CN114000027B - Uns n08120锻环及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种UNS N08120锻环，由以下质量份数计的原料制成：0.02％‑0.10％的C、≤1.50％的Mn、≤0.04％的P、≤0.03％的S、≤1.00％的Si、23.00％‑27.00％的Cr、35.00％‑39.00％的Ni、0.40％‑0.90％的Nb+Ta、≤0.5％的Cu、0.15％‑0.30％的N、≤0.04％的Al、≤0.20％的Ti、≤2.50％的Mo、≤2.50％的W、≤3.00％的Co、≤0.01％的B，余量为Fe；本发明还提供了一种UNS N08120锻环制造方法，包括以下步骤：S1、原料准备；S2、原料熔化并预脱氧；S3、精炼并扩散脱氧；S4、制备感应电极；S5、电渣重熔；S6、将步骤S5的电渣锭锻造成锻胚，固溶热处理后得到UNS N08120锻环；本发明在优化成分的基础上通过中频感应炉与电渣重熔工艺生产优质的镍铁铬合金铸锭，再通过特制的锻造工艺实现UNS N08120锻环优异的综合性能。
Description
技术领域
本发明涉及炼钢技术领域，具体而言，涉及一种UNS N08120锻环及其制造方法。
背景技术
UNS N08120是一种在800H基础上发展而来的固溶强化型的耐热合金，这种合金具有极高的高温强度，同时兼备抵抗渗碳、硫化的能力。UNS N08120的抗高温氧化性在Fe-Cr-Ni合金中是最好的，综合性能比300不锈钢系列、800系列都更优秀。即使和Ni-Cr系列合金相比，1095℃温度以下的UNS N08120强度也明显更高。同时该合金冷热加工成型均较良好，产品涉及棒、法兰锻件、管、板等，被广泛运用于化工汽化炉邻域流化床部件。正因为UNSN08120的高强度和高持久性能，目前正逐步替代传统的800H材料，这样在保持设计结构强度的同时，可以实现结构重量的减少，节省材料。但国内UNS N08120制造起步较晚，很难生产出综合性能优异的UNS N08120锻环。
发明内容
本发明为了克服现有技术的缺陷，在优化成分的基础上通过中频感应炉与电渣重熔工艺生产优质的UNS N08120铸锭，再通过特制的锻造工艺实现UNS N08120锻环优异的综合性能。
为解决上述问题，本发明提供一种UNS N08120锻环，由以下质量份数计的原料制成：0.02％-0.10％的C、≤1.50％的Mn、≤0.04％的P、≤0.03％的S、≤1.00％的Si、23.00％-27.00％的Cr、35.00％-39.00％的Ni、0.40％-0.90％的Nb+Ta、≤0.5％的Cu、0.15％-0.30％的N、≤0.04％的Al、≤0.20％的Ti、≤2.50％的Mo、≤2.50％的W、≤3.00％的Co、≤0.01％的B，余量为Fe。
与现有技术相比，本发明UNS N08120锻环采用优化后的原料成分可以使制造出的UNS N08120锻环具有优异的综合性能。其中，在钢中加入碳并随着碳量增加，钢的屈服强度和抗拉强度都升高，增加钢的冷脆性和时效敏感性，但塑性和冲击性都会降低，当碳量超过0.23％时，钢的焊接性能变坏、耐大气腐蚀能力降低；锰是良好的脱氧剂和脱硫剂，一般钢中含锰在0.3％-0.5％，在碳素钢中加入0.7％以上时就可以称为锰钢，不但具有足够的韧性，也具有较高的强度、硬度、淬性和加工性能，但锰量过高时，钢的抗腐蚀能力减弱，焊接性能会降低；而磷是钢中有害元素，增加钢的冷脆性，使焊接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏；硫也是钢中的有害元素，使