CN115261730A - 一种炼镁还原罐用耐热不锈钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种炼镁还原罐用耐热不锈钢及其制备方法，涉及还原罐加工技术领域。所述炼镁还原罐用耐热不锈钢由C、Si、Mn、P、S、Ni、Cr、N、Ce、Fe等元素通过配料、电弧炉熔炼、AOD双渣法精炼、LF炉二次精炼、模铸、热穿孔等方法制备得到。本发明克服了现有技术的不足，通过元素含量的设计，提高材料的机械性能和抗高温蠕变性能，并且通过热穿孔的方式制备还原罐，综合提升还原罐的内部晶粒组织、元素成分的均匀性，并提升还原罐的使用寿命。

Description

一种炼镁还原罐用耐热不锈钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及还原罐加工技术领域，具体涉及一种炼镁还原罐用耐热不锈钢及其制备方法。
背景技术
还原罐是炼镁过程中还原工序的重要装备，属于一种消耗类材料，一般的还原罐主要由高铬镍耐热钢经电弧炉冶炼、离心浇铸制成，离心浇铸制得，但是由于传统工艺中浇铸时的离心力，使得合金元素会出现分层现象，各部位的元素含量不一致，造成还原罐耐高温腐蚀速率不一致，且没有经过压延加工，晶粒粗大，还原罐的致密性和机械强度不足，壁厚均匀性差，综合上述原因，造成还原罐的使用寿命短，更换还原罐成本高。
目前国内已经公开了一定数量的炼镁还原罐用耐热不锈钢制备的相关专利，如：公开号CN101805833A，其采用离心浇铸还原罐，采用外敷涂料的方式提高还原罐的耐高温性能。公开号CN107267778A，其采用添加Al、Cr、Ni、W等有益元素来提高还原罐的耐高温性能，采用离心浇铸成罐体。公开号CN107400836A，其采用添加Co、W和Ti成分，提高还原罐的抗高温蠕变性能，达到增加还原罐使用寿命的目的。但是目前对此类不锈钢材的制备方式大多采用离心浇铸，较为单一，目前还没有通过采用热穿孔加工成型的方式制造炼镁还原罐的方法，以及为了同时确保还原罐用耐热钢的穿孔成材率和提高还原罐的使用寿命而设计的各元素重量百分比。
发明内容
针对现有技术不足，本发明提供一种炼镁还原罐用耐热不锈钢及其制备方法，通过元素含量的设计，提高材料的机械性能和抗高温蠕变性能，并且通过热穿孔的方式制备还原罐，综合提升还原罐的内部晶粒组织、元素成分的均匀性，并提升还原罐的使用寿命。
为实现以上目的，本发明的技术方案通过以下技术方案予以实现：
一种炼镁还原罐用耐热不锈钢，所述炼镁还原罐用耐热不锈钢由以下重量百分比的元素组成：C：0.04％-0.12％，Si：≤0.80％，Mn：1.0-1.5％，P：≤0.045％，S：≤0.030％，Ni：9.0％-13.0％，Cr：20.0％-25.0％，N：0.20％-0.40％，Ce：≤0.1％，剩余部分为Fe和不可避免的杂质。
一种炼镁还原罐用耐热不锈钢的制备方法，包括以下步骤：
①配料：配料环节主要通过合金、废料的粗配，使主元素接近钢种目标要求，其中：配料C≥2.0％，配料Si：1.0％～1.2％，并配加必要的石灰。
②电弧炉熔炼：将上述配置好的原料置于电弧炉中，采用吹氧氧化部分的C、Si，辅助熔化炉料，并减少贵重金属Cr的损耗，进行炉料的融化制得钢水备用；
③AOD双渣法精炼：AOD精炼环节主要为了脱C、成分调整、钢水脱氧和去除夹杂物，将上述钢水兑入AOD炉中进行取样分析，后根据分析结果加入必要合金，再根据兑钢Si含量配加石灰等造渣进行脱C、脱氧、成分调节和去除杂物，为了提高脱C速度，能够在短时间内产生大量的CO气泡，将钢水中的夹杂物和高熔点的有害元素带出钢水并被炉渣吸收，需控制炉渣中CaO：40％-45％，SiO2:15％-20％，MgO：5％-10％，其余为杂质；
④LF炉二次精炼：主要为了进一步去除钢水中的氧含量和夹杂物含量，将上述步骤③中的AOD精炼后的钢水置于LF精炼炉中进行精炼，并在1490-1500℃温度范围内进行出钢；
⑤模铸：将上述步骤④出钢的钢水进行浇铸成圆形钢锭；
