CN109913727A

CN109913727A - 一种轧钢加热炉耐热垫块用的耐高温铬铁合金及其制备方法

Info

Publication number: CN109913727A
Application number: CN201811298747.4A
Authority: CN
Inventors: 曹恒; 刘志民; 麻卫平; 陈迪安; 李金保; 陈俊男; 王蕾
Original assignee: Beijing Shougang Co Ltd
Current assignee: Beijing Shougang Co Ltd
Priority date: 2018-11-02
Filing date: 2018-11-02
Publication date: 2019-06-21

Abstract

本发明提供了一种轧钢加热炉耐热垫块用的耐高温铬铁合金，以重量百分比计，含有铬80～90％，钨1.5～3.5％，铁10～18％和不可避免的杂质。采用耐高温铬铁合金真空冶炼，精密铸造制备的耐热垫块，可实现在1300℃～1420℃的轧钢加热炉炉温下长期使用，同时，布置在加热炉水冷梁上支撑钢坯,具有较好的抗高温压缩蠕变性能、抗高温氧化性能，缓解氧化、蠕变和积瘤的问题,延长耐热垫块的使用寿命。

Description

一种轧钢加热炉耐热垫块用的耐高温铬铁合金及其制备方法

技术领域

本发明属于高温合金材料技术领域，具体涉及一种轧钢加热炉耐热垫块用的耐高温铬铁合金及其制备方法。

背景技术

钢坯在轧制前必须使用连续式轧钢加热炉加热，使得钢坯依次进行预热、加热、均热(等温)三个过程，将钢坯加热至特定的工艺温度，且要求钢坯的内外温度趋于一致。连续式轧钢加热炉包括有步进式加热炉和推钢式加热炉，连续式轧钢加热炉内均设置有水冷梁，在钢坯的加热过程中，炉内水冷梁上布置有耐热垫块，被加热的钢坯直接布置在耐热垫块上，耐热垫块是连续式轧钢加热炉的关键部件，其长期处于高温、高负载以及腐蚀气氛的恶劣工况下，对耐热垫块的材质要求非常严格。

国内加热炉的耐热垫块主要使用Co合金制造，牌号主要有Co40、Co50及更高牌号的Co60。Co合金熔点在1380～1390℃，其在使用过程中存在的主要问题是烧损、高温蠕变，耐热垫块的冷却效果不佳，加热炉内板坯加热后存在明显的水梁黑印，影响成品质量。并且，在1300℃以下的使用温度下，寿命仅3～5年。同时，因高温硅钢加热炉炉温达1420℃，Co合金耐热垫块烧损更加严重，使用寿命仅为1年。

为了提高垫块的使用寿命、缓解水梁黑印，需要研制一种具有耐高温、抗蠕变的耐高温合金。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种轧钢加热炉耐热垫块用的耐高温铬铁合金，以逐步替代目前广泛使用的Co合金耐热垫块。本发明提供的耐高温铬铁合金可实现在1300℃～1420℃的轧钢加热炉炉温下长期使用，同时，布置在加热炉水冷梁上支撑钢坯，具有较好的抗高温压缩蠕变性能、抗高温氧化性能，缓解氧化、蠕变和积瘤的问题，延长耐热垫块的使用寿命。

