CN114058906A - 大规格Ni-Cr电热合金坯料及热加工方法 - Google Patents

大规格Ni-Cr电热合金坯料及热加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大规格Ni‑Cr电热合金坯料及热加工方法，属于冶金生产工艺技术领域。提供一种成品质量相对较高，显著减少后续使用成本的大规格Ni‑Cr电热合金坯料及热加工方法。所述的大规格Ni‑Cr电热合金坯料为包含有下述重量份组分的高温合金坯料，所述的重量份组分为C≤0.05％，Si 0.9‑1.60％，Al≤0.50％，Cr 20.0‑22.0％，Mn≤0.3％，Fe≤1.0％，P≤0.010％，S≤0.010％，Ti≤0.01％，Zr 0.1‑0.25％，Re≤0.2％，余量为Ni及不可避免的杂质，其中，成品高温合金材料的抗拉强度≥760MPa，延伸率≥55％。所述的热加工方法先按上述的重量份组分采用真空感应熔炼+电渣重熔制备单重超过1.2吨的Ni‑Cr电热合金电渣圆锭，然后顺序的对电渣圆锭进行快锻和精锻，最后热轧获得单重超过800kg的材料。

Description

大规格Ni-Cr电热合金坯料及热加工方法
技术领域
本发明涉及一种电热合金坯料，尤其是涉及一种大规格Ni-Cr电热合金坯料，属于冶金生产工艺技术领域。本发明还涉及一种用于所述大规格Ni-Cr电热合金坯料的热加工方法。
背景技术
电热合金是一种利用材料电阻产生焦耳热使电能转换为热能的功能性合金材料，按照化学成分可分为Ni-Cr系、Ni-Cr-Fe系和Fe-Cr-Al系合金三大类。其中，Ni-Cr系电热合金是一种常用的中温高稳定性的电热合金，其使用温度主要在800-1200℃。其具有高温强度高、无高温脆性、电阻性能稳定等诸多优点，常用于制备大功率工业电炉用加热器件，如海绵钛生产企业的蒸馏炉及还原炉等。大功率电炉用电热器件通常单重大，质量要求高。部分大功率电炉用的电热器件单个重量超过50kg。受关键技术及装备能力的限制，目前国内大部分电热合金企业生产Ni-Cr电热合金坯料单重均低于此重量，生产时常采用焊接的方式进行拼接，长期的应用证明，焊接区域的使用寿命远低于普通区域，极大地增加了产品的后期维护难度。因此，高质量大规格Ni-Cr电热合金坯料的生产制备具有极为重要的价值，而其中大规格Ni-Cr电热合金坯料热加工方法及工艺的突破是一个亟待解决的问题。
再加上Ni-Cr系电热合金常用于制作需要高稳定性及较高的高温强度的苛刻性条件下使用的电热元件。我国专业生产Ni-Cr系电热合金的厂家很多，但大部分企业规模较小，技术储备能力不足，导致产品质量参差不齐，如Cr20Ni80合金的使用寿命较国外优质进口产品差距明显。
Ni-Cr系电热合金通常为奥氏体单相组织，其具有高温强度高、无高温脆性、电阻性能稳定、热膨胀系数低等一些优点，且冷热加工性能以及焊接性能优良，可加工成多种形状及尺寸的元件，后期维护简单。受关键技术及装备能力的限制，目前国内大部分电热合金企业生产Ni-Cr电热合金坯料单重低于部分大功率电炉用的电热器件重量，生产时常采用焊接的方式进行拼接，降低了电热合金产品的使用寿命，大规格Ni-Cr电热合金坯料热加工方法及工艺的突破是一个亟待解决的问题。
以下是相关文献：
中国专利：侯栋、王德永、胡显军等,一种含锆电热合金及含锆合金的制备方法：中国：CN110172648B[P]，2020.06.16；公开了一种含锆电热合金及含锆合金的制备方法，公开内容显示其电热合金坯料热加工方法主要采用“锻造+热轧”工艺，与本发明采用的路线“快锻+精锻+热轧”存在一定差别。其专利中公开的信息显示，其热加工方法适用于≤200kg的合金坯料的，与本发明适用范围不一致，且其专利中并未公开具体的热加工参数及控制要点。
