CN109355572A - 高铬铁素体耐热钢及其制备方法 - Google Patents

高铬铁素体耐热钢及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高铬铁素体耐热钢及其制备方法。该高铬铁素体耐热钢包括按重量百分比计的如下化学成分：C：0.06～0.08％，Si：0.7～0.8％，Mn：0.7～0.9％，Cr：6～8％，Al：0.7～0.9％，其余为Fe及不可避免杂质。本发明的高铬铁素体耐热钢及其制备方法通过加入Al，并相应地提高Cr的含量，能够提高耐热钢的高温抗氧化性能，同时对C、Si、Mn、P和S的含量进行调整控制，能够生产出在室温条件下屈服强度大于250MPa、抗拉强度大于550MPa、以及伸长率为18～25％，并具有优异的抗高温氧化性能和焊接性能的高铬铁素体耐热钢，且制备成本低，能广泛运用于制造火电站塔式锅炉连接件。

Description

高铬铁素体耐热钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及铁素体耐热钢技术领域，尤其涉及一种高铬铁素体耐热钢及其制备方法。
背景技术
火力发电设备通常由电站锅炉、汽轮机、发电机和相应的辅机配套构成，由于各个部件的结构及性能不同，各个部件的运行条件存在较大差异，火力发电设备用钢种类较多，耗钢量大。火力发电设备在实际使用过程中，有些部件需要长期在高温高压条件下运行，有些部件需要在高速旋转条件下承受扭矩和冲击载荷的作用，有些部件则需要在烟汽水等腐蚀介质条件下工作，因此，火力发电设备中不同部件具有不同的性能要求。
由于超超临界参数机组能更大程度地节约能源和提高热效率，且机组的单机容量和蒸汽参数较高，随着火力发电技术的不断发展，超超临界参数机组的使用日益增多。但由于超超临界参数机组对火力发电设备用钢的性能要求较高，例如，火电站塔式锅炉受热面过热器、再热器、省煤器和水冷壁等管材之间需要大量的金属固定件进行连接，在超超临界参数机组中，由于锅炉温度和压力等参数提高，要求用于连接的金属固定件应具有较好的耐高温氧化性能、热强性能、耐蚀性和焊接性能，此时，传统的火力发电设备用钢如铁素体耐热钢1Cr5Mo无法满足使用要求，存在氧化严重和焊缝开裂等问题，若采用高合金含量的耐热不锈钢进行替换，则会导致材料成本过高。
公开号为CN101613832A、名称为《铁素体类耐热钢材》的中国专利文献公开了一种铁素体类耐热钢材，该铁素体类耐热钢材在传统铁素体耐热钢的基础上，通过提高Cr含量至9％以上，同时添加Co、V、Nb、Mo、W等元素提高强度和抗高温腐蚀性能，但由于该材料包含Co、Mo和W，成本过高，经济性较差，且焊接性能较差。
公开号为CN102994888A、名称为《新型高铬铁素体耐热钢及形变热处理工艺》的中国专利文献公开了一种新型高铬铁素体耐热钢，该新型高铬铁素体耐热钢以9Cr钢为基础，添加大量Cu、V、Nb、Ti析出强化元素，同时采用特殊的形变热处理工艺促进具有良好热稳定性的MX相的析出，从而提高钢的高温性能，然而该材料的氧化膜结构不稳定，高温抗氧化性能较差。
申请号为JP58135723、名称为《高铬耐热钢》的日本专利文献公开了一种高铬耐热钢，该高铬耐热钢将Cr含量提高到12％，通过复合添加W、Co、Mo、Nb、B、N等合金元素形成多相结构，通过沉淀强化和固溶强化的复合强化方式提高材料蠕变强度，然而该材料析出相种类繁多，在长期使用过程中会导致组织稳定性变差。
因此，有必要提供一种抗氧化性能优异且生产制造成本低的经济型铁素体耐热钢及其制备方法，以解决现有材料耐高温氧化性能差和焊接性能差等问题，并解决材料在冶炼、热加工、以及热处理等加工制备方面的难题，以满足火电站塔式锅炉连接件的使用要求。
发明内容
为解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种高铬铁素体耐热钢及其制备方法。
为此本发明公开了一种高铬铁素体耐热钢。该高铬铁素体耐热钢包括按重量百分比计的如下化学成分：
C：0.06～0.08％，Si：0.7～0.8％，Mn：0.7～0.9％，Cr：6～8％，Al：0.7～0.9％，其余为Fe及不可避免杂质。
此外，本发明还公开了一种用于制造上述高铬铁素体耐热钢的高铬铁素体耐热钢制备方法。该制备方法包括如下步骤：
