一种稀土耐热钢及其铸造工艺的制作方法
【专利摘要】本发明涉及耐热钢领域，具体为一种稀土耐热钢的合金设计与铸造工艺开发，通过稀土合金化，获得超高温耐热性能。合金成分主要是以高铬不锈钢为基础，以氮为主要奥氏体化元素，并在冶炼过程中加入稀土元素进行合金化；按重量百分比计，合金成分范围为：C 0.20～0.45，Si 0.82～2.55，Mn 2.0～13.0，Cr 10.5～29.0，Ni 0.9～2.5，Mo 0.3～0.6，O≤0.0025，N 0.0050～0.9，P≤0.020，S≤0.015，RE 0.001～0.6，Fe余量。采用本发明的合金成分和冶炼工艺，熔炼钢水进行浇铸，所浇注的铸件、钢锭、连铸坯，纯净度高，夹杂物少、且细小、弥撒，组织高温稳定性好，具有优异的高温强度和高温抗氧化性能。
【专利说明】
一种稀土耐热钢及其铸造工艺
技术领域
[0001] 本发明涉及耐热钢领域，具体为一种稀土耐热钢的材料设计与铸造工艺，利用稀 土对合金钢进行进一步合金化，使其具有超级耐热性能。
【背景技术】
[0002] 耐热钢应用非常广泛，但是耐热钢高温强度低，不抗氧化等问题，一直难于解决。 普能耐钢工作温度超过900°C，强度开始明显下降，氧化速度也明显加快。用于连续退火炉 的辐射管，循环加热炉的烧嘴等，均需要耐热钢材料。传统的耐热钢材料主要是Cr25Ni20， 后来人们为了提高材料耐热能力和抗氧化能力，又提高了材料铬镍含量，有的炉管材料用 到了Cr35Ni30。但是，当温度继续升高时，这些材料的高温强度下降较快，而热等静压设备 中的导流管、料筒等，需要在l〇〇〇°C以上，甚至达到1250Γ的超高温条件下工作。因此，随着 超高温条件下工作设备的增多，开发适合超高温条件下工作的耐热钢材料越来越显得紧 迫。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于提供一种稀土耐热钢的材料设计与铸造工艺，采用本发明的冶 炼和浇注方法，通过稀土合金处理钢水，实现钢水、铸件、钢锭、连铸坯的超纯净化，从而提 高耐热钢的高温强度和高温抗氧化性。
[0004] 本发明的技术方案是：
[0005] -种稀土耐热钢，合金成分主要是以高铬不锈钢为基础，以氮为主要奥氏体化元 素，并在冶炼过程中加入稀土元素进行合金化;按重量百分比计，合金成分范围为:C 0.20 ~0.45，Si 0.82~2·55，Μη 2.0~13.0，Cr 10.5~29.0，Ni 0.9~2·5，Μο 0.3~0.6,0彡 0·0025，Ν 0.0050~0·9，Ρ彡0.020，S彡0.015，RE 0.01 ~0.38，Fe余量。
[0006]所述的稀土耐热钢，优选的，按重量百分比计，合金成分范围为:C 0.25~0.35，Si 1.8~2·2，Μη 10.5~11.5，Cr 19.0~21.0，Ni 1.8~2·2，Μο 0.3~0·4,0彡0·0020，Ν 0.30 ~0.40，卩彡0.015,5彡0.010，1^0.02~0.06，卩6余量。
[0007] 所述的稀土耐热钢的铸造工艺，采用纯净废钢或铁水进行冶炼，中间合金均预热 处理，选择纯稀土作为配料进行合金化处理，采用高温固溶热处理工艺进行热处理。
[0008] 所述的稀土耐热钢的铸造工艺，采用中频炉冶炼，氮化铬铁中间合金预热400~ 800 °C，分批次加入。