中国专利：郭陈俊达，一种高电阻镍铬电热合金的生产工艺：中国：CN112063865A[P]，2020.12.11,公开内容显示其电热合金坯料热加工方法主要采用“锻造+热轧”工艺，与本发明采用的路线“快锻+精锻+热轧”存在一定差别。其专利中并未公开具体适用的合金坯料大小，也未公开具体的热加工参数及控制要点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种成品质量相对较高，显著减少后续使用成本的大规格Ni-Cr电热合金坯料。本发明还提供了一种用于所述大规格Ni-Cr电热合金坯料的热加工方法。
为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种大规格Ni-Cr电热合金坯料，所述的大规格Ni-Cr电热合金坯料为包含有下述重量份组分的高温合金坯料，
所述的重量份组分为C≤0.05％，Si 0.9-1.60％，Al≤0.50％，Cr 20.0-22.0％，Mn≤0.3％，Fe≤1.0％，P≤0.010％，S≤0.010％，Ti≤0.01％，Zr 0.1-0.25％，Re≤0.2％，余量为Ni及不可避免的杂质，
其中，成品高温合金材料的抗拉强度≥760MPa，延伸率≥55％。
用于所述大规格Ni-Cr电热合金坯料的热加工方法，所述的热加工方法先按上述的重量份组分采用真空感应熔炼+电渣重熔制备单重超过1.2吨的Ni-Cr电热合金电渣圆锭，然后顺序的对电渣圆锭进行快锻和精锻，最后热轧获得单重超过800kg的材料，
其中，电渣圆锭的直径不小于320mm，快锻时采用至少一次镦拔+两次拔长的工步完成。
进一步的是，快锻前先要对电渣圆锭进行分段加热，对电渣圆锭的所述分段加热是按下述要求进行的，加热过程中加热速率应不高于200℃/h，第一阶段加热至820-900℃之间，保温2-3h；然后继续升温至1120-1180℃之间，保温4-6h完成所述的分段加热工作。
上述方案的优选方式是，采用不少于一次镦拔+两次拔长的工序对电渣圆锭进行快锻时的开锻温度应不低于1080℃，终锻温度应不低于900℃，其具体过程中如下，第一次为一镦一拔，镦拔的变形量应均不低于50％，镦拔完成后回炉继续保温1-2h；第二次为拔长，拔长减径量控制在20-30％，达到拔长量后回炉继续保温1-2h；第三次也为拔长，拔长减径量控制在15-25％。
进一步的是，精锻请也需要加热，其过程中为将快锻后的棒料送入820-900℃之间的加热炉中保温2-3h，然后继续升温至1120-1180℃之间，保温1-2h完成精锻前的加热工作。
上述方案的优选方式是，精锻时的开锻温度应不低于1030℃，终锻温度应不低于920℃，其过程为，使用精锻机将快锻后的棒料锻至150-160mm的方坯，精锻过程可以一火次完成，火次变形量应控制在≥30％；锻后空冷。
进一步的是，精锻后的方坯热轧前先需要进行修磨并加热，其过程为,将修磨后表面干净平整的方坯在加热炉中分段进行加热，加热过程中的加热速率应不高于200℃/h，第一阶段加热至820-900℃之间，保温2-3h；然后继续升温至1120-1180℃之间，保温2-3h完成方坯的加热工作。
上述方案的优选方式是，热轧的开轧温度应不低于1050℃，并轧制至设定规格后空冷完成轧制工作。
本发明的有益效果是：本申请提供的大规格Ni-Cr电热合金坯料为包含有C≤0.05％，Si0.9-1.60％，Al≤0.50％，Cr 20.0-22.0％，Mn≤0.3％，Fe≤1.0％，P≤0.010％，S≤0.010％，Ti≤0.01％，Zr 0.1-0.25％，Re≤0.2％，余量为Ni及不可避免的杂质的高温合金坯料，并按下述的热加工方法获得成品单件重量不低于800kg的高温合金材料的抗拉强度≥760MPa，延伸率≥55％,所述的热加工方法先按上述的重量份组分采用真空感应熔炼+电渣重熔制备单重超过1.2吨的Ni-Cr电热合金电渣圆锭，然后顺序的对电渣圆锭进行快锻和精锻，最后热轧获得单重超过800kg的材料，其中，电渣圆锭的直径不小于320mm，快锻时采用至少一次镦拔+两次拔长的工步完成。这样，由于单件重量超过了800kg，并采用快锻、精锻以及热轧工序完成，从而不仅保证了成品的质量相对较高，而且由于后续的制成品不需进行焊接，还可以显著减少后续使用成本，满足了大功率工业电炉用电热器件的制备要求能，提升生产过程中材料的成材率和最终产品试用性能，具有较好的应用前景。本申请提供的热加工方法还能有效弥补现有生产技术的不足，显著改善Ni-Cr电热合金的组织均匀性，能为高品质电热合金产品的制备提供高质量的合金材料，预期将带来较大的经济效益。