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹，硫对焊接性能也不利，降低钢的耐腐蚀性；而硅作为炼钢中的还原剂和脱氧剂，能显著提高钢的弹性极限、屈服强度和抗拉强度，可以与钼、钨、铬结合，有效提高钢的抗腐蚀性和抗氧化性，但硅量超过1.0％-1.2％后，会降低钢的焊接性能；铬作为镍铁铬合金的基础元素，能显著提高强度、硬度、耐磨性、抗氧化性和耐腐蚀性，但同时也会降低塑性和韧性；镍作为镍铁铬合金的基础元素，既能提高钢的强度，又能保持良好的塑性和韧性，对酸碱有较高的耐腐蚀能力，在高温下有防锈和耐热能力；铌能细化晶粒和降低钢的过热敏感性及回火脆性，可以提高钢的强度和提高抗大气腐蚀及高温下抗氢、氮、氨腐蚀能力，但塑性和韧性都会降低；钽和铌可以在熔炼浇铸时熔入固溶体，起到固溶强化的作用；铜能提高强度和韧性，特别是大气腐蚀性能，但在钢热加工时容易产生热脆，铜含量超过0.5％时塑性显著降低；氮能提高钢的强度、低温韧性、焊接性和时效敏感性，同时具有固溶强化作用，提高高铬和高铬镍钢的强度而不降低塑性，在钢中的含量一般＜0.3％；铝是钢中常用的脱氧剂，加入少量铝可以细化晶粒，提高冲击韧性，但铝会影响钢的热加工性能、焊接性能和切削加工性能，在本发明镍铁铬合金中需要严格控制其含量；钛是钢中强脱氧剂，能使钢的内部组织致密，细化晶粒，降低时效敏感性和冷脆性；钼能使钢的晶粒细化，提高淬透性和热强性能，在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力，在结构钢中加入钼能提高机构性能抑制脆性，在锻模钢中能保持钢有比较稳定的硬度，增加对变形、开裂和磨损的抗力；钨能与碳形成硬度和耐磨性很高的碳化钨，可显著提高红硬性和热强性；钴也多用于热强钢中，增加钢的淬透性；硼可改善钢的致密性和热轧性能，提高钢的强度。
作为优选，UNS N08120锻环由以下质量份数计的原料制成：0.04％-0.06％的C、0.06％-0.08％的Mn、≤0.02％的P、≤0.01％的S、0.30％-0.50％的Si、24.00％-26.00％的Cr、36.00％-38.00％的Ni、0.60％-0.80％的Nb+Ta、≤0.2％的Cu、0.20％-0.25％的N、≤0.05％的Al、≤0.20％的Ti、≤2.50％的Mo、≤2.50％的W、≤3.00％的Co、≤0.01％的B，余量为Fe。
作为优选，UNS N08120锻环由以下质量份数计的原料制成：0.05％的C、0.07％的Mn、0.40％的Si、25.00％的Cr、37.00％的Ni、0.70％的Nb+Ta、0.22％的N、≤0.20％的Ti、≤2.50％的Mo、≤2.50％的W、≤3.00％的Co、≤0.01％的B，余量为Fe。
本发明还提供一种UNS N08120锻环制造方法，包括以下步骤：
S1、原料准备：准备工业纯铁、金属硅、金属铬、铌条、电解镍、金属锰、氮化铬铁、金属钨、金属钴、金属钼及ASME SA-564中UNS N08120的其它标准成分配料，作为UNS N08120锻环的原料，备用；
S2、原料熔化并预脱氧：在中频感应熔炼炉内铺设底渣，然后加入步骤S1中的工业纯铁、金属硅、金属铬、电解镍、金属锰，熔化并预脱氧，再加入步骤S1中的金属钨、金属钴、金属钼熔炼；
S3、精炼并扩散脱氧：待原料熔清后，在中频感应熔炼炉内扒底渣造新渣，然后分批加入硅钙粉进行扩散脱氧；
S4、制备感应电极：扩散脱氧后，控制液相线温度为1300℃-1350℃，在出钢温度为1570℃-1590℃下进行浇铸，得到感应电极；
S5、电渣重熔：将步骤S4中的感应电极进行电渣重熔，空冷后得到钢锭，再进行退火热处理得到电渣锭；
S6、将步骤S5的电渣锭锻造成锻胚，固溶热处理后得到UNS N08120锻环。