⑥热穿孔：将上述圆形钢锭在穿孔机上直接加工成还原罐需要的尺寸，并加热至1150℃-1250℃保温热处理，温时间根据钢锭重量进行调整，钢锭出炉之后，在穿孔机上直接加工成所需要的尺寸，利用热穿孔的大压缩比，提高材料的致密性，细化材料的晶粒度，采用水冷至室温，经检验和必要的修磨、平头、内壁车光之后，即可送入制作车间制成还原罐。
优选的，所述步骤③中于前期全程使用氮气作为辅助气体和搅拌气体。
优选的，所述步骤③中脱C的方式为在C含量脱至0.1％以下时取样分析成分，分析出准确的C含量，根据C含量分析结果，计算剩余脱C所需的氧含量，采用1:10-1:12的氧气、氮气比例进行深度脱C，终点C含量控制在0.05％左右。
优选的，所述步骤③中脱氧的方式为加入硅铁脱氧预还原5-8min，扒干净预还原炉渣，再加入400kg左右石灰、200kg左右萤石、60kg铝锭进行脱氧还原，采用氮气∶氩气10∶1的比例搅拌3-5min之后出钢，出钢温度不小于1530℃。
优选的，所述步骤④中LF钢包底吹氩气流量120-150Nm3/h，氩气压力0.3-0.5MPa，精炼时间不小于25min，期间用LF精炼炉的三根电极进行温度补偿和化渣，使炉渣保持良好的流动性，提高炉渣对脱氧产物和夹杂物的吸附能力。
优选的，所述步骤④此钢种钢水中的N含量处在饱和状态，常规的LF炉取样方法在取样的过程中存在N散逸的情况，造成化验的N含量比实际的偏低，采用取样装置对钢水进行取样，所述取样装置包括样杯，样杯一侧上端连接有取样手柄，且样杯底部设置有通孔，通孔处放置有下小上大的脱模顶头对样杯底部进行密封，且脱模顶头下端延伸至样杯底部，脱模顶头上部留在样杯内部。
优选的，所述取样装置的使用方式为手持取样手柄将样杯插入钢水内，之后直接取出样杯，样杯内盛装钢水，并且钢水上面会被炉渣封闭，样杯内的钢水凝固后，通过脱模顶头将样品顶出即可。
优选的，所述步骤⑤中由于此钢种的圆形钢锭在冷却过程中会出现纵向裂纹和内部裂纹，为了解决这一问题采用双层圆形钢锭模来对钢水浇铸，所述双层圆形钢锭模包括外层刚制模和设置于外层刚制模内部的内层刚制模，且所述外层刚制模和内层刚制模之间设置有层填充层，所述填充层的填充材料为耐火棉，所述双层圆形钢锭模底部设置有钢水注入孔，浇铸好的圆锭需在模内保持48小时之后脱模，并修磨清除圆锭表面的质量缺陷。将圆锭上部的帽口切除干净，并在圆锭中心部位钻一个圆形通孔，通孔直径为圆锭直径的15％-25％。
本发明提供一种炼镁还原罐用耐热不锈钢及其制备方法，与现有技术相比优点在于：
(1)本发明通过适当提高C元素和N元素的重量百分比，以提高材料的机械性能和抗高温蠕变性能，同时可以确保材料在热穿孔时内部组织为完全奥氏体组织，提高材料的穿孔性能；通过较高的Cr元素和Ni元素重量百分比，提高材料的耐高温腐蚀性能；通过添加微量的Ce元素，用于改善材料的热穿孔塑性，进一步提高材料的穿孔性能。
(2)通过AOD双渣法精炼和LF炉二次精炼，降低材料中的夹杂物和氧含量，能够改善材料的热穿孔塑性和机械性能；通过热穿孔将材料直穿成还原罐要求的尺寸，通过压延加工的还原罐致密度、内部晶粒组织、元素成分的均匀性都会有很大的提升，通过上述方法，将炼镁还原罐的使用寿命提高2-3倍。
(3)本发明通过上述制造方法制造的炼镁还原罐，氧含量可控制在20-40ppm水平；夹杂物可控制在A类≤0.5级，B类≤1.5级，C类≤1.5级，D类≤1.5级的水平；晶粒度不粗于4级；使用寿命提高2-3倍。
附图说明：
图1为本发明取样装置结构示意图；
图2为本发明钢锭模结构示意图。
1、样杯；2、取样手柄；3、脱模顶头；4、外层刚制模；5、内层刚制模；6、填充层；7、钢水注入孔。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
实施例1：
炼镁还原罐用耐热不锈钢的制备方法，包括以下步骤：
①配料：对合金、废料进行粗配，使主元素接近钢种目标要求，其中：配料C≥2.0％，配料Si：1.0％～1.2％，并配加必要的石灰；
②电弧炉熔炼：将上述配置好的原料置于电弧炉中，采用吹氧氧化部分的C、Si，辅助熔化炉料，进行炉料的融化制得钢水备用；