附图说明
图1为本发明大规格Ni-Cr电热合金坯料的金相组织图。
具体实施方式
为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供的一种成品质量相对较高，显著减少后续使用成本的大规格Ni-Cr电热合金坯料，以及一种用于所述大规格Ni-Cr电热合金坯料的热加工方法。所述的大规格Ni-Cr电热合金坯料为包含有下述重量份组分的高温合金材料，所述的重量份组分为C≤0.05％，Si 0.9-1.60％，Al≤0.50％，Cr 20.0-22.0％，Mn≤0.3％，Fe≤1.0％，P≤0.010％，S≤0.010％，Ti≤0.01％，Zr 0.1-0.25％，Re≤0.2％，余量为Ni及不可避免的杂质，其中，成品高温合金材料的抗拉强度≥760MPa，延伸率≥55％。所述的热加工方法先按上述的重量份组分采用真空感应熔炼+电渣重熔制备单重超过1.2吨的Ni-Cr电热合金电渣圆锭，然后顺序的对电渣圆锭进行快锻和精锻，最后热轧获得单重超过800kg的材料，其中，电渣圆锭的直径不小于320mm，快锻时采用至少一次镦拔+两次拔长的工步完成。这样，由于单件重量超过了800kg，并采用快锻、精锻以及热轧工序完成，从而不仅保证了成品的质量相对较高，而且由于后续的制成品不需进行焊接，还可以显著减少后续使用成本，满足了大功率工业电炉用电热器件的制备要求，提升生产过程中坯料的成材率和最终产品试用性能，具有较好的应用前景。本申请提供的热加工方法还能有效弥补现有生产技术的不足，显著改善Ni-Cr电热合金的冶金质量，能为高品质电热合金产品的制备提供高质量的合金坯料，预期将带来较大的经济效益。
上述实施方式中，为了在组成成分满足要求的前提下尽可能的通过热加工方法获得机械性能更加优良的大规格Ni-Cr电热合金坯料，本申请在快锻前先需要对电渣圆锭进行分段加热，对电渣圆锭的所述分段加热是按下述要求进行的，加热过程中加热速率应不高于200℃/h，第一阶段加热至820-900℃之间，保温2-3h；然后继续升温至1120-1180℃之间，保温4-6h完成所述的分段加热工作。并在采用不少于一次镦拔+两次拔长的工序对电渣圆锭进行快锻时的开锻温度应不低于1080℃，终锻温度应不低于900℃，其具体过程中如下，第一次为一镦一拔，镦拔的变形量应均不低于50％，镦拔完成后回炉继续保温1-2h；第二次为拔长，拔长减径量控制在20-30％，达到拔长量后回炉继续保温1-2h；第三次也为拔长，拔长减径量控制在15-25％。相应的，精锻时也需要加热，其过程中为将快锻后的棒料送入820-900℃之间的加热炉中保温2-3h，然后继续升温至1120-1180℃之间，保温1-2h完成精锻前的加热工作。此时，精锻时的开锻温度应不低于1030℃，终锻温度应不低于920℃，其过程为，使用精锻机将快锻后的棒料锻至150-160mm的方坯，精锻过程可以一火次完成，火次变形量应控制在≥30％；锻后空冷。进一步的是，精锻后的方坯热轧前先需要进行修磨并加热，其过程为,将修磨后表面干净平整的方坯在加热炉中分段进行加热，加热过程中的加热速率应不高于200℃/h，第一阶段加热至820-900℃之间，保温2-3h；然后继续升温至1120-1180℃之间，保温2-3h完成方坯的加热工作。热轧的开轧温度应不低于1050℃，并轧制至设定规格后空冷完成轧制工作。
综上所述，本申请提供的技术方案率先采用一种“快锻+精锻+热轧”的先进热加工方法用于制备大规格Ni-Cr电热合金材料，所提供的方法及关键控制工艺能有效降低热加工过程中材料开裂的概率，同时也可以显著提升大规格Ni-Cr电热合金坯料的组织均匀性，降低晶粒尺寸大小，为产品后续冷加工过程中的成材率及使用性能的奠定了良好基础。
