CN101476090B - 一种高温耐磨窑口护铁合金及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高温耐磨窑口护铁合金，以铬镍合金为主要元素，其组成成分及重量百分比为：碳C 0.25～0.60，铬Cr 26.00～30.00，镍Ni 9.00～12.00，硅Si 0.80～1.50，锰Mn 1.00～2.00，氮N 0.15～0.30，钼Mo 0.20～0.50，钨W 0.50～1.00，钛Ti 0.20～0.60，铌Nb 0.20～0.60，钒V 0.20～0.50，稀土Re 0.20～0.50，硫S≤0.04，磷P≤0.05，余量为铁Fe。该高温耐磨窑口护铁的制造工艺为：造型制备-熔炼浇注-热处理。本发明解决了现有窑口护铁高温条件下不耐磨的技术问题，生产出来的高温耐磨窑口护铁合金优点突出表现在以下三方面：一是常温下拉力、硬度延伸率指标高；二是高温条件下抗氧化和抗磨性强；三是使用寿命明显优于现有产品。
Description
技术领域：
本发明涉及一种高温耐磨合金材料，特别是涉及一种高温耐磨窑口护铁合金及其生产方法。
背景技术：
治金、化工、电力、建材等基础行业的关键设备，大多是在高温状态下运行的，而其中的承热件又往往位于高温设备的核心部位，承热件质量优劣，直接影响整个设备正常运行。如氧化铝工业矿粉焙烧回转窑的关键部件窑口护铁，位于回转窑的出料端头，对回转窑内衬耐材料起保护作用，同时又时回转窑筒体与外置部件的连接体。回转窑工作时，1150℃以上的岩浆状氧化铝烧成料，因回转窑的旋转和10℃左右的倾斜角，炽热的物料，经过窑口护铁流出，窑口护铁表面受到强烈氧化和冲刷磨损。此时窑口护铁温度达900℃-1100℃，高温下金属强度仅为常温强度的1/10左右。窑口护铁除表面受磨擦力外，还需受重力，离心力和物料冲进击力的作用，因高温氧化磨损使其厚度减薄而磨穿或变形开裂。从而迫使生产全线停机检修，检修程序：停机-冷却---检修(或安装)---升温---运行.检修一次需全线停机3-10天，直接经济损失就达数十万元，目前，我国大型铝业公司主要采用烧结法生产氧化铝，其窑口护铁材料是1Cr18Ni9Ti不锈钢板和铬锰氮耐热钢，使用寿命仅3-6个月，每年需停产检修2-4次，损失巨大。
近几年，我国在高温抗磨材料研究方面，有一定的发展，如发明专利CN1418975A，北京航空航天大学研发的一种超高碳Cr-Ni-C高温耐磨合金材料，该合金材料主要由Cr、Ni、C三种元素组成，主要运用于850℃条件下的机械磨损、冲蚀磨损等；发明专利CN1335417A湖南省高科有限公司研发的“一种高温耐磨合金钢及其生产方法”，主要用于钢铁冶金行业中制造轧钢生产线所使用的轧辊、导卫轮及导卫板。针对氧化铝行业回转窑使用的窑口护铁，尤其在1150℃以上高温条件连续使用后，经受物料冲击磨损的窑口护铁，目前国内还没有新型高温耐磨材料问世，因此，新型高温耐磨合金材料窑口护铁的开发，是氧化铝行业急待解决的重大技术问题。
发明内容：
本发明所要解决的技术问题是：提供一种高温耐磨窑口护铁合金及其生产方法，从而解决窑口护铁在1150℃以上高温条件下的耐磨问题。
本发明为解决技术问题所采取的技术方案是：
一种高温耐磨窑口护铁合金，以铬镍合金为主要元素，以氮、钛、铌、钨、碳、硅、锰、稀土为辅助元素，所述高温耐磨窑口护铁合金的成分及其重量百分比为：碳C 0.25～0.60，铬Cr 26.00～30.00，镍Ni 9.00～12.00，硅Si 0.80～1.50，锰Mn 1.00～2.00，氮N 0.15～0.30，钼Mo 0.20～0.50，钨W 0.50～1.00，钛Ti 0.20～0.60，铌Nb 0.20～0.60，钒V 0.20～0.50，稀土Re 0.20～0.50，硫S≤0.04，磷P≤0.05，余量为铁Fe。
所述的高温耐磨窑口护铁合金的生产方法，其特征在于是通过以下具体生产工艺来实现的：