③AOD双渣法精炼：将上述钢水兑入AOD炉中进行取样分析，根据成分配加必要的合金，根据兑钢Si含量配加石灰等造渣，控制炉渣中CaO：40％-45％，SiO2:15％-20％，MgO：5％-10％，其余为杂质，AOD前期全程使用氮气作为辅助气体和搅拌气体；C含量脱至0.1％以下时取样分析成分，分析出准确的C含量，根据C含量分析结果，计算剩余脱C所需的氧含量，采用1:10～1:12的氧气、氮气比例进行深度脱C，终点C含量控制在0.05％左右；加入硅铁脱氧预还原5-8min之后，扒干净预还原炉渣，再加入400kg左右石灰、200kg左右萤石、60kg铝锭进行脱氧还原，采用氮气∶氩气10∶1的比例搅拌3-5min之后出钢，出钢温度不小于1530℃；
④LF炉二次精炼：将上述步骤③中的AOD精炼后的钢水置于LF精炼炉中进行精炼，LF钢包底吹氩气流量120-150Nm3/h，氩气压力0.3-0.5MPa，精炼时间不小于25min，期间用LF精炼炉的三根电极进行温度补偿和化渣；从LF出钢温度1490-1500℃；
⑤模铸：将上述步骤④出钢的钢水进行浇铸成圆形钢锭，浇铸好的圆锭需在模内保持48小时之后脱模，并修磨清除圆锭表面的质量缺陷。将圆锭上部的帽口切除干净，并在圆锭中心部位钻一个圆形通孔，通孔直径为圆锭直径的15％-25％；
⑥热穿孔：将上述圆形钢锭在穿孔机上直接加工成还原罐需要的尺寸，并加热至1150℃-1250℃保温热处理，温时间根据钢锭重量进行调整，钢锭出炉之后，在穿孔机上直接加工成所需要的尺寸，利用热穿孔的大压缩比，提高材料的致密性，细化材料的晶粒度，采用水冷至室温，经检验和必要的修磨、平头、内壁车光之后，即可送入制作车间制成还原罐。
实施例2：
1、取样装置的设置：
所述取样装置包括样杯1，样杯1一侧上端连接有取样手柄2，且样杯1底部设置有通孔，通孔处放置有下小上大的脱模顶头3对样杯1底部进行密封，且脱模顶头3下端延伸至样杯1底部，脱模顶头3上部留在样杯1内部。
所述取样装置的使用方式为手持取样手柄2将样杯1插入钢水内，之后直接取出样杯1，样杯1内盛装钢水，并且钢水上面会被炉渣封闭，样杯1内的钢水凝固后，通过脱模顶头3将样品顶出即可。
2、双层圆形钢锭模的设置：
所述双层圆形钢锭模包括外层刚制模4和设置于外层刚制模4内部的内层刚制模5，且所述外层刚制模4和内层刚制模5之间设置有层填充层6，所述填充层6的填充材料为耐火棉，所述双层圆形钢锭模底部设置有钢水注入孔7。
实施例3：
按照上述实施例1的方法并采用实施例2中取样装置和双层圆形钢锭模来制造外径510±10mm，壁厚40±5mm的炼镁还原罐，单个重量6吨左右。
制备后的成品成分为表1所示：
表1：实例3成品成分
元素 C％ Si％ Mn％ P％ S％ Cr％ Ni％ N％ Ce％
占比 0.073 0.29 1.43 0.026 0.001 21.67 9.84 0.24 0.027
浇铸圆形钢锭尺寸：总长度4300mm，锭身有效长度3850mm，直径505mm，经检验，圆形钢锭表面和内部均无裂纹。
中心打通孔直径100mm，穿孔加热温度1205℃，保温时间3h，热穿孔后外径514mm，壁厚44mm，内孔车光后，壁厚43mm。
经热穿孔后取样检测夹杂物、晶粒度、氧含量，结果如表2所示：
表2：实施例3夹杂物、晶粒度、氧含量检测结果
Figure BDA0003796361680000071
且还原罐连续使用时间较原来提高3.1倍。
实施例4：
按照上述实施例1的方法并采用实施例2中取样装置和双层圆形钢锭模来制造外径800±20mm，壁厚60±8mm的炼镁还原罐，单个重量15吨左右。
制备后的成品成分为表3所示：
表3：实施例4成品成分
元素 C％ Si％ Mn％ P％ S％ Cr％ Ni％ N％ Ce％
占比 0.069 0.32 1.41 0.025 0.001 21.82 9.98 0.23 0.031
浇铸圆形钢锭尺寸：总长度4300mm，锭身有效长度3850mm，直径795mm。
中心打通孔直径200mm，穿孔加热温度1213℃，保温时间5h，热穿孔后外径812mm，壁厚65mm，内孔车光后，壁厚64mm。
经热穿孔后取样检测夹杂物、晶粒度、氧含量，结果如表4所示。
表4：实施例4夹杂物、晶粒度、氧含量检测结果
Figure BDA0003796361680000081