1)钢水冶炼：按所述化学成分进行配料，冶炼出符合所述高铬铁素体耐热钢成分的钢水；
2)连铸：利用连铸机将所述钢水铸成板坯；
3)板坯修磨：对所述板坯进行表面热修磨；
4)板坯红送：将修磨后的所述板坯红送到加热炉；
5)热轧：将所述板坯加热热轧成钢板；
6)热处理：对热轧后的所述钢板进行热处理；
7)酸洗：对热处理后的所述钢板进行酸洗；
8)检验：对所述钢板进行检验；
9)包装入库：将检验合格的所述钢板包装入库。
进一步地，在所述高铬铁素体耐热钢制备方法中，所述钢水冶炼包括依次采用铁水预处理、K-OBM-S、VOD精炼和LF工艺冶炼出符合所述高铬铁素体耐热钢成分的钢水；
其中：
所述铁水预处理后带渣量控制为100～200kg，出钢温度控制为1250～1300℃，出钢P元素含量≤0.020％；
所述K-OBM-S中，在出钢前向包内吹氩气，出钢过程中进行吹氩气保护，出钢温度控制为1650～1690℃；
所述VOD精炼中，VOD真空度≤1.0mbar，还原时间控制为18～28min；
所述LF中，采用石灰和萤石调渣，出钢温度控制为1580～1620℃。
进一步地，在所述高铬铁素体耐热钢制备方法中，在所述连铸开始前，向中间包吹氩气5分钟，在所述连铸过程中，启动电磁搅拌，所述电磁搅拌参数为1500～1900A。
进一步地，在所述高铬铁素体耐热钢制备方法中，在300℃以上进行所述板坯修磨。
进一步地，在所述高铬铁素体耐热钢制备方法中，所述板坯红送过程中，将所述板坯的表面温度控制为300～400℃。
进一步地，在所述高铬铁素体耐热钢制备方法中，所述热轧前，对所述板坯进行保温处理，以使所述板坯的入炉温度≥200℃，所述热轧时的加热温度控制为1180～1220℃，加热时间为1.0～1.5min/mm，所述热轧的终轧温度控制为700～800℃，单道次轧制变形量为15～30％。
进一步地，在所述高铬铁素体耐热钢制备方法中，所述热处理的加热温度为760～840℃，所述热处理保温时间为6～8min/mm，所述热处理后的所述钢板出炉采用空冷。
本发明技术方案的主要优点如下：
本发明提供的高铬铁素体耐热钢及其制备方法通过加入Al，并相应地提高Cr的含量，能够提高耐热钢的高温抗氧化性能，同时对C、Si、Mn、P和S的含量进行调整控制，能够生产出在室温条件下屈服强度大于250MPa、抗拉强度大于550MPa、以及伸长率为18～25％，并具有优异的抗高温氧化性能和焊接性能的高铬铁素体耐热钢，且制备成本低，能广泛运用于制造火电站塔式锅炉连接件。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明一个实施例提供的高铬铁素体耐热钢制备方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下结合附图，详细说明本发明实施例提供的技术方案。
本发明实施例提供了一种高铬铁素体耐热钢，该高铬铁素体耐热钢包括按重量百分比计的如下化学成分：
C：0.06～0.08％，Si：0.7～0.8％，Mn：0.7～0.9％，Cr：6～8％，Al：0.7～0.9％，其余为Fe及不可避免杂质。
在本发明实施例提供的高铬铁素体耐热钢的成分设计中，各个合金元素的范围限定的效果具体如下：
C：C可以在钢中形成M23C6碳化物，其沉淀强化可以提高高温强度，但当C含量过高时，晶界碳化物数量会增多，造成晶界抗氧化性下降，同时焊接性能下降。因此，本发明实施例提供的高铬铁素体耐热钢中C含量限定在0.06～0.08％。
Si：Si元素被氧化形成SiO2氧化膜，其热稳定性高，能增加了Cr2O3氧化膜的致密度，而且可提高氧化膜与基体的附着力，减少剥落倾向，同时还可起到脱氧的作用。但Si与Fe基体欠配合度较大，只有少量固溶于铁素体内，又不易形成碳化物，反而形成金属间化合物(如FeSi等)，甚至形成非金属夹杂物，割裂组织，降低基体强度，故当Si含量过高时，会使钢材的脆性变高，并降低其力学性能。因此，本发明实施例提供的高铬铁素体耐热钢中Si含量限定在0.7～0.8％。
Mn：Mn作为冶炼时的脱氧和脱硫剂添加，可大幅提高材料纯净度，同时能大幅提高材料冲击韧性，但当Mn添加量过大时，会降低材料的耐蚀性和焊接性能。因此，本发明实施例提供的高铬铁素体耐热钢中Mn含量限定为0.7～0.9％。