a、型砂准备：选用天然石英砂、水玻璃通过适当配比，混制4～6分钟后备用；
b、造型准备：按照设计要求制作窑口护铁模具，将模具放入专用砂箱内，加入已经混制好的型砂并适当紧实，送入VRH真空置换硬化装置；
c、硬化组型：在VRH真空置换硬化装置中，先抽真空2分钟，然后吹入CO2气体，吹气压力0.150～0.258Mpa，吹气时间为1～2分钟，使水玻璃型砂硬化，具备一定强度，将模具取出后形成的砂型型腔进行组合，以待浇注；
d、熔炼浇注：将返回料、不锈钢废料、铬铁、钼铁、钨铁、硅铁、锰铁和镍板这些原料按适当比例和规定的次序加入电炉中进行融化，用直读光谱检测并调整化学成分；钛Ti在脱氧后临出炉前加入，出炉前作成分分析；稀土Re在包底加入，冲入钢水，浇注前取样作最终分析；其中，出炉温度1650～1680℃，浇注温度1520～1580℃，快速浇注；
e、热处理：将浇注后的工件在1050℃～1100℃时进行固溶处理，之后加热至850～900℃，保温2～4小时，然后出炉空冷，得到高温耐磨窑口护铁。
在步骤“a”中，所述天然石英砂原料的SiO2含量大于98％，粒度40～70目；所述水玻璃的模数为2.2～2.5，密度50波美度；所述天然石英砂和水玻璃砂的重量份配比为：天然石英砂100份，水玻璃5份。
在步骤“c”中，所述抽真空的真空度为98Mpa。
本发明的积极有益效果在于：解决了现有窑口护铁高温条件下不耐磨的技术问题。其优点突出表现在以下三方面：一是常温下拉力、硬度延伸率指标高；二是高温条件下抗氧化性强；三是使用寿命明显优于现有产品。
(1)、拉力、硬度延伸率指标高。本发明合金材料常温下力学性能如表1：
表1本发明高温耐磨窑口护铁合金材料力学性能
(2)、抗氧化性能强。本发明合金材料高温条件下抗氧化性能，按冶标YB48-84规定进行，分别在1000℃和1200℃进行150小时试验，所得数据为：在1000℃时，平均氧化增重速度为0.0213克/m2·h；在1200℃时平均氧化增重速度为0.3289克/m2·h，和YB48-84钢的氧化级别评定标准对比(见表2)可知：本发明高温耐磨合金在1000℃是完全抗氧化的，在1200℃是抗氧化的，详见表2中YB48-84钢的抗氧化级别评定：
表2YB48-84钢的抗氧化级别评定
| 抗氧化级别 | 抗氧化性 | 平均速度(g/m2·h) |
| 1 | 完全抗氧化 | ≤0.1 |
| 2 | 抗氧化 | 0.1-1.0 |
| 3 | 次抗氧化 | 1.0-3.0 |
| 4 | 弱抗氧化 | 3.0-10.0 |
| 5 | 不抗氧化 | ＞10.0 |
(3)、使用寿命长。
目前我国氧化铝工业焙烧回转窑使用的窑口护铁、使用寿命为3-6个月，而本发明高温耐磨合金窑口护铁经山东铝业公司、中州铝业公司使用，寿命都在24个月以上，成倍地延长了产品的使用寿命，降低了氧化铝生产成本。
具体实施方式：
为更好地理解本发明，下面结合具体实施例做进一步说明：
1、高温耐磨窑口护铁的化学成分设计：
化学成分是决定合金性能的关键因素，要解决高温条件下金属的耐磨问题，必须首先进行合理的成分设计。经综合对比分析，本发明确定以铬、镍合金为基础，采用主导合金因素(铬、镍)与辅助元素(氮、钛、铌、钨、稀土)相结合，组成合金材料。这样做一是为获得奥氏体基体，二是为形成MC型碳化物和减少M23C6型化物，以保证合金材料高温下的抗氧化性，抗蠕变性和耐磨性。
铬Cr：主要用于提高合金材料的抗氧化性和耐蚀性。铬在氧化性介质中很快形成一层氧化膜，这种膜具有相当高的化学稳定性，包围于钢的表面，为保证该材质在1000～1200℃时的抗氧化性，其含铬量设计为26～30％。
镍Ni：镍在不锈钢和耐热钢中起促成和稳定奥氏体的作用，提高合金的高温强度和抗蠕变性。为保证获得奥氏体和材料的高温性能，故在材料中将镍确定为9.0～12％。