还原罐连续使用时间较原来提高2.7倍。
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。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上实施例仅用以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 (9)

1.一种炼镁还原罐用耐热不锈钢，其特征在于，所述炼镁还原罐用耐热不锈钢由以下重量百分比的元素组成：C：0.04％-0.12％，Si：≤0.80％，Mn：1.0-1.5％，P：≤0.045％，S：≤0.030％，Ni：9.0％-13.0％，Cr：20.0％-25.0％，N：0.20％-0.40％，Ce：≤0.1％，剩余部分为Fe和不可避免的杂质。
2.一种炼镁还原罐用耐热不锈钢的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括以下步骤：
①配料：对合金、废料进行粗配，使主元素接近钢种目标要求，其中：配料C≥2.0％，配料Si：1.0％～1.2％，并配加必要的石灰；
②电弧炉熔炼：将上述配置好的原料置于电弧炉中，采用吹氧氧化部分的C、Si，进行炉料的融化制得钢水备用；
③AOD双渣法精炼：将上述钢水兑入AOD炉中进行取样分析，后根据分析结果加入必要合金，再根据兑钢Si含量配加石灰等造渣进行脱C、脱氧、成分调节和去除杂物；
④LF炉二次精炼：将上述步骤③中的AOD精炼后的钢水置于LF精炼炉中进行精炼，并在1490-1500℃温度范围内进行出钢；
⑤模铸：将上述步骤④出钢的钢水进行浇铸成圆形钢锭；
⑥热穿孔：将上述圆形钢锭在穿孔机上直接加工成还原罐需要的尺寸，并加热至1150℃-1250℃保温热处理，采用水冷至室温，经检验和修磨、平头、内壁车光之后，即可送入制作车间制成还原罐。
3.根据权利要求2所述的一种炼镁还原罐用耐热不锈钢的制备方法，其特征在于：所述步骤③中于前期全程使用氮气作为辅助气体和搅拌气体。
4.根据权利要求2所述的一种炼镁还原罐用耐热不锈钢的制备方法，其特征在于：所述步骤③中脱C的方式为在C含量脱至0.1％以下时取样分析成分，分析出准确的C含量，根据C含量分析结果，计算剩余脱C所需的氧含量，采用1:10-1:12的氧气、氮气比例进行深度脱C。
5.根据权利要求2所述的一种炼镁还原罐用耐热不锈钢的制备方法，其特征在于：所述步骤③中脱氧的方式为加入硅铁脱氧预还原5-8min，扒干净预还原炉渣，再加入石灰、左右萤石、铝锭进行脱氧还原，采用氮气：氩气10:1的比例搅拌3-5min之后出钢，出钢温度不小于1530℃。
6.根据权利要求2所述的一种炼镁还原罐用耐热不锈钢的制备方法，其特征在于：所述步骤④中LF钢包底吹氩气流量120-150Nm3/h，氩气压力0.3-0.5MPa，精炼时间不小于25min。
7.根据权利要求2所述的一种炼镁还原罐用耐热不锈钢的制备方法，其特征在于：所述步骤④中采用取样装置对钢水进行取样，所述取样装置包括样杯(1)，样杯(1)一侧上端连接有取样手柄(2)，且样杯(1)底部设置有通孔，通孔处放置有下小上大的脱模顶头(3)对样杯(1)底部进行密封，且脱模顶头(3)下端延伸至样杯(1)底部，脱模顶头(3)上部留在样杯(1)内部。
8.根据权利要求7所述的一种炼镁还原罐用耐热不锈钢的制备方法，其特征在于：所述取样装置的使用方式为手持取样手柄(2)将样杯(1)插入钢水内，之后直接取出样杯(1)，样杯(1)内盛装钢水，并且钢水上面会被炉渣封闭，样杯(1)内的钢水凝固后，通过脱模顶头(3)将样品顶出即可。
9.根据权利要求2所述的一种炼镁还原罐用耐热不锈钢的制备方法，其特征在于：所述步骤⑤中采用双层圆形钢锭模来对钢水浇铸，所述双层圆形钢锭模包括外层刚制模(4)和设置于外层刚制模(4)内部的内层刚制模(5)，且所述外层刚制模(4)和内层刚制模(5)之间设置有层填充层(6)，所述填充层(6)的填充材料为耐火棉，所述双层圆形钢锭模底部设置有钢水注入孔(7)。
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