Cr：Cr除了固溶强化铁素体外，还能提高铁基体的电极电位，加强基体的耐腐蚀性，在高温下Cr与氧反应生成Cr2O3，Cr2O3为菱方晶系结构，热稳定性较高，不易分解，且一定量的Cr能形成连续致密的Cr2O3氧化膜，阻止外部氧的进一步侵入，对内部基体组织具有较强的保护性，可大大增强高温抗氧化能力。但当Cr含量过高时，提高效果不明显，且会增加合金成本，严重时会产生大量有害σ相，降低组织稳定性。因此，本发明实施例提供的高铬铁素体耐热钢中Cr含量限定为6～8％。
Al：Al在高温下可以与氧生成Al2O3氧化膜，具有与Cr2O3相同的菱方晶系结构，但热稳定性高于Cr2O3，熔点达到2030℃，氧化膜组织致密，成分稳定，其依附于Cr2O3上，可以大幅提高材料抗氧化性。但当Al含量过高时，会导致材料冲击韧性和焊接性能严重恶化。因此，本发明实施例提供的高铬铁素体耐热钢中Al含量限定为0.7～0.9％。
如附图1所示，本发明实施例还提供了一种用于制造上述高铬铁素体耐热钢的高铬铁素体耐热钢制备方法，该制备方法包括如下步骤：
1)钢水冶炼：按上述化学成分进行配料，冶炼出符合上述高铬铁素体耐热钢成分的钢水；
2)连铸：利用连铸机将钢水铸成板坯；
3)板坯修磨：对板坯进行表面热修磨；
4)板坯红送：将修磨后的板坯红送到加热炉；
5)热轧：将板坯加热热轧成钢板；
6)热处理：对热轧后的钢板进行热处理；
7)酸洗：对热处理后的钢板进行酸洗；
8)检验：对钢板进行检验；
9)包装入库：将检验合格的钢板包装入库。
具体地，在上述高铬铁素体耐热钢制备方法中，钢水冶炼包括依次采用铁水预处理、K-OBM-S、VOD精炼和LF工艺冶炼出符合上述高铬铁素体耐热钢成分的钢水；
其中：铁水预处理后带渣量控制为100～200kg，出钢温度控制为1250～1300℃，出钢P元素含量≤0.020％；在K-OBM-S中，在出钢前向包内吹氩气，出钢过程中进行吹氩气保护，出钢温度控制为1650～1690℃；在VOD精炼中，VOD真空度≤1.0mbar，还原时间控制为18～28min；在LF中，采用石灰和萤石调渣，出钢温度控制为1580～1620℃。
在上述高铬铁素体耐热钢制备方法中，在连铸开始前，向中间包吹氩气5分钟，且在连铸过程中，启动电磁搅拌，电磁搅拌参数为1500～1900A。
在上述高铬铁素体耐热钢制备方法中，在300℃以上进行板坯修磨。
在上述高铬铁素体耐热钢制备方法中，板坯红送过程中，将板坯的表面温度控制为300～400℃。
在上述高铬铁素体耐热钢制备方法中，在热轧前，先对板坯进行保温处理，以使板坯的入炉温度≥200℃，热轧时的加热温度控制为1180～1220℃，加热时间为1.0～1.5min/mm，热轧的终轧温度控制为700～800℃，单道次轧制变形量为15～30％。
在上述高铬铁素体耐热钢制备方法中，热处理的加热温度为760～840℃，热处理保温时间为6～8min/mm，热处理后的钢板出炉采用空冷。
以下结合具体实施例和对比例进行说明
本发明的高铬铁素体耐热钢的实施例及对比例成分参见表1。
其中，对比例钢种为1Cr5Mo。
表1(成分表，单位为重量百分比)
成分 C Si Mn P S Cr Al Mo
实施例1 0.060 0.70 0.90 0.012 0.001 6.0 0.70
实施例2 0.063 0.79 0.84 0.013 0.001 6.3 0.74
实施例3 0.068 0.82 0.81 0.011 0.001 7.1 0.81
实施例4 0.076 0.91 0.78 0.012 0.001 7.5 0.86
实施例5 0.080 0.80 0.73 0.013 0.001 8.0 0.90
对比例 0.12 0.25 0.70 0.015 0.002 5.1 0.52
上述实施例的铁素体耐热不锈钢及对比例的具体制备方法如下：
依次采用铁水预处理→K-OBM-S→VOD精炼→钢包精炼炉(LF)→连铸工艺冶炼出板坯，板坯出连铸机后，在300℃以上完成表面热修磨工艺，修磨完成后将板坯红送至加热炉进行加热热轧，板坯的入炉温度控制在200℃以上，加热温度为1180～1220℃，加热时间根据坯料厚度不同设定为1.0～1.5min/mm，热轧时终轧温度为700～800℃，单道次轧制变形量为15～25％，热轧完成后进行热处理，热处理温度为760～840℃，保温时间根据坯料厚度不同设定为6～8min/mm，出炉后采用空冷进行冷却，而后再进行酸洗、检验，检验合格后包装入库。