[0009] 所述的稀土耐热钢的铸造工艺，稀土处理前，磷含量彡0.020wt%，并进行钢包精 炼炉精炼，深脱硫，硫含量<〇. 〇15wt %，再进入真空精炼炉，真空精炼钢，氧含量< 15ppm， 氮含量彡50ppm。
[0010] 所述的稀土耐热钢的铸造工艺，利用稀土合金处理钢水的过程如下：
[0011] (1)浇注铸件的钢水处理
[0012] 电解纯稀土合金，制成方块状，每块0.1~0.5kg;利用喷砂机处理干净，露出金属 光泽，用铝箱包裹，放入密封筒中，充氮气保护;稀土加入量是钢水重量的0.01~0.6%，将 稀土按重量比2:1分成两部分，少的部分置于包底，与脱氧剂放在一起，用铝箱包好;多的部 分出钢过程中，随钢水流加入，稀土合金随钢水进入包中，在钢水包中冲混；
[0013] (2)浇注钢锭、连铸坯的钢水处理
[0014]电解纯稀土合金，制成方块状，每块0.5~1.5kg;利用喷砂机处理干净，露出金属 光泽，用铝箱包裹，放入密封筒中，充氮气保护;稀土加入量是钢水重量的0.01~0.6%，将 稀土合金放入钟罩，直接从顶部加入钢包精炼炉，并且保持钢包精炼炉继续吹氩10~ 20min，再进行饶注。
[0015]所述的稀土耐热钢的铸造工艺，铸件的热处理采用高温固溶强化淬火处理，固溶 温度1000~1250 °C，固溶时间按壁厚尺寸计算，每增加25mm厚，保温时间增加0.5~2. Oh，出 炉后水淬。
[0016] 所述的稀土耐热钢的铸造工艺，稀土合金选用高纯镧铺稀土合金，稀土元素含量 99wt %以上;在镧铈稀土合金中，镧:铈重量比为I: (1~3)。
[0017] 所述的稀土耐热钢的铸造工艺，通过包内加入稀土合金，细化晶粒，细化夹杂物， 晶粒度在4级以上，夹杂物总和小于3.0级;稀土钉扎晶界，磷共晶无法偏聚，减少晶界氧化， 提尚材料抗氧化能力。
[0018] 所述的稀土耐热钢的铸造工艺，通过高温固溶处理，使碳化物充分溶解，确保材料 初始组织单一全奥氏体组织，在服役过程中，碳化物在晶界与境内重新析出，大幅提高高温 条件下的组织稳定性，从而确保服役温度达到1000~1250 °C的超高温度范围。
[0019] 本发明的优点及有益效果是：
[0020] 1.本发明利用稀土合金对新型合金钢水进行合金化处理，再浇铸成铸件、钢锭或 连铸坯，形成耐热合金铸件或坯料。从而，通过控制钢水纯净度，稀土合金化处理，减少钢水 氧化、细化夹杂物，使材料铸造组织均匀，晶粒度达到4级以上。稀土钉扎晶界提高了材料高 温强度，本发明制备的材料为1000°c以上超高温运行设备提供了有力支承。
[0021 ] 2.本发明利用稀土进行合金化，使材料纯净度进一步提高，有效抑制了材料高温 电化学腐蚀，提高了耐热钢的抗氧化能力。
[0022] 3.本发明制备了全奥氏体稀土钢，采用本发明的合金成分和冶炼工艺，熔炼钢水 进行浇铸，所浇注的铸件、钢锭、连铸坯，组织均匀、致密，夹杂物少、细小、弥撒，材料组织单 一，不易发生相变，使组织更加稳定，提高了材料稳定性和抗热疲劳性能，并且保证了材料 的高温强度和高温抗氧化性能。
【附图说明】
[0023] 图1为热等静压导流筒铸件和机械加工件示意图；其中，（a)为铸件；（b)为机械加 工件。
[0024]图2为热等静压导流筒铸造工艺方案简图（缩尺25%。，钢水总重1.3吨）；其中，（a) 为主视图；（b)为俯视图。
【具体实施方式】
