CN108642364A - 超超临界机组马氏体耐热钢及其真空感应炉冶炼工艺 - Google Patents

超超临界机组马氏体耐热钢及其真空感应炉冶炼工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超超临界机组马氏体耐热钢及其真空感应炉冶炼工艺，超超临界机组马氏体耐热钢，其化学分子式为13Cr9Mo2Co1VNbNB，用于600℃/620℃/30Mpa第二代超超临界机组燃气轮机高温部件的制造。其制备工艺采用真空感应炉冶炼，选取包含工业纯铁、金属铬、金属锰、金属钼、钒铁、金属钴、铌铁、硼铁、工业纯硅、电极块、氮化铬铁和镍板的炉料，经过熔化期、精炼期后出钢，惰性气体保护浇注，得到合格的马氏体耐热钢钢锭。本发明在准确控制Cr、Mo、Co、V、Nb等合金元素的同时，采用氩氮混合气体保证气压，稳定保证了易挥发、易烧损元素的成分精确控制，大大提高了耐热钢冶炼成分的稳定性，满足第二代超超临界机组发展的需求。

Description

超超临界机组马氏体耐热钢及其真空感应炉冶炼工艺
技术领域
本发明涉及耐热钢冶金技术领域，具体来的说是一种超超临界机组马氏体耐热钢及其真空感应炉冶炼工艺。
背景技术
为降低燃料消耗和减少CO2排放，超超临界机组（26MPa/600℃）技术正在向更高的参数方向发展。但由于耐热钢使用温度和高温耐腐蚀性制约，参数的进一步发展受到了一定限制。13Cr9Mo2Co1VNbNB耐热钢属于改进型9～12% Cr耐热钢，是一种新型的马氏体型耐热钢，具有优良的导热性、低的热膨胀系数、良好的抗晶间腐蚀和抗应力腐蚀性能，是第二代超超临界机组（600℃/620℃/30MPa）高温部件优良选材。同时，13Cr9Mo2Co1VNbNB材料性能指标要求极高，质量要求严格。该材料不仅钢种成分复杂，合金元素众多，而且要求范围窄，气体及夹杂物含量要求高，化学成分控制非常困难，冶炼难度很大。因此，冶炼出高品质的超级耐热钢，可以成功的解决超超临界机组耐热钢的材料问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超超临界机组马氏体耐热钢及其真空感应炉冶炼工艺，该耐热钢用于600℃/620℃/30Mpa第二代超超临界机组燃气轮机高温部件的制备。
为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：
一种超超临界机组马氏体耐热钢，其化学分子式为13Cr9Mo2Co1VNbNB，用于600℃/620℃/30Mpa第二代超超临界机组燃气轮机高温部件的制造，以重量百分比计，它包括如下组分：C:0.11~0.13，Si:0.22~0.27，Mn:0.82~0.95，P≤0.015，S≤0.008，Cr:9.2~9.5，Mo:1.45~1.58，Co:0.95~1.05，V:0.18~0.21，Ni:0.12~0.18，Nb:0.05~0.065，N:0.015~0.020，B:0.008~0.011，残余元素Cu≤0.10；Al≤0.020， As≤0.025；Sn≤0.015；Sb≤0.001；气体元素[H]≤0.0007；[O]≤0.0090；余量为Fe及不可避免的杂质。
一种超超临界机组马氏体耐热钢的真空感应炉冶炼工艺，本工艺用于冶炼如上所述的超超临界机组马氏体耐热钢，它包括以下内容：
（1）炉料：包含工业纯铁、金属铬、金属锰、金属钼、钒铁、金属钴、铌铁、硼铁、工业纯硅、电极块、氮化铬铁和镍板；冶金过程中加入的合金及辅料及砂箱使用前必须烘烤干燥；
（2）布料：坩埚外圈布放长度为750mm工业纯铁棒料，中间底部布放长度为100mm工业纯铁棒料，在下部布放金属钴、镍板，中部布放金属钼和全部电极块，中上部布放铌铁、钒铁、金属铬，上部布放长度为100mm工业纯铁棒料；装料要下紧上松，精心布料，便于自动塌料，防止架桥；
