一种稀土耐热钢及其铸造工艺制造技术

本发明专利技术涉及耐热钢领域，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。采用本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及耐热钢领域，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。
技术介绍
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℃，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1000℃以上，甚至达到1250℃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。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种稀土耐热钢的材料设计与铸造工艺，采用本专利技术的冶炼和浇注方法，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。本专利技术的技术方案是：一种稀土耐热钢，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，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 0.01～0.38，Fe余量。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，Mn 10.5～11.5，Cr 19.0～21.0，Ni 1.8～2.2，Mo 0.3～0.4，O≤0.0020，N 0.30～0.40，P≤0.015，S≤0.010，RE 0.02～0.06，Fe余量。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。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℃，分批次加入。所述的稀土耐热钢的铸造工艺，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。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：(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，用铝箔包裹，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，用铝箔包好；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，用铝箔包裹，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。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℃，固溶时间按壁厚尺寸计算，每增加25mm厚，保温时间增加0.5～2.0h，出炉后水淬。所述的稀土耐热钢的铸造工艺，稀土合金选用高纯镧铈稀土合金，稀土元素含量99wt％以上；在镧铈稀土合金中，镧：铈重量比为1：(1～3)。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，提高材料抗氧化能力。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℃的超高温度范围。本专利技术的优点及有益效果是：1.本专利技术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，本专利技术制备的材料为1000℃以上超高温运行设备提供了有力支承。2.本专利技术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。3.本专利技术制备了全奥氏体稀土钢，采用本专利技术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。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。具体实施方式在具体实施过程中，本专利技术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。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℃，并且分批加入，保证氮的收得率在50％以上。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。(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，用铝箔包裹，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0.001wt％～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，用铝箔包好；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，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，用铝箔包裹，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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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，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 0.01～0.38，Fe余量。

【技术特征摘要】
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，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 0.01～0.38，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，Mn 10.5～11.5，Cr 19.0～21.0，Ni 1.8～2.2，Mo 0.3～0.4，O≤0.0020，N 0.30～0.40，P≤0.015，S≤0.010，RE 0.02～0.06，Fe余量。3.一种权利要求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℃，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....

【专利技术属性】
技术研发人员：胡小强，栾义坤，夏立军，李殿中，郑雷刚，谢光阳，
申请(专利权)人：胡小强，栾义坤，夏立军，李殿中，郑雷刚，谢光阳，
类型：发明
国别省市：辽宁;21