本发明通过在优化原料成分的基础上，通过中频感应熔炼将原料熔化，加入金属硅和金属锰作为预脱氧剂，在精炼过程中加入硅钙粉扩散脱氧，极大降低钢中的氧含量，再浇铸得到感应电极并电渣重熔及退火得到成分优化后电渣锭，最后将电渣锭锻造出需要尺寸的锻胚并经固溶热处理得到机械性能优异的锻环，为制造高性能UNS N08120锻环提供了一个创造性的方法。
进一步地，步骤S2中的底渣成分为30wt％萤石和70wt％石灰；步骤S3中的新渣成分为20％-30％的萤石和70％-80％的石灰，精炼温度为1530℃-1550℃，精炼温度不宜过高。
进一步地，在步骤S3中扩散脱氧时，分10批加入硅钙粉，每批加入量为2kg，每批间隔时间为5min，期间视渣情况及时更换新渣后，可加入铝石灰、镍镁、结晶硅继续沉淀脱氧，保证脱氧质量。
进一步地，在步骤S4中的扩散脱氧后，即白渣形成时间必须≥40min，加入氮化铬调整钢液成份，再加入硅钙粉、铝块、萤石、铝石调节渣子流动性至液相线温度为1330℃后，在1570℃-1590℃出钢温度下出钢。
进一步地，步骤S5中的退火热处理包括以下步骤：
S51：将钢锭置于400℃的室式炉内保温2h；
S52：以≤100℃/h的升温速度升温至940℃-960℃后，保温2h；
S53：以≤150℃/h的升温速度升温至1170℃-1190℃后，保温4h；
S54：炉冷至1150℃-1170℃后，保温2h，最后出炉锻造得到电渣锭。
进一步地，步骤S6中的电渣锭锻造包括以下步骤：
S611：第一火轻拍电渣锭的锭身，初始变形压下量控制≤50mm，待铸态组织破碎后立起锭身，分1-2火完成1墩1拔，逐步加大下压量到电渣锭高度1/3及以上，再1160℃回炉1h；
S612：多火次下压电渣锭至厚度为320mm，外径立起滚圆至680mm，再1180℃回炉1h；
S613：利用Φ260mm实心冲头依次对电渣锭正反两面冲孔成胚料，随后对胚料外形进行修正；
S614：上马杠多火次扩环，每次火后，1160℃回炉45min，扩环至目标尺寸：Φ825mm/Φ377mm，H＝300mm，并对胚料形状进行最终修正，得到锻胚。
进一步地，步骤S6中的固溶热处理包括以下步骤：
S621：将锻胚置于300℃的室式炉内后，以≤150℃/h的升温速度将炉温升温至1170℃-1190℃；
S622：待料温都均热到1170℃-1190℃的炉温后，开始保温4h；
S623：将锻胚出炉水冷。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1是本发明实施例电渣锭锻造成锻坯的工序示意图。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
实施例一
一种UNS N08120锻环制造方法，包括以下步骤：
S1、原料准备：准备工业纯铁、金属硅、金属铬、铌条、电解镍、金属锰、氮化铬铁、金属钨、金属钴、金属钼及表1其它原料成分配料，作为UNS N08120锻环的原料，原料装入量为1.8t，备用；
S2、原料熔化并预脱氧：在中频感应熔炼炉内铺设成分为30wt％萤石和70wt％石灰的底渣，然后加入步骤S1中的工业纯铁、金属硅、金属铬、电解镍、金属锰，熔化并预脱氧，再加入步骤S1中的金属钨、金属钴、金属钼熔炼；
S3、精炼并扩散脱氧：待原料熔清后，在1530℃-1550℃的精炼温度下，在中频感应熔炼炉内扒底渣造成分为30wt％萤石和70wt％石灰新渣，然后分10批加入硅钙粉进行扩散脱氧，每批加入量为2kg，每批间隔时间为5min，期间视渣情况及时更换新渣后，加入铝石灰、镍镁、结晶硅继续沉淀脱氧，保证脱氧质；