（3）熔化期：合炉逐级启动机械泵和罗茨泵，将炉内抽真空至10Pa以下；通水后通电，逐级升功率调整升温，升温速度为600℃/h，控制融化速度，较慢熔化，保证炉料充分预热而不使局部过热，炉料能充分去气而不产生喷溅，钢液面无气泡上浮；炉料全熔后测温1560~1570℃，保温3min，待炉料熔清，取样检测分析，钢液面平静，进入精炼期；
（4）精炼期：
a、全熔后，开动全部高真空泵进行抽气，控制好钢液的精炼温度1560~1570℃，保持10min后，根据分析结果调整钢液成分至C:0.11~0.13，Cr:9.2~9.5，Mo:1.45~1.58，Co:0.95~1.05，V:0.18~0.21，Ni:0.12~0.18，Nb:0.05~0.065，并加入工业纯硅；
b、保持10min后停止抽真空，充入氮气至9kPa，再充入氩气至混合气压达12kPa；加入电解锰1.9kg、氮化铬铁0.3kg，保证充分升温并搅拌5min，调整炉内温度至1560~1570℃，再次取样检测分析，根据分析结果调整钢液中除B以外的元素至目标值，即C:0.11~0.13，Si:0.22~0.27，Mn:0.82~0.95，Cr:9.2~9.5，Mo:1.45~1.58，Co:0.95~1.05，V:0.18~0.21，Ni:0.12~0.18，Nb:0.05~0.065，N:0.015~0.020；
c、出钢前，将砂型送入锭模室，开启机械泵对锭模室抽真空，使锭模室气压保持在8KPa，然后向冶炼室内充氩气至8KPa，与锭模室压力平衡，打开两室隔板，将砂箱送进冶炼室，对准浇口，加入纸包裹的硼铁0.185kg，并充分搅拌2min，立即出钢，出钢温度1560~1570℃；
（5）惰性气体保护浇注：钢液浇注温度为1560~1570℃；浇注前，应先将渣浮至炉后，浇注全过程开启罗茨泵，保证冶炼室真空度保持在10KPa，防止砂型发气量过大导致室内压力过大；快速浇注，钢液不能断流；浇注结束后，待铸件凝固30min，推出锭模室，常温下冷却，得到符合要求的超超临界机组马氏体耐热钢钢锭。
本发明所述工艺在执行前δ-铁素铁相的预定测算，按Schaeffler相图及和Creq（铬当量）计算公式：
保证钢的δ-铁素体相≤3%。
根据本发明所述工艺制备的13Cr9Mo2Co1VNbNB马氏体耐热钢，其O、H、S、P元素含量均很低，同时强度高、冲击韧性好、偏析小、性能稳定，可满足第二代超超临界机组高温部件的工艺参数要求，为超超临界机组制造技术和性能的提升起到了关键性的作用。
附图说明
图1是本发明所制备的超超临界机组马氏体耐热钢经过热处理后的金相组织图片。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的说明。
一种超超临界机组马氏体耐热钢，其化学分子式为13Cr9Mo2Co1VNbNB，用于600℃/620℃/30Mpa第二代超超临界机组燃气轮机高温部件的制造，以重量百分比计，它包括如下组分：C:0.11~0.13，Si:0.22~0.27，Mn:0.82~0.95，P≤0.015，S≤0.008，Cr:9.2~9.5，Mo:1.45~1.58，Co:0.95~1.05，V:0.18~0.21，Ni:0.12~0.18，Nb:0.05~0.065，N:0.015~0.020，B:0.008~0.011，残余元素Cu≤0.10；Al≤0.020， As≤0.025；Sn≤0.015；Sb≤0.001；气体元素[H]≤0.0007；[O]≤0.0090；余量为Fe及不可避免的杂质。
一种超超临界机组马氏体耐热钢的真空感应炉冶炼工艺，本工艺用于冶炼如上所述的超超临界机组马氏体耐热钢，它包括以下内容：
（1）炉料：钢水总量为175Kg，包含工业纯铁148.6kg、工业纯硅0.505kg、电解锰1.964kg、金属铬16.932 kg、金属钼2.678 kg、钒铁0.722 kg、铌铁0.175 kg、硼铁0.185 kg、镍板0.263 kg、钴板1.75 kg、氮化铬铁0.938 kg、电极块0.274 kg。
冶金过程中加入的合金及辅料及砂箱使用前必须烘烤干燥；
（2）冶炼操作要点
a、生产前合金、砂型提前进行烘烤，去除水分；