[0025]在具体实施过程中，本发明稀土耐热钢的材料设计与铸造工艺，采用纯净废钢进 行冶炼，中间合金均预热处理。选择纯稀土作为配料进行合金化处理，采用高温固溶热处理 工艺进行热处理，来保证材料组织和性能。
[0026] 1、稀土耐热钢冶炼过程，是以奥氏体钢为基础进行合金化过程。奥氏体钢冶炼重 点是严格控制杂质元素，充分氧化去磷，再脱氧去硫，在此基础上加入奥氏体化合金锰铁和 氮化铬铁。磷含量<0.020wt %，并进行钢包精炼炉精炼，深脱硫，硫含量<0.015wt %，再进 入真空精炼炉，真空精炼钢，氧含量<15ppm，氮含量<50ppm。锰铁和氮化铬铁等中间合金 进行预热处理，处理温度400~800°C，并且分批加入，保证氮的收得率在50%以上。
[0027] 2、利用稀土合金处理钢水，可以深度脱氧，细化组织。浇注铸件和浇注钢锭、连铸 坯的稀土合金添加工艺不同。
[0028] (1)浇注铸件的钢水处理可以按下述方式进行。电解纯稀土合金，制成方块状，大 约0.1~0.5kg每块。利用喷砂机处理干净，露出金属光泽，用铝箱包裹，放入密封筒中，充氮 气保护。在冶炼过程中，按钢水化学成分，主要根据钢水氧含量，区别加入不同量的稀土。稀 土加入量是钢水重量的0.01~0.6 % (成品耐热材料中稀土元素含量为0.0 Olwt %~ 0.38wt % )。将稀土按重量比2:1分成两部分，少的部分置于包底，与脱氧剂放在一起，用铝 箱包好;多的部分出钢过程中，随钢水流加入，稀土合金随钢水进入包中，在钢水包中冲混。 [0029] (2)浇注钢锭、连铸坯的钢水，按下述方法进行稀土合金化。电解纯稀土合金，制成 方块状，大约0.5~1.5kg每块。利用喷砂机处理干净，露出金属光泽，用铝箱包裹，放入密封 筒中，充氮气保护。在冶炼过程中，按钢水化学成分，主要根据钢水氧含量，区别加入不同量 的稀土。稀土加入量是钢水重量的0.01~0.6%。将稀土合金放入专用钟罩，直接从顶部加 入钢包精炼炉，并且保持钢包精炼炉继续吹氩15min，再进行饶注。
[0030] 铸件和钢锭、连铸坯的后续工序不同，热处理方法也不同。铸件需要进行严格的热 处理，直接达到使用所需要的组织和性能。钢锭、连铸坯需要进行后序锻造和乳制，因此只 需要进缓冷坑缓冷处理。铸件和钢锭、连铸坯的热处理采用高温固溶处理，固溶温度1000~ 1250°C ( ± 5°C )，固溶时间按壁厚尺寸计算，每增加25mm厚，保温时间增加1~2.5h后出炉水 淬。
[0031] 下面结合附图及实施例详述本发明。
[0032] 实施例
[0033] 本实施例中，试生产热等静压导流筒铸件，铸件毛坯重量是:910kg，带冒口及浇口 重量为1200kg，充型时间25s，浇注温度1560~1570°C。铸件材质为稀土耐热钢(NRRE1250)， 其具体成分按重量百分比如下：
?〇〇35]^如图1-图2所示，本发明热等静压导流筒铸造工艺方案如下:
[0036] 1)严格控制成分，从配料入手，采用优质废钢、金属铬、低磷锰铁和钼铁进行配料， 按钢水总量15吨配制。中频感应电炉冶炼，严格控制磷含量，采用专用除磷剂脱磷，P < 0.005wt %，再进行钢包精炼炉精炼，加合金，还原脱氧脱硫，使氧含量低于15ppm，硫低于 0.005wt %，精炼钢水等待稀土处理。
