0.004
As 0.006 0.004 0.005 0.006
合金添加剂 0.10 0.20 0 0.1
表1中所列出的是钢材最终成分，即经过精调后的成分。实施例一与实施例二在初炼阶段对钢水的成分进行了初调，且在精炼过程中，持续调整氧氮比，在降低碳含量的同时，有效的保护了其余成分，精调成分时更加简便。实施例三在初炼阶段未对钢水的成分进行初调，在后续精调成分时，需要花费更多的时间才能将钢水成分调整到合适的范围，浪费时间与人力。实施例四中，在初炼阶段虽然初调了钢水成分，但在精炼过程中，一直以较高且恒定的氧氮比向精炼炉内通入混合气体，各成分前后变化量较大，在精调成分时也需要花费大量的时间才能将钢水成分调整到合适的范围，浪费时间与人力。
另外，分别测定了各实施例中钢材在常温和高温下的力学性能，结果列于表2和表3。
表2钢材常温力学性能
屈服强度(MPa) 抗拉强度(MPa) 延伸率(％)
实施例一 358 595 32
实施例二 318 596 31
实施例三 276 483 26
实施例四 326 590 35
ZG40Cr25Ni35Nb 245 441 8
ZG10Cr25Ni35Nb 186 448 25
表3钢材高温力学性能
高温瞬时强度(MPa) 高温延伸率(％) 试验温度(℃)
实施例一 101.2 57 1000
实施例二 103.5 60 1000
实施例三 91 40 1000
实施例四 102.8 61 1000
ZG40Cr25Ni35Nb 93 38 1000
ZG10Cr25Ni35Nb 67 58 1000
采用本发明的耐热钢制备方法所制备出的钢材在常温和高温下的力学性能均强于现有钢材，而且，在强度提升的同时延伸率也有较大的改善，能够很好的解决钢材塑韧性与高温强度不能兼顾的技术问题。实施例三与其他几组实施例相比强度和延伸率均将低，是因为在精炼阶段没有加入合金添加剂，从而影响了最终产品的力学性能。
虽然对本发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可作出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims (5)

1.一种低碳高强度奥氏体耐热钢的制备方法，其特征是，包括以下步骤：
(1)初炼：将中频炉温度升至1550~1650℃，使原料熔化，并调整钢水成分及含量为：C：0.038~0.139wt%，Si：0.59~1.44wt%，Mn：0.6~1wt%，S：0.005~0.007wt%，P：0.014~0.021wt%，Cr：20.16~27.21wt %，Ni：36.76~38.07wt%，Nb：0.84~1.55wt %，Mo：0.24~0.54wt%，Pb：0.004~0.005wt%，Sn：0.005~0.007wt %，Zn：0.004~0.007wt %，As：0.004~0.006wt %；
(2)精炼：将初炼后的钢水置于精炼炉内，按氧气:氮气=5~6:1的流速比向精炼炉内注入混合气体，氧气的流速为500~600m3/h；此后，每隔10~20min氮气的流速提升20%，氧气的流速下降20%；精炼开始30~40min后，加入脱硫剂，所加脱硫剂与钢水的质量比为100~150:1000；加入脱硫剂30~40min后，加入脱氧剂，所加脱氧剂与钢水的质量比为50~80:1000；加入脱氧剂15~30min后，加入合金添加剂，继续吹气20~30min，再精调钢水成分，完成精炼；所述合金添加剂为B、Zr或稀土中的至少一种，且其质量百分比为0.1~0.2wt%；
(3)对精炼后的钢水进行浇注和热处理，制得低碳高强度奥氏体耐热钢；所述热处理的具体方法为：将浇注后的铸件加热到1000~1300℃并保温，保温时间与铸件厚度之间的关系为1~2min/mm；然后将铸件水冷至120~150℃，保温1.5~2h后，将铸件温度上升至560~900℃，保温1.5~5.5h，之后冷却至室温。
2.根据权利要求1所述的低碳高强度奥氏体耐热钢的制备方法，其特征是：步骤(2)中氧气与氮气的流速比为6:1，氧气的流量为600m3/h。
3.根据权利要求1所述的低碳高强度奥氏体耐热钢的制备方法，其特征是，所述脱硫剂包括以下质量百分比的组分：CaO 50~65wt%，MgO 5~10wt%和Al2O3 30~40wt%。
4.根据权利要求1所述的低碳高强度奥氏体耐热钢的制备方法，其特征是，所述脱氧剂包括以下质量百分比的组分：Al 10~25wt%，Si 60~80wt%和Ca 8~18wt%。
5.根据权利要求1所述的低碳高强度奥氏体耐热钢的制备方法，其特征是：步骤(3)中浇注在卧式离心铸造机中进行；浇注过程中控制模具内孔跳动在0.5~4mm范围内，出钢、浇注、凝固以及冷却过程在20~35min中内完成。
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