碳C：碳对钢性能影响很大。如果合金中含碳量过低，小于0.25％时，其形成的MC型碳化物能力就会降低。含碳量过高，则会降低合金材料的塑性和韧性。考虑合金材料的高温强度，抗氧化性和加工性能(铸造性能、焊接性能、机加工性能)，综合分析碳的作用，本合金材料将碳控制在0.25～0.60％。
氮N：增加钢中的含氮量，可以扩大奥氏体区，提高刚中奥氏体量，同时减少贵重金属镍的含量。含氮0.13～0.33时钢的组织为铁素体和奥氏体，当氮达到0.58时，就可以得到单一奥氏体组织。但是若钢中氮量过高，铸件中则会产生气孔，而当含氮量低于0.35时，则一般不会产生气孔，所以本设计将氮含量控制在0.15～0.35％范围内。
硅Si和锰Mn：硅可以提高合金的淬透性，但有降低合金塑性的性能；锰是奥氏体的形成元素，适当加入Mn可以节省Ni，但考虑硅和锰在合金中的综合作用，确定硅控制在0.8～1.5范围内，锰控制在1.0～2.0％范围内。
钨W和钼Mo：钨和钼在高温下可固溶于奥氏体中，提高奥氏体在高温下的持久强度和蠕变抗力。同时这两个元素均可降低铬在钢中的扩散系数，阻止Cr23C6的形成，强化铬的固溶强化作用。故将钨确定为0.5～1.0％，钼为0.2～0.5％。
钛、铌、钒：Ti、Nb、V等元素与C和N的亲和力极强，加入合金中，在凝固过程中形成弥散分布的硬度极高的碳化物和氮化物微粒，有利于提高合金的高温抗氧化性，还可提高合金的持久强度，减少蠕变和裂纹。所以，Ti、Nb、V的含量分别确定为：0.2～0.6％；0.2～0.6％；0.2～0.5％。
稀土元素Re：稀土有良好的脱氧、脱硫作用，少量加入合金中，可使合金在高温下生成的氧化膜致密而稳定且不易剥离，从而提高其抗氧化性和高温耐磨性。实践表明，当稀土元素含量达到0.10％以上时，上述作用可明显表现出来，故本发明设计将稀土元素控制在0.2～0.5％。
综上所述，本发明的高温耐磨合金窑口护铁的成分设计如下(见表3)：
表3高温耐磨窑口护铁化学成分
| 元素名称 | C | Cr | Ni | Si | Ma | N | Mo | W | Ti | Nb | V | Re | S | P | Fe |
| 百分含量％ | 0.25|0.60 | 26.00|30.00 | 9.0|12.0 | 0.80|1.50 | 1.00|2.00 | 0.15|0.30 | 0.20|0.50 | 0.50|1.00 | 0.20|0.60 | 0.20|0.60 | 0.20|0.50 | 0.20|0.50 | ≤0.04 | ≤0.05 | 余量 |
2、本发明合金材料的生产方法：
本发明生产高温耐磨窑口护铁所采用的制造工艺过程为：造型制备---熔炼浇注----热处理。
第一步、造型制备：
(1)造型用原材料天然石英砂，要求SiO2含量大于98％，粒度40/70目；水玻璃，要求模数M＝2.1～2.6。(2)水玻璃砂配比：天然石英砂100％，水玻璃8％。(3)砂型混制及选型：干混2～3分钟后，加水玻璃湿混4～6分钟。性能检测用单铸试块(Y型试块)。铸型造好后，吹CO2硬化，(吹气压力0.150～0.258Mpa，吹气时间1～2分钟，以待浇注。
第二步、熔炼浇注：
本发明合金因含合金元素较多，熔炼应在碱性(镁砂炉衬)中频感应炉中进行，熔炼工艺采用不氧化法熔炼，这种工艺熔炼时钢中合金元素的收得率参见表4。
本发明根据材质成分设计规范及金属炉料的成分进行配料计算，所采用的主要金属炉料参见表5。
本发明合金材料熔炼时，返回料、不锈钢废料、铬铁、钼铁、钨铁、硅铁、锰铁、镍板等按适当的比例和规定的次序加入电炉中进行融化，用直读光谱检测并调整；金属钛容易氧化烧损，要预先做成合金粉粒，在脱氧后临出炉前，在专用覆盖剂保护下加入，出炉前作分析；稀土在包中冲入法加入，出炉温度1650～1680℃，浇注温度1520～1580℃，扒渣后浇注Y型试块。
第三步、热处理(包括固溶处理、保温处理、空冷处理)：