本发明提供的技术方案明确了规格Ni-Cr电热合金坯料热加工过程中加热、锻造、轧制等各工序的关键参数的选取方法或控制范围，在实现效果提升的基础上，最大限度的保证控制工艺的稳定性，以实现产品质量的稳定性。
具体实施例
本发明的主要目的是针对现有生产技术的不足，提供一种大规格Ni-Cr电热合金坯料的热加工方法。所述方法可以制备出高质量的大规格Ni-Cr电热合金坯料，满足大功率工业电炉用电热器件的制备要求，提升生产过程中坯料的成材率。
本发明中“大规格”如没有明确说明，均指单重超过800kg的坯料。
本发明的目的主要是通过如下技术方案实现的：
一种大规格Ni-Cr电热合金坯料的热加工方法，所述方法主要包括以下步骤：
1、坯料制备：采用真空感应熔炼+电渣重熔制备单重超过1吨的Ni-Cr电热合金电渣圆锭。
2、快锻：(1)加热：Ni-Cr电热合金为奥氏体组织，高温强度较高，只有在较高温度下合金的变形抗力才会降低。由于Ni-Cr电热合金的热导率小，合金加热过程中坯料均热较慢，因而其加热过程中应设置分段进行，加热过程中加热速率应不高于200℃/h，第一阶段加热至820-900℃之间，保温2-3h；然后继续升温至1120-1180℃之间，保温4-6h；(2)锻造：锻造过程开锻温度应不低于1080℃，终锻温度应不低于900℃。快锻阶段应采用不少于一次镦拔+两次拔长，可分为三次进行。第一次为一镦一拔，镦拔的变形量应均不低于50％，镦拔完成后回炉继续保温1-2h；第二次为拔长，拔长减径量可控制在20-30％，达到拔长量后回炉继续保温1-2h；第三次也为拔长，拔长减径量可控制在15-25％。
3、精锻：(1)加热：将快锻后的棒料送入820-900℃之间的加热炉中保温2-3h，然后继续升温至1120-1180℃之间，保温1-2h；(2)锻造：使用精锻机将快锻后棒料锻至150-160mm的方坯，精锻过程开锻温度应不低于1030℃，终锻温度应不低于920℃。精锻过程可一火次完成，火次变形量应控制≥30％；锻后空冷。
4、热轧：本方法主要面向制备成品直径超过5mm的电热合金棒线材，可采用高速连续轧机进行轧制。(1)修磨：精锻后的方坯应进行表面修模，确保表面干净平整；(2)加热：加热过程中应设置分段进行，加热过程中加热速率应不高于200℃/h，第一阶段加热至820-900℃之间，保温2-3h；然后继续升温至1120-1180℃之间，保温2-3h；(3)轧制：开轧温度应不低于1050℃，轧制至设定规格，轧后空冷。
所述方法热轧盘圆规格的确定应根据产品的成品尺寸进行确定，热轧盘圆直径应比成品直径大10-20％，以用作冷拉变形，提升产品质量。
实施例一
本发明的方案，可通过下列实施例进一步阐述和理解：
按照如下方法进行实施例的大规格Cr20Ni80热加工：
1、坯料制备：采用真空感应熔炼+电渣重熔制备单重超过1.2吨的Ni-Cr电热合金电渣圆锭。材料组分控制为(质量百分比)：C≤0.05％，Si 0.9-1.60％，Al≤0.50％，Cr20.0-22.0％，Mn≤0.3％，Fe≤1.0％，P≤0.010％，S≤0.010％，Ti≤0.01％，Zr 0.1-0.25％，Re≤0.2％，余量为Ni及不可避免的杂质。电渣后铸锭直径为350±10mm。
2、快锻：(1)加热：Ni-Cr电热合金加热过程中设置分段进行，加热过程中加热速率约为150℃/h，第一阶段加热至830±10℃，保温2.5h左右；然后继续升温至1135±10℃之间，保温4-6h；(2)锻造：锻造过程开锻温度应不低于1100℃，终锻温度应不低于900℃。快锻阶段采用一次镦拔+两次拔长，分为三火次进行。第一火次为一镦一拔，镦下量为总长55％左右，然后在拔长至接近原铸锭规格，镦拔完成后回炉继续保温1-2h；第二火次为拔长，拔长后直径控制在280±5mm，达到拔长量后回炉继续保温1-2h；第三火次也为拔长，控制在210±5mm