S4、制备感应电极：扩散脱氧后，即白渣形成时间必须≥40min，加入氮化铬调整钢液成份，再加入硅钙粉、铝块、萤石、铝石调节渣子流动性至液相线温度为1330℃后，在1570℃-1590℃出钢温度下进行出钢浇铸，得到感应电极；
S5、电渣重熔：将步骤S4中的感应电极进行电渣重熔(电渣重熔电制度参见表2)，进行成分测试(结果见表3)，空冷后得到钢锭，再按以下步骤的退火热处理得到电渣锭：
S51：将钢锭置于400℃的室式炉内保温2h；
S52：以≤100℃/h的升温速度升温至940℃-960℃后，保温2h；
S53：以≤150℃/h的升温速度升温至1170℃-1190℃后，保温4h；
S54：炉冷至1150℃-1170℃后，保温2h，最后出炉锻造得到电渣锭；
S6、参见图1的锻造工序，将步骤S5的电渣锭按以下步骤锻造成锻胚：
S611：第一火轻拍电渣锭的锭身，初始变形压下量控制≤50mm，待铸态组织破碎后立起锭身，分1-2火完成1墩1拔，逐步加大下压量到电渣锭高度1/3及以上，再1160℃回炉1h；
S612：多火次下压电渣锭至厚度为320mm，外径立起滚圆至680mm，再1180℃回炉1h；
S613：利用Φ260mm实心冲头依次对电渣锭正反两面冲孔成胚料，随后对胚料外形进行修正；
S614：上马杠多火次扩环，每次火后，1160℃回炉45min，扩环至目标尺寸：Φ825mm/Φ377mm，H＝300mm，并对胚料形状进行最终修正，得到锻胚；
再将锻胚按以下步骤固溶热处理后得到UNS N08120锻环：
S621：将锻胚置于300℃的室式炉内后，以≤150℃/h的升温速度将炉温升温至1170℃-1190℃；
S622：待料温都均热到1170℃-1190℃的炉温后，开始保温4h；
S623：将锻胚出炉水冷得到UNS N08120锻环。
固溶热处理时，工件应放在炉膛有效加热区域之内，这样有助于热传导和热辐射作用。为确保工艺严谨，应采用外接热电偶测试工件温度，品质热处理的保温时间指料温到后时间。工艺固溶完应迅速入水，冷却水池温度≤40℃。
表1.实施例一中的中频感应熔炼原料成分
| 元素 | C | Mn | P | S | Si | Cr | Ni | Nb+Ta | Cu |
| 配入，％ | 0.050 | 0.70 | ≤0.02 | ≤0.01 | 0.40 | 25.00 | 37.00 | 0.70 | ≤0.20 |
| 实测，％ | 0.051 | 0.77 | 0.016 | 0.003 | 0.45 | 24.58 | 36.04 | 0.73 | 0.03 |
| 元素 | N | Al | Fe | Ti | W | Co | B | Mo | |
| 配入，％ | 0.22 | ≤0.05 | 余 | ≤0.05 | 1.00 | 2.80 | 0.004 | 1.00 | |
| 实测，％ | 0.197 | 0.04 | 余 | 0.06 | 1.1 | 2.75 | 0.0033 | 1.07 |
表2.实施例一中的电渣重熔电制度
| 步骤 | 二次侧电流，A | 二次侧电压，V | 时间，min |
| 化渣阶段 | 3500～4500 | 55～57 | ≥30 |
| 起弧阶段 | 4500～10000 | 56～62 | ≥60 |
| 稳态阶段 | 8000～10000 | 58～62 | 按6～7kg/min |
| 补缩阶段 | 10000～5000 | 60～52 | ≥45 |
表3.实施例一中的电渣重熔后感应电极的成分
实施例二
对制得的锻环进行金相试验，其中，晶粒度按ASTM E112-21013的标准试验方法，夹杂物按GB/T10561-2005《钢中非金属夹杂物显微评定方法》试验方法，结果见表4。
表4.金相试验结果