[0037] 2)利用石英砂制造砂型和砂芯，用碱性酚醛树脂做粘结剂，粘结剂加入量为石英 砂重量的1.2 %，用苯磺酸做固化剂，固化剂加入量为石英砂重量的0.6wt %，并且混碾1分 钟，砂型和砂芯表面刷碱性镁砂粉涂料。
[0038]如图2所示，导流筒按上、中、下三箱造型，采用底注式浇注系统，上箱中设置环形 补缩冒口。
[0039] 3)将预先冶炼好的钢水进行稀土合金化。准备镧铈稀土合金(镧铈稀土合金中，稀 土元素含量99wt%，镧：铺重量比为1: 2)，使用合金中稀土元素占0.08wt%的稀土合金 120kg〇
[0040] 4)钢包内加稀土合金，采用钟罩形式，将稀土合金直接加到钢水中，穿过钢渣，渣 面以下300~500mm进行反应。反应后，软吹5~15min，开始浇注。
[0041 ] 5)先行浇注三组铸件，余下钢水浇注3吨小型钢锭和试样。
[0042] 6)浇注之后，1小时打箱。铸件清理后进行热处理，采用1150 ± 5 °C高温固溶处理。
[0043]本实施例通过包内加入稀土合金，细化晶粒，细化夹杂物;铸态晶粒度在4级以上， 夹杂物总和小于3.0级。从而，使铸件组织均匀、细化，减少夹杂物，提高了铸件的高温强度 和抗氧化性能。从而，使导流筒在1250Γ高温条件下，可以正常工作。材料高温强度在幅度 提高，经同炉试样检测，1250°C时，材料高温抗拉强度3 30MPa，满足设计要求。
[0044] 本发明工作过程及结果：
[0045] 由于本发明工艺方案确定的比较合理，所采取的各项措施都起到了相应的作用。 1)合理设计合金成分，准确控制奥氏体化元素含量，使材料基体为单一奥氏体相。2)严格控 制钢水纯净度，经过炉外精炼，使钢水氧含量控制在25ppm以内，磷控制在0.020wt %以下， 对提高材料高温强度，起到了关键作用。3)利用稀土进行合金化处理，使钢水纯度进一步提 高，并且使夹杂物得到细化，提高了材料抗氧化性能。4)采用高温固溶处理热处理工艺，使 材料中碳化物充分分解，静化了晶界，提高了铸件抗热疲劳能力。
[0046] 本实施例中，浇入钢水金属重量为1250kg，其中铸件重量910kg，充型时间25秒。稀 土在钢包中采用钟罩方式处理，反应平稳，没有喷溅;从冒口观察，发现金属液洁净、上升平 稳。浇注后Ih之后打箱，铸件表面质量良好。
[0047] 比较例
[0048] 导流筒铸件国内外企业已经生产过，均采用Cr25Ni20材料。Cr25Ni20属于耐热不 锈钢，铸件浇注之后，需要在砂型埋很长时间，生产效率较低。并且，铸件使用中变形较大。 采用Cr25Ni20材料制作超高温耐热件，由于采用的砂型铸造，材料组织粗大，夹杂物较多。 本发明稀土耐热钢材料属于全奥氏体组织，不能通过热处理方法进行细晶化处理，在热处 理之后，铸态组织仍然存在，不利于材料抗氧性能提高。Cr25Ni20导流筒使用过程中，经常 出现内氧化现象，影响铸件使用寿命。
【主权项】
1. 一种稀土耐热钢，其特征在于:合金成分主要是以高铬不锈钢为基础，以氮为主要奥 氏体化元素，并在冶炼过程中加入稀土元素进行合金化；按重量百分比计，合金成分范围 为：C 0.20~0.45，Si 0.82~2·55，Μη 2.0~13.0，Cr 10.5~29.0，Ni 0.9~2·5，Μο 0.3~ 0.6,0彡0·0025，Ν 0.0050~0·9，Ρ彡0.020，S彡0.015，RE 0.01 ~0.38，Fe余量。2. 