本发明第一方面提供了一种轧钢加热炉耐热垫块用的耐高温铬铁合金，以重量百分比计，含有铬80～90％，钨1.5～3.5％，铁8～18％和不可避免的杂质。

目前加热炉的耐热垫块主要使用Co合金，以Co50耐热垫块为例，Co50耐热垫块的成分一般为C：0.20-0.25；Si：0.5-1.5；Mn：0.5-1.5；Cr：27-30；Co：48-52；Nb：2-2.2；Fe：余。Co，作为基体元素，是因为Co在一定的高温和应力条件下，具有相对平坦的应变量和时间关系曲线，能够保证合金的抗高温蠕变性能。Co合金耐热垫块的熔点在1380℃，轧钢加热炉的炉温在1300℃～1420℃，已接近甚至超出Co合金耐热垫块的熔点，从而导致Co合金耐热垫块的使用寿命较短。钴基合金和铬基合金均具有高温耐压强度、高温抗氧化性能、抗渣性能、抗急冷急热性能和高温蠕变性能。本发明尝试以Cr作为基本元素，是因为Cr具有高熔点、高强度、和耐磨性。同时，本发明提供的铬铁合金中Cr能够形成稳定、致密的Cr₂O₃层，降低合金的氧化速率，提高合金的抗高温氧化性能，特别是抗高温氧化性能。在基本元素Cr中加入10～20％的Fe，能够改善合金的塑形和韧性。进一步向铬铁合金中引入1.5～3.5％的W，起固溶强化作用，提高合金的高温持久强度。Fe、W的加入量将直接影响合金熔点及韧性，铁铬系平衡相图如附图1所示，确定铬和铁的合理范围，当铬含量高于80％时，其合金熔点达到1650℃以上。随着铬含量升高，合金熔点进一步升高。而当铬含量降低时，其合金熔点降低。同时，当铬含量低于70％时，其合金在低温区会产生磁性转变，导致合金带有磁性，同时发生磁性转变过程会有一定的体积变化，从而影响耐热垫块的外形。据此，为了避免上述问题，确定铬80～90％，钨1.5～3.5％，铁10～20％，以产生更好的协同作用，获得抗高温压缩蠕变性能、抗高温氧化性更好的合金材料。

优选的，以重量百分比计，所述不可避免的杂质含量≤0.1％。杂质含量应尽量少，最高不能超过0.1％，避免影响合金性能。

更加优选的，以重量百分比计，所述耐高温铬铁合金含有铬84～86％，钨1.5～2.0％，铁12～14％和不可避免的杂质。此为耐高温铬铁合金的最佳配比，在本发明的一个实施例中，该配比下的合金耐热垫块在1300℃时耐氧化性可达Co50耐热垫块的3倍，且高温蠕变率仅为Co50耐热垫块的0.13倍，性能显著优于Co50耐热垫块。

本发明第二方面提供了上述耐高温铬铁合金的制备方法，步骤包括：

S1、按耐高温铬铁合金的配比，先将铬、铁混合，熔化得铬铁合金液；

S2、向铬铁合金液中加入钨，混合均匀得母合金；

S3、将母合金进行真空冶炼、浇铸成型得耐高温铬铁合金。

优选的，步骤S1所述熔化温度为1650～1700℃。熔化温度应根据合金组份来确定，合金熔点会有所变化，在本发明提供的配比下铬铁合金熔点在1650℃以上。

优选的，步骤S2所述真空冶炼温度为1800-1900℃。

优选的步骤S2中，采用模铸法浇铸成型，所述浇铸温度为1680-1720℃。铬铁合金往往具备脆性、难加工性，导致其的实际应用较少。本发明在优化合金组成的基础上下，进一步控制合金熔炼温度需达1800℃以上，再采用模铸法整体成型，有效避免了合金的加工难的问题。

本发明第三方面提供了一种轧钢加热炉耐热垫块，将上述制备方法制备得到的耐高温铬铁合金清理精整、检验，即得轧钢加热炉耐热垫块。在所述清理精整环节，应对产品表面进行打磨从而使其表面光滑平整，不得存在凹坑。

优选的，所述清理精整使耐高温铬铁合金表面打磨至光滑平整；所得轧钢加热炉耐热垫块为厚度100-120mm的长方体结构。为了减少垫块的烧损和蠕变，需要保证耐热垫块的冷却效果，常规耐热垫片由于材料性能的限制往往厚度较大，采用本发明提供的耐高温铬铁合金，可制备厚度小于120mm的耐热垫片，以保证良好的冷却效果。

与现有技术相比，本发明提供的该耐高温铬铁合金具有以下优点：

1、熔点≥1650℃，可实现在1300℃～1420℃的轧钢加热炉炉温下长期使用。而Co合金耐热垫块的熔点一般＜1400℃。

2、抗高温蠕变性能，在1300℃的常用温度下，使用约4倍于设计应力的负载，重复10000次的变形率为0.18％，年变形量＜3mm。而相同条件下Co合金耐热垫块的变形率在1％，年变形量≈10mm。