利用上述制备方法可生产出包括6mm、10mm、12mm、15mm、18mm和20mm等规格的钢板。
对本发明的高铬铁素体耐热钢的实施例及对比例所得成品进行室温力学性能检测，检测结果参见表2。
表2(室温力学性能表)
对本发明的高铬铁素体耐热钢的实施例及对比例所得成品进行抗高温氧化性能试验，试验结果参见表3。
表3(抗高温氧化性能表)
可见，本发明实施例提供的高铬铁素体耐热钢的室温力学性能和抗高温氧化性能明显优于对比例。
本发明实施例提供的高铬铁素体耐热钢及其制备方法通过加入Al，并相应地提高Cr的含量，能够提高耐热钢的高温抗氧化性能，同时对C、Si、Mn、P和S的含量进行调整控制，能够生产出在室温条件下屈服强度大于250MPa、抗拉强度大于550MPa、以及伸长率为18～25％，并具有优异的抗高温氧化性能和焊接性能的高铬铁素体耐热钢，且制备成本低，能够用于制造火电站塔式锅炉连接件。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，本文中“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”均以附图中表示的放置状态为参照。
最后应说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种高铬铁素体耐热钢，其特征在于，所述高铬铁素体耐热钢包括按重量百分比计的如下化学成分：
C：0.06～0.08％，Si：0.7～0.8％，Mn：0.7～0.9％，Cr：6～8％，Al：0.7～0.9％，其余为Fe及不可避免杂质。
2.一种用于制造如权利要求1所述的高铬铁素体耐热钢的高铬铁素体耐热钢制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
1)钢水冶炼：按所述化学成分进行配料，冶炼出符合所述高铬铁素体耐热钢成分的钢水；
2)连铸：利用连铸机将所述钢水铸成板坯；
3)板坯修磨：对所述板坯进行表面热修磨；
4)板坯红送：将修磨后的所述板坯红送到加热炉；
5)热轧：将所述板坯加热热轧成钢板；
6)热处理：对热轧后的所述钢板进行热处理；
7)酸洗：对热处理后的所述钢板进行酸洗；
8)检验：对所述钢板进行检验；
9)包装入库：将检验合格的所述钢板包装入库。
3.根据权利要求2所述的高铬铁素体耐热钢制备方法，其特征在于，所述钢水冶炼包括依次采用铁水预处理、K-OBM-S、VOD精炼和LF工艺冶炼出符合所述高铬铁素体耐热钢成分的钢水；
其中：
所述铁水预处理后带渣量控制为100～200kg，出钢温度控制为1250～1300℃，出钢P元素含量≤0.020％；
所述K-OBM-S中，在出钢前向包内吹氩气，出钢过程中进行吹氩气保护，出钢温度控制为1650～1690℃；
所述VOD精炼中，VOD真空度≤1.0mbar，还原时间控制为18～28min；
所述LF中，采用石灰和萤石调渣，出钢温度控制为1580～1620℃。
4.根据权利要求3所述的高铬铁素体耐热钢制备方法，其特征在于，在所述连铸开始前，向中间包吹氩气5分钟，在所述连铸过程中，启动电磁搅拌，所述电磁搅拌参数为1500～1900A。
5.根据权利要求4所述的高铬铁素体耐热钢制备方法，其特征在于，在300℃以上进行所述板坯修磨。
6.根据权利要求5所述的高铬铁素体耐热钢制备方法，其特征在于，所述板坯红送过程中，将所述板坯的表面温度控制为300～400℃。
7.根据权利要求6所述的高铬铁素体耐热钢制备方法，其特征在于，所述热轧前，对所述板坯进行保温处理，以使所述板坯的入炉温度≥200℃，所述热轧时的加热温度控制为1180～1220℃，加热时间为1.0～1.5min/mm，所述热轧的终轧温度控制为700～800℃，单道次轧制变形量为15～30％。
8.根据权利要求7所述的高铬铁素体耐热钢制备方法，其特征在于，所述热处理的加热温度为760～840℃，所述热处理保温时间为6～8min/mm，所述热处理后的所述钢板出炉采用空冷。
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