b、生产前检查真空、水、电系统并填写冷运行检查表，设备条件不能保证的情况下不能开炉；
c、电极块应添加在坩埚中心位置，不得与坩埚壁及坩埚底直接接触，避免碳氧反应温度过高对坩埚烧损；
d、难熔金属（Mo、V、Nb）添加在坩埚中部温度最高区域，坩埚底部添加粒度小的炉料，保护坩埚；
e、感应炉在升温熔炼过程中，功率由小到大，逐步增加，避免升温过快，降低坩埚使用寿命；
f、冶炼过程中关键节点必须准确测温，温度符合标准要求后再进行取样，不允许操作工根据经验判断；测温枪、取样勺必须充分预热，取出后快速送检；
g、钢液浇注应该先慢后快，保证钢液流动持续稳定，避免忽快忽慢甚至断流的情况出现；
（3）布料：装入量为175kg，坩埚外圈布放规格为φ40mm×750mm工业纯铁棒料，中间底部布放规格为φ40mm×100mm工业纯铁棒料，在下部布放金属钴、镍板，中部布放金属钼和全部电极块，中上部布放铌铁、钒铁、金属铬，上部布放规格为φ40mm×100mm工业纯铁棒料；装料要下紧上松，精心布料，便于自动塌料，防止架桥；
（4）熔化期：合炉逐级启动机械泵和罗茨泵，将炉内抽真空至10Pa以下；通水后通电，逐级升功率调整升温，升温速度为600℃/h，控制融化速度，较慢熔化，保证炉料充分预热而不使局部过热，炉料能充分去气而不产生喷溅，钢液面无气泡上浮；炉料全熔后测温1560~1570℃，保温3min，待炉料熔清，取样检测分析，钢液面平静，进入精炼期；
（5）精炼期：
a、全熔后，开动全部高真空泵进行抽气，控制好钢液的精炼温度1560~1570℃，保持10min后，根据分析结果调整钢液成分至C:0.11~0.13，Cr:9.2~9.5，Mo:1.45~1.58，Co:0.95~1.05，V:0.18~0.21，Ni:0.12~0.18，Nb:0.05~0.065，并加入工业纯硅；
b、保持10min后停止抽真空，充入氮气至9kPa，再充入氩气至混合气压达12kPa；加入电解锰1.9kg、氮化铬铁0.3kg，保证充分升温并搅拌5min，调整炉内温度至1560~1570℃，再次取样检测分析，根据分析结果调整钢液中除B以外的元素至目标值，即C:0.11~0.13，Si:0.22~0.27，Mn:0.82~0.95，Cr:9.2~9.5，Mo:1.45~1.58，Co:0.95~1.05，V:0.18~0.21，Ni:0.12~0.18，Nb:0.05~0.065，N:0.015~0.020；
c、出钢前，将砂型送入锭模室，开启机械泵对锭模室抽真空，使锭模室气压保持在8Kpa，然后向冶炼室内充氩气至8Kpa，与锭模室压力平衡，打开两室隔板，将砂箱送进冶炼室，对准浇口，加入纸包裹的硼铁0.185kg，并充分搅拌2min，立即出钢，出钢温度1560~1570℃；
（5）惰性气体保护浇注：钢液浇注温度为1560~1570℃；浇注前，应先将渣浮至炉后，浇注全过程开启罗茨泵，保证冶炼室真空度保持在10Kpa，防止砂型发气量过大导致室内压力过大；快速浇注，钢液不能断流；浇注结束后，待铸件凝固30min，推出锭模室，常温下冷却，得到符合要求的超超临界机组马氏体耐热钢钢锭。
所制备的超超临界机组马氏体耐热钢的测试结果化学成分（wt%）：
C:0.12，Si:0.25，Mn:0.90，P≤0.013，S≤0.007，Cr:9.40，Mo:1.50，Co:1.05，V:0.19，Ni: 0.18，Nb: 0.060，B: 0.0100，N:0.0190，残余元素Cu≤0.01；Al≤0.010， As≤0.005；Sn≤0.001；Sb≤0.001；气体元素[H]≤0.0002；[O]≤0.0020；余量为Fe。
超声波探伤：选用频率2~4MHz，采用垂直法扫查方式，分别选用探伤灵敏度为φ6.4/φ2.4的两种探头，对铸态砂型铸造试块进行超声波探伤，均未发现缺陷及晶粒异常。
结论：从测试结果可知，本发明所述的真空感应炉冶炼工艺在准确控制Cr、Mo、Co、V、Nb等合金元素的同时，采用一定氩气、氮气混合气体气压保证的方法，稳定保证了B、N、Mn等易挥发、易烧损元素的成分精确控制，大大提高了13Cr9Mo2Co1VNbNB等冶炼成分稳定性，满足第二代超超临界机组发展的需求。