本发明对该合金材料进行热处理的目的是：一则使Cr23C6溶解，使其固溶于奥氏体中，避免Cr23C6网状分布；二则是创造良好的热力学条件，以有利于TiC、NbC、VC等高温稳定碳化物的形成。为此，首先对该合金材料在1050～1100℃时进行固溶处理，使绝大部分Cr23C6溶解而固溶于奥氏体中，而TiC(或NbC)由于其高温稳定性强，只有部分溶入奥氏体中，为了充分发挥TiC(或NbC)的作用，对合金材料固溶处理后，再加热至850～900℃，保温2～4小时，然后出炉空冷。这一温度高于碳化铬的固溶温度而低于碳化钛的固溶温度，在此温度下只有TiC(或NbC)的形成而碳化铬不能形成。经过这一处理，可以消除大量网状Cr23C6有效避免窑口护铁在交变受力和热应力作用下产生裂纹的现象，延长产品的使用寿命。
表4碱性感应电炉不氧化法炼钢合金元素收得率
| 元素名称 | 合金名称 | 适宜的加入时间 | 收得率(％) |
| 镍 | 电解镍 | 装料时 | 100 |
| 钼 | 钼铁 | 装料时 | 100 |
| 铌 | 铌铁 | 装料时 | 100 |
| 钨 | 钨铁 | 装料时 | 100 |
| 铬 | 铬铁 | 装料时 | 97-98 |
| 锰 | 锰铁、金属锰 | 出炉前5分钟 | 94-97 |
| 元素名称 | 合金名称 | 适宜的加入时间 | 收得率(％) |
| 氮 | 氮化锰、氮化铬 | 出炉前5分钟 | 85-95 |
| 钒 | 钒铁 | 出炉前5分钟 | 95-98 |
| 硅 | 硅铁 | 出炉前7-10分钟 | 90 |
| 钛 | 钛铁 | 出钢前插铝后加入 | 85-92 |
表5主要金属炉料
Claims (3)
1.一种高温耐磨窑口护铁合金的生产方法，所述高温耐磨窑口护铁合金的成分及其重量百分比如下：碳C 0.25～0.60，铬Cr 26.00～30.00，镍Ni 9.00～12.00，硅Si 0.80～1.50，锰Mn 1.00～2.00，氮N 0.15～0.30，钼Mo 0.20～0.50，钨W 0.50～1.00，钛Ti 0.20～0.60，铌Nb 0.20～0.60，钒V 0.20～0.50，稀土Re 0.20～0.50，硫S≤0.04，磷P≤0.05，余量为铁Fe；
其特征在于是通过以下具体生产工艺来实现的：
a、型砂准备：选用天然石英砂、水玻璃通过适当配比，混制4～6分钟后备用；
b、造型准备：按照设计要求制作窑口护铁模具，将模具放入专用砂箱内，加入已经混制好的型砂并适当紧实，送入VRH真空置换硬化装置；
c、硬化组型：在VRH真空置换硬化装置中，先抽真空2分钟，然后吹入CO2气体，吹气压力0.150～0.258Mpa，吹气时间为1～2分钟，使水玻璃型砂硬化，具备一定强度，将模具取出后形成的砂型型腔进行组合，以待浇注；
d、熔炼浇注：将返回料、不锈钢废料、铬铁、钼铁、钨铁、硅铁、锰铁和镍板这些原料按适当比例和规定的次序加入电炉中进行融化，用直读光谱检测并调整化学成分；钛Ti在脱氧后临出炉前加入，出炉前作成分分析；稀土Re在包底加入，冲入钢水，浇注前取样作最终分析；其中，出炉温度1650～1680℃，浇注温度1520～1580℃，快速浇注；
e、热处理：将浇注后的工件在1050℃～1100℃时进行固溶处理，之后加热至850～900℃，保温2～4小时，然后出炉空冷，得到高温耐磨窑口护铁。
2.根据权利要求1所述的高温耐磨窑口护铁合金的生产方法，其特征在于：在步骤“a”中，所述天然石英砂原料的SiO2含量大于98％，粒度40～70目；所述水玻璃的模数为2.2～2.5，密度50波美度；所述天然石英砂和水玻璃砂的重量份配比为：天然石英砂100份，水玻璃5份。
3.根据权利要求1所述的高温耐磨窑口护铁合金的生产方法，其特征在于：在步骤“c”中，所述抽真空的真空度为98Mpa。
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