由表4的结果可见，锻环在1180℃保温2h后的状态1及经后续900℃保温5.5h后的晶粒度都为4.5级，说明900℃的保温没有改变锻环的晶粒大小；在状态1的基础上，经后续1200℃保温5.5h，晶粒度降低到4级，说明在1200℃下，UNS N08120锻环组织发生细化；在状态1的基础上，经后续1200℃保温1.5h和900℃保温5.5h，晶粒度也降低到4级，说明在1200℃下保温1.5h就可以将UNS N08120锻环组织细化，说明锻造温度对UNS N08120锻环的晶粒度影响较大，应当严格控制UNS N08120锻环的锻造温度。而以上4种状态下的UNS N08120锻环夹杂物尺寸都较小且未发生明显改变，说明采用实施例一原料配比及制备方法(脱氧工艺)得到的UNS N08120锻环可以消除大部分杂质。
对制得的锻环进行力学性能测试，结果见表5。
表5.机械性能试验结果
由表5的结果可知，1180℃下保温2h时的抗拉强度、屈服强度可以达到827Mpa、425Mpa，延伸率、收缩率也能保持48.5％、56％，冲击功可以达到128/128/124；经过900℃下保温5.5h后，抗拉强度、屈服强度升高到862Mpa、471Mpa，延伸率、收缩率降低到36.5％、40％；经过1200℃下保温1h后，抗拉强度、屈服强度降低到783Mpa、381Mpa，延伸率、收缩率也降低到42％、49％；经过1200℃下保温1.5h及后续900℃下保温5.5h后，抗拉强度、屈服强度升高到845Mpa、454Mpa，延伸率、收缩率降低到35％、38％，可见，1200℃下保温1.5h的热处理会同时降低强度(抗拉强度、屈服强度)和伸缩率(延伸率、收缩率)，参见金相组织的变化，可知1200℃时的UNS N08120锻环组织发生变化，不利于取得更好的机械性能，因此，如果需要经过1200℃下保温热处理，应当在之后经过900℃下再保温，以使机械性能得以恢复。
制得的锻环试样经过48h×5周期的腐蚀性能试验，结果风表6。
表6.腐蚀试验结果
由表6的腐蚀试验结果可知，固溶态和时效态的UNS N08120锻环的腐蚀率都为0.01mm/月，展现了良好的抗腐蚀性能。
虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员，在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种UNS N08120锻环制造方法，其特征在于，所述UNS N08120锻环制造方法由以下质量份数计的原料制成：0.02%-0.10%的C、≤1.50%的Mn、≤0.04%的P、≤0.03%的S、≤1.00%的Si、23.00%-27.00%的Cr、35.00%-39.00%的Ni、0.40%-0.90%的Nb+Ta、≤0.5%的Cu、0.15%-0.30%的N、≤0.04%的Al、≤0.20%的Ti、≤2.50%的Mo、≤2.50%的W、≤3.00%的Co、≤0.01%的B，余量为Fe；
所述制造方法包括以下步骤：
S1、原料准备：准备工业纯铁、金属硅、金属铬、铌条、电解镍、金属锰、氮化铬铁、金属钨、金属钴、金属钼及ASME SA-564中UNS N08120的其它标准成分配料，作为UNS N08120锻环的原料，备用；
S2、原料熔化并预脱氧：在中频感应熔炼炉内铺设底渣，然后加入步骤S1中的工业纯铁、金属硅、金属铬、电解镍、金属锰，熔化并预脱氧，再加入步骤S1中的金属钨、金属钴、金属钼熔炼；
S3、精炼并扩散脱氧：待原料熔清后，在中频感应熔炼炉内扒底渣造新渣，然后分批加入硅钙粉进行扩散脱氧；
S4、制备感应电极：扩散脱氧后，控制液相线温度为1300℃-1350℃，在出钢温度为1570℃-1590℃下进行浇铸，得到感应电极；