试块检测结果：
化学成分见表1
表1 13Cr9Mo2Co1VNbNB钢化学成分（w%）
金相组织：经过热处理后的金相组织为板条马氏体组织，板条间有细小析出物（详见说明书附图图1）。
力学性能如表2所示
表2 力学性能

Claims (2)

1.一种超超临界机组马氏体耐热钢，其化学分子式为13Cr9Mo2Co1VNbNB，用于600℃/620℃/30Mpa第二代超超临界机组燃气轮机高温部件的制造，其特征在于：以重量百分比计，它包括如下组分：C:0.11~0.13，Si:0.22~0.27，Mn:0.82~0.95，P≤0.015，S≤0.008，Cr:9.2~9.5，Mo:1.45~1.58，Co:0.95~1.05，V:0.18~0.21，Ni:0.12~0.18，Nb:0.05~0.065，N:0.015~0.020，B:0.008~0.011，残余元素Cu≤0.10；Al≤0.020， As≤0.025；Sn≤0.015；Sb≤0.001；气体元素[H]≤0.0007；[O]≤0.0090；余量为Fe及不可避免的杂质。
2.一种超超临界机组马氏体耐热钢的真空感应炉冶炼工艺，本工艺用于冶炼如权利要求1所述的超超临界机组马氏体耐热钢，其特征在于：它包括以下内容：
（1）炉料：包含工业纯铁、金属铬、金属锰、金属钼、钒铁、金属钴、铌铁、硼铁、工业纯硅、电极块、氮化铬铁和镍板；冶金过程中加入的合金及辅料及砂箱使用前必须烘烤干燥；
（2）布料：坩埚外圈布放长度为750mm工业纯铁棒料，中间底部布放长度为100mm工业纯铁棒料，在下部布放金属钴、镍板，中部布放金属钼和全部电极块，中上部布放铌铁、钒铁、金属铬，上部布放长度为100mm工业纯铁棒料；装料要下紧上松，精心布料，便于自动塌料，防止架桥；
（3）熔化期：合炉逐级启动机械泵和罗茨泵，将炉内抽真空至10Pa以下；通水后通电，逐级升功率调整升温，升温速度为600℃/h，控制融化速度，较慢熔化，保证炉料充分预热而不使局部过热，炉料能充分去气而不产生喷溅，钢液面无气泡上浮；炉料全熔后测温1560~1570℃，保温3min，待炉料熔清，取样检测分析，钢液面平静，进入精炼期；
（4）精炼期：
a、全熔后，开动全部高真空泵进行抽气，控制好钢液的精炼温度1560~1570℃，保持10min后，根据分析结果调整钢液成分至C:0.11~0.13，Cr:9.2~9.5，Mo:1.45~1.58，Co:0.95~1.05，V:0.18~0.21，Ni:0.12~0.18，Nb:0.05~0.065，并加入工业纯硅；
b、保持10min后停止抽真空，充入氮气至9kPa，再充入氩气至混合气压达12kPa；加入电解锰1.9kg、氮化铬铁0.3kg，保证充分升温并搅拌5min，调整炉内温度至1560~1570℃，再次取样检测分析，根据分析结果调整钢液中除B以外的元素至目标值，即C:0.11~0.13，Si:0.22~0.27，Mn:0.82~0.95，Cr:9.2~9.5，Mo:1.45~1.58，Co:0.95~1.05，V:0.18~0.21，Ni:0.12~0.18，Nb:0.05~0.065，N:0.015~0.020；
c、出钢前，将砂型送入锭模室，开启机械泵对锭模室抽真空，使锭模室气压保持在8KPa，然后向冶炼室内充氩气至8KPa，与锭模室压力平衡，打开两室隔板，将砂箱送进冶炼室，对准浇口，加入纸包裹的硼铁0.185kg，充分搅拌2min，立即出钢，出钢温度1560~1570℃；
（5）惰性气体保护浇注：钢液浇注温度为1560~1570℃；浇注前，应先将渣浮至炉后，浇注全过程开启罗茨泵，保证冶炼室真空度保持在10KPa，防止砂型发气量过大导致室内压力过大；快速浇注，钢液不能断流；浇注结束后，待铸件凝固30min，推出锭模室，常温下冷却，得到符合要求的超超临界机组马氏体耐热钢钢锭。
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