按照权利要求1所述的稀土耐热钢，其特征在于:优选的，按重量百分比计，合金成分 范围为：C 0.25 ~0.35，Si 1.8 ~2·2，Μη 10.5 ~11.5，Cr 19.0 ~21.0，Ni 1.8 ~2·2，Μο 0.3~0·4,0彡0·0020，Ν 0.30~0·40，Ρ彡0.015，S彡0.010，RE 0.02~0.06，Fe余量。3. -种权利要求1所述的稀土耐热钢的铸造工艺，其特征在于，采用纯净废钢或铁水进 行冶炼，中间合金均预热处理，选择纯稀土作为配料进行合金化处理，采用高温固溶热处理 工艺进行热处理。4. 按照权利要求3所述的稀土耐热钢的铸造工艺，其特征在于，采用中频炉冶炼，氮化 铬铁中间合金预热400~800°C，分批次加入。5. 按照权利要求3所述的稀土耐热钢的铸造工艺，其特征在于，稀土处理前，磷含量< 0.020wt %，并进行钢包精炼炉精炼，深脱硫，硫含量<0.015wt %，再进入真空精炼炉，真空 精炼钢，氧含量< 15ppm，氮含量< 50ppm。6. 按照权利要求3所述的稀土耐热钢的铸造工艺，其特征在于，利用稀土合金处理钢水 的过程如下： (1) 浇注铸件的钢水处理 电解纯稀土合金，制成方块状，每块0.1~0.5kg;利用喷砂机处理干净，露出金属光泽， 用铝箱包裹，放入密封筒中，充氮气保护;稀土加入量是钢水重量的0.01~0.6%，将稀土按 重量比2:1分成两部分，少的部分置于包底，与脱氧剂放在一起，用铝箱包好;多的部分出钢 过程中，随钢水流加入，稀土合金随钢水进入包中，在钢水包中冲混； (2) 浇注钢锭、连铸坯的钢水处理 电解纯稀土合金，制成方块状，每块0.5~1.5kg;利用喷砂机处理干净，露出金属光泽， 用铝箱包裹，放入密封筒中，充氮气保护;稀土加入量是钢水重量的0.01~0.6%，将稀土合 金放入钟罩，直接从顶部加入钢包精炼炉，并且保持钢包精炼炉继续吹氩10~20min，再进 行浇注。7. 按照权利要求3所述的稀土耐热钢的铸造工艺，其特征在于，铸件的热处理采用高温 固溶强化淬火处理，固溶温度1000~1250°C，固溶时间按壁厚尺寸计算，每增加25mm厚，保 温时间增加0.5~2. Oh，出炉后水淬。8. 按照权利要求3所述的稀土耐热钢的铸造工艺，其特征在于，稀土合金选用高纯镧铈 稀土合金，稀土元素含量99wt%以上;在镧铺稀土合金中，镧:铺重量比为1: (1~3)。9. 按照权利要求3所述的稀土耐热钢的铸造工艺，其特征在于：通过包内加入稀土合 金，细化晶粒，细化夹杂物，晶粒度在4级以上，夹杂物总和小于3.0级；稀土钉扎晶界，磷共 晶无法偏聚，减少晶界氧化，提高材料抗氧化能力。10. 按照权利要求3所述的稀土耐热钢的铸造工艺，其特征在于:通过高温固溶处理，使 碳化物充分溶解，确保材料初始组织单一全奥氏体组织，在服役过程中，碳化物在晶界与境 内重新析出，大幅提高高温条件下的组织稳定性，从而确保服役温度达到1000~1250Γ的 超高温度范围。
【文档编号】C22C33/04GK106086710SQ201610716464
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年8月24日
【发明人】胡小强, 栾义坤, 夏立军, 李殿中, 郑雷刚, 谢光阳
【申请人】胡小强, 栾义坤, 夏立军, 李殿中, 郑雷刚, 谢光阳