S5、电渣重熔：将步骤S4中的感应电极进行电渣重熔，空冷后得到钢锭，再进行退火热处理得到电渣锭；
S6、将步骤S5的电渣锭锻造成锻胚，固溶热处理后得到UNS N08120锻环。
2.根据权利要求1所述的UNS N08120锻环制造方法，其特征在于，由以下质量份数计的原料制成：0.04%-0.06%的C、0.06%-0.08%的Mn、≤0.02%的P、≤0.01%的S、0.30%-0.50%的Si、24.00%-26.00%的Cr、36.00%-38.00%的Ni、0.60%-0.80%的Nb+Ta、≤0.2%的Cu、0.20%-0.25%的N、≤0.05%的Al、≤0.20%的Ti、≤2.50%的Mo、≤2.50%的W、≤3.00%的Co、≤0.01%的B，余量为Fe。
3.根据权利要求1所述的UNS N08120锻环制造方法，其特征在于，由以下质量份数计的原料制成：0.05%的C、0.07%的Mn、0.40%的Si、25.00%的Cr、37.00%的Ni、0.70%的Nb+Ta、0.22%的N、≤0.20%的Ti、≤2.50%的Mo、≤2.50%的W、≤3.00%的Co、≤0.01%的B，余量为Fe。
4.根据权利要求1所述的UNS N08120锻环制造方法，其特征在于，所述步骤S2中的底渣成分为30wt%萤石和70wt%石灰；所述步骤S3中的新渣成分为20%-30%的萤石和70%-80%的石灰，精炼温度为1530℃-1550℃。
5.根据权利要求1所述的UNS N08120锻环制造方法，其特征在于，在所述步骤S3中扩散脱氧时，分10批加入硅钙粉，每批加入量为2kg，每批间隔时间为5min，期间视渣情况及时更换新渣后，加入铝石灰、镍镁、结晶硅进行沉淀脱氧，保证脱氧质量。
6.根据权利要求1所述的UNS N08120锻环制造方法，其特征在于，所述步骤S4中的扩散脱氧后，加入氮化铬调整钢液成分，再加入硅钙粉、铝块、萤石、铝石调节渣子流动性后再出钢。
7.根据权利要求1所述的UNS N08120锻环制造方法，其特征在于，所述步骤S5 中的退火热处理包括以下步骤：
S51：将钢锭置于400℃的室式炉内保温2h；
S52：以≤100℃/h的升温速度升温至940℃-960℃后，保温2h；
S53：以≤150℃/h的升温速度升温至1170℃-1190℃后，保温4h；
S54：炉冷至1150℃-1170℃后，保温2h，最后出炉锻造得到电渣锭。
8.根据权利要求1所述的UNS N08120锻环制造方法，其特征在于，所述步骤S6中的电渣锭锻造包括以下步骤：
S611：第一火轻拍电渣锭的锭身，初始变形压下量控制≤50mm，待铸态组织破碎后立起锭身，分1-2火完成1墩1拔，逐步加大下压量到电渣锭高度1/3及以上，再1160℃回炉1h；
S612：多火次下压电渣锭至厚度为320mm，外径立起滚圆至680mm，再1180℃回炉1h；
S613：利用Φ260mm实心冲头依次对电渣锭正反两面冲孔成胚料，随后对胚料外形进行修正；
S614：上马杠多火次扩环，每次火后，1160℃回炉45min，扩环至目标尺寸：Φ825mm/Φ377mm，H=300mm，并对胚料形状进行最终修正，得到锻胚。
9.根据权利要求1所述的UNS N08120锻环制造方法，其特征在于，所述步骤S6 中的固溶热处理包括以下步骤：
S621：将锻胚置于300℃的室式炉内后，以≤150℃/h的升温速度将炉温升温至1170℃-1190℃；
S622：待料温都均热到1170℃-1190℃的炉温后，开始保温4h；
S623：将锻胚出炉水冷。
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