3、耐氧化性能，在1300℃的常用温度下，氧化性能为2.2g/(m²·hr)，而相同条件下Co合金耐热垫块的氧化性能为7～8g/(m²·hr)。

因此，本发明提供的耐高温铬铁合金垫块能够有效缓解氧化、蠕变和积瘤的问题，延长耐热垫块的使用寿命，能够替代目前广泛使用的Co合金耐热垫块，具备良好的应用前景。

附图说明

附图1为铁铬系平衡相图。

附图2为实施2中耐热垫片的安装示意图。其中，1为耐热垫块、2为卡块、3为加热炉水冷梁。

附图3为实施例2中使用两年后的耐热垫片情况对比图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

本发明第一方面提供了一种轧钢加热炉耐热垫块用的耐高温铬铁合金，以重量百分比计，含有铬80～90％，钨1.5～3.5％，铁8～18％和不可避免的杂质。所述不可避免的杂质含量≤0.1％。作为一种优选方式，所述耐高温铬铁合金含有铬84～86％，钨1.5～2.0％，铁12～14％和不可避免的杂质。

S1、按耐高温铬铁合金的配比，先将铬、铁混合，1650～1700℃下熔化得铬铁合金液；

S2、向铬铁合金液中加入钨，混合均匀得母合金；

S3、将母合金1800-1900℃下进行真空冶炼，采用模铸法浇铸成型，所述浇铸温度为1680-1720℃，得耐高温铬铁合金。

本发明第三方面提供了一种轧钢加热炉耐热垫块，将上述制备方法制备得到的耐高温铬铁合金清理精整、检验，即得厚度100-120mm的长方体结构的轧钢加热炉耐热垫块，在所述清理精整环节，对产品表面进行打磨从而使其表面光滑平整，不得存在凹坑。

实施例1

本实施例提供了一种轧钢加热炉耐热垫块用的耐高温铬铁合金，其化学成分如表1所示。

表1高温铬铁合金化学成分

铬	铁	钨	其它
				85％	13％	1.9％	0.1％

本发明的耐高温铬铁合金采用真空冶炼，精密铸造成型，其主要工艺流程为：工艺设计→模具制造→合金熔炼→浇铸→清理精整→检验→成品。

具体过程如下：

设计工艺，制备具有耐高温特性的精密铸造用模具。按耐高温铬铁合金的配比，先将铬、铁混合，1680℃下熔化得铬铁合金液；向铬铁合金液中加入钨，混合均匀得母合金；将母合金于1850℃下进行真空冶炼，采用模铸法浇铸成型，总体外形尺寸(长×宽×高)：180×65×120mm，所述浇铸温度为1700℃，得耐高温铬铁合金。进一步清理精整，对产品表面进行打磨从而使其表面光滑平整，不存在凹坑，检验成分符合要求后即得耐高温垫片成品。

实施例2

本实施例对实施例1提供的耐高温垫片进行了性能测试，为了与其测试结果形成对比，对目前加热炉的耐热垫块常规材料Co50进行了相同条件下的性能测试，测试结果如表2所示。

表2高温铬铁合金垫块与Co50合金耐热垫块性能对比表

从表2的对比情况看，采用高温铬铁合金制备的耐热垫块，在1300℃时耐氧化性方面优于Co50合金耐热垫块约3倍，在1300℃时的高温蠕变率是Co50合金耐热垫块的0.13倍，实施例1提供的铬铁合金性能显著好于Co50合金。

进一步的，将实施例1提供的铬铁合金垫片在实际生产过程中使用，将实施例1提供的总体外形尺寸(长×宽×高)：180×65×120mm的耐热垫块1，采用4块材质为Cr₁₈Ni₉Ti的卡块2固定在加热炉水冷梁3上，具体结构如附图2所示。与Co50合金耐热垫块同工况下使用2年，两年后耐热垫片的情况对比见附图3。图3中可以看出，高温铬铁合金耐热垫块表面良好，无明显变形，Co50合金耐热垫块表面出现开裂并存在明显的高温蠕变。