3、精锻：(1)加热：将快锻后的棒料送入830±10℃的加热炉中保温2h，然后继续升温至1135±10℃，保温1.5h；(2)锻造：使用精锻机将快锻后棒料锻至150±5mm的方坯，精锻过程开锻温度应不低于1030℃，终锻温度应不低于920℃，锻后空冷。
4、热轧：采用高速连续轧机进行轧制。(1)修磨：精锻后的方坯应进行表面修磨，确保表面干净平整；(2)加热：加热过程中加热速率控制为150℃/h，第一阶段加热至830±10℃，保温2.5h左右；然后继续升温至1135±10℃之间，保温2.5h左右；(3)轧制：开轧温度约为1050℃，最终轧成直径11±0.2mm的盘圆，轧后空冷。
本实施案例中，得到的Cr20Ni80电热合金热轧盘圆表面质量高，轧制后材料晶粒尺寸均匀细小。获得盘圆的抗拉强度≥760MPa，延伸率≥55％，产品实物远高于国家标准GB/T1234-2012(抗拉强度≥650MPa，延伸率≥25％)
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。

Claims (8)

1.一种大规格Ni-Cr电热合金坯料，其特征在于：所述的大规格Ni-Cr电热合金坯料为包含有下述重量份组分的高温合金坯料，
所述的重量份组分为C≤0.05％，Si 0.9-1.60％，Al≤0.50％，Cr 20.0-22.0％，Mn≤0.3％，Fe≤1.0％，P≤0.010％，S≤0.010％，Ti≤0.01％，Zr 0.1-0.25％，Re≤0.2％，余量为Ni及不可避免的杂质，
其中，成品高温合金材料的抗拉强度≥760MPa，延伸率≥55％。
2.用于权利要求1所述大规格Ni-Cr电热合金坯料的热加工方法，其特征在于：所述的热加工方法先按上述的重量份组分采用真空感应熔炼+电渣重熔制备单重超过1.2吨的Ni-Cr电热合金电渣圆锭，然后顺序的对电渣圆锭进行快锻和精锻，最后热轧获得单重超过800kg的材料，
其中，电渣圆锭的直径不小于320mm，快锻时采用至少一次镦拔+两次拔长的工步完成。
3.根据权利要求2所述的热加工方法，其特征在于：快锻前先要对电渣圆锭进行分段加热，对电渣圆锭的所述分段加热是按下述要求进行的，加热过程中加热速率应不高于200℃/h，第一阶段加热至820-900℃之间，保温2-3h；然后继续升温至1120-1180℃之间，保温4-6h完成所述的分段加热工作。
4.根据权利要求2或3所述的热加工方法，其特征在于：采用不少于一次镦拔+两次拔长工序对电渣圆锭进行快锻时的开锻温度应不低于1080℃，终锻温度应不低于900℃，其具体过程中如下，第一次为一镦一拔，镦拔的变形量应均不低于50％，镦拔完成后回炉继续保温1-2h；第二次为拔长，拔长减径量控制在20-30％，达到拔长量后回炉继续保温1-2h；第三次也为拔长，拔长减径量控制在15-25％。
5.根据权利要求4所述的热加工方法，其特征在于：精锻时也需要加热，其过程中为将快锻后的棒料送入820-900℃之间的加热炉中保温2-3h，然后继续升温至1120-1180℃之间，保温1-2h完成精锻前的加热工作。
6.根据权利要求5所述的热加工方法，其特征在于：精锻时的开锻温度应不低于1030℃，终锻温度应不低于920℃，其过程为，使用精锻机将快锻后的棒料锻至150-160mm的方坯，精锻过程可以一火次完成，火次变形量应控制在≥30％；锻后空冷。
7.根据权利要求6所述的热加工方法，其特征在于：精锻后的方坯热轧前先需要进行修磨并加热，其过程为,将修磨后表面干净平整的方坯在加热炉中分段进行加热，加热过程中的加热速率应不高于200℃/h，第一阶段加热至820-900℃之间，保温2-3h；然后继续升温至1120-1180℃之间，保温2-3h完成方坯的加热工作。
8.根据权利要求7所述的热加工方法，其特征在于：热轧的开轧温度应不低于1050℃，并轧制至设定规格后空冷完成轧制工作。
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