实施例3

本实施例提供了一种轧钢加热炉耐热垫块用的耐高温铬铁合金，其化学成分如表3所示。

表3高温铬铁合金化学成分

铬	铁	钨	其它
				87％	10％	2.9％	0.1％

本发明的耐高温铬铁合金采用真空冶炼，精密铸造成型，其主要工艺流程与实施例1一致。

具体过程如下：设计工艺，制备具有耐高温特性的精密铸造用模具。按耐高温铬铁合金的配比，先将铬、铁混合，1700℃下熔化得铬铁合金液；向铬铁合金液中加入钨，混合均匀得母合金；将母合金于1870℃下进行真空冶炼，采用模铸法浇铸成型，总体外形尺寸(长×宽×高)：180×65×120mm，所述浇铸温度为1720℃，得耐高温铬铁合金。进一步清理精整，对产品表面进行打磨从而使其表面光滑平整，不存在凹坑，检验成分符合要求后即得耐高温垫片成品。所得耐高温铬铁合金性能与实施例1基本一致，具备良好的抗高温压缩蠕变性能、抗高温氧化性能。

实施例4

本实施例提供了一种轧钢加热炉耐热垫块用的耐高温铬铁合金，其化学成分如表4所示。

表4高温铬铁合金化学成分

铬	铁	钨	其它
				83％	14.4％	2.5％	0.1％

具体过程如下：设计工艺，制备具有耐高温特性的精密铸造用模具。按耐高温铬铁合金的配比，先将铬、铁混合，1650℃下熔化得铬铁合金液；向铬铁合金液中加入钨，混合均匀得母合金；将母合金于1800℃下进行真空冶炼，采用模铸法浇铸成型，总体外形尺寸(长×宽×高)：180×65×120mm，所述浇铸温度为1680℃，得耐高温铬铁合金。进一步清理精整，对产品表面进行打磨从而使其表面光滑平整，不存在凹坑，检验成分符合要求后即得耐高温垫片成品。所得耐高温铬铁合金性能与实施例1基本一致，具备良好的抗高温压缩蠕变性能、抗高温氧化性能。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种轧钢加热炉耐热垫块用的耐高温铬铁合金，其特征在于：以重量百分比计，含有铬80～90％，钨1.5～3.5％，铁8～18％和不可避免的杂质。

2.如权利要求1所述的轧钢加热炉耐热垫块用的耐高温铬铁合金，其特征在于：以重量百分比计，所述不可避免的杂质含量≤0.1％。

3.如权利要求2所述的轧钢加热炉耐热垫块用的耐高温铬铁合金，其特征在于：以重量百分比计，含有铬84～86％，钨1.5～2.0％，铁12～14％和不可避免的杂质。

4.权利要求1-3任一项权利要求所述的耐高温铬铁合金的制备方法，步骤包括：

S2、向铬铁合金液中加入钨，混合均匀得母合金；

S3、将母合金进行真空冶炼、浇铸成型得耐高温铬铁合金。

5.如权利要求4所述的耐高温铬铁合金的制备方法，其特征在于：步骤S1所述熔化温度为1650～1700℃。

6.如权利要求4所述的耐高温铬铁合金的制备方法，其特征在于：步骤S2所述真空冶炼温度为1800-1900℃。

7.如权利要求4所述的耐高温铬铁合金的制备方法，其特征在于：步骤S2中，采用模铸法浇铸成型，所述浇铸温度为1680-1720℃。

8.一种轧钢加热炉耐热垫块，其特征在于：将权利要求4所述制备方法制备得到的耐高温铬铁合金清理精整、检验，即得轧钢加热炉耐热垫块。

9.如权利要求8所述的轧钢加热炉耐热垫块，其特征在于：所述清理精整过程中使耐高温铬铁合金表面打磨至光滑平整；所得轧钢加热炉耐热垫块为厚度100-120mm的长方体结构。