CN119491152A - 一种镍铬铁基合金板材的生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种镍铬铁基合金板材的生产方法，组份构成：C:0.05‑0.08%；Si:0.25‑0.45%；Mn:0.55‑0.80%；P≤0.025%；S≤0.005%；Cr:24.5‑26.0%；Ni:36.0‑37.5%；Cu≤0.30%；Nb:0.55‑0.65%；Mo:0.10‑1.0%，残余元素W≤2.5%；B≤0.010%；Al≤0.10%；Ti≤0.10%；[N]0.15‑0.60%；余量为Fe及不可避免的杂质。轧制工艺包括：电弧炉冶炼→AOD精炼→LF精炼→模铸→表面清理→加热→一火次轧制→切除冒口→表面清理→二火次轧制→三火次轧制→成型轧制→水冷→表面清理→固溶热处理→酸洗。本发明在优化成分的基础上通过采用合理的冶炼、轧制及热处理工艺，短流程的镍铬铁基合金板材生产工艺，降低了生产成本，还能获得更好的产品性能。

Description

一种镍铬铁基合金板材的生产方法

技术领域

本发明属于钢材料的加工工艺技术领域，具体来说是涉及一种能用于光伏多晶硅冷氢化反应器钢板制造的镍铬铁基合金板材的生产工艺。

背景技术

随着我国能源革命不断深化，可再生能源、清洁能源在能源生产消费领域的比重不断增加，构建绿色低碳、清洁高效的能源体系是我国能源发展的大趋势。近年来，井喷式发展的风力发电和光伏发电因“极热无风”、“晚峰无光”、“大装机、小电量”等短板，对新能源发展提出新的挑战，各省市地区陆续出台可再生能源配套储能政策指导，要求集中/分布式风电光伏装置配套 20%~25%的储能容量，大力发展集发电及储能为一体的新能源模式。

高纯多晶硅是太阳能光伏和电子工业的基础性原料，随着对太阳能应用的发展，高纯多晶硅的使用量也会与日俱增。高纯多晶硅的生产需要借助冷氢化反应器这种核心设备，因其在多晶硅生产过程中，需要具备高温、耐蚀的性能。涉及的主体材料是一种固溶强化的镍铬铁合金，由于其优异的高温强度和抗氧化、抗渗氮和其他形式的高温腐蚀性能，同时冷热加工成型均较良好，在多晶硅行业冷氢化反应器、气气换热器、塔器、球罐、还原炉等核心压力容器装备上被广泛使用。它能够在保持设计结构强度的同时，减少结构重量，节省材料，降低生产成本。但国内材料制造起步较晚，钢板生产技术相对于国外较为落后，交货周期长，很难通过短流程方法生产出综合性能优异的钢板产品。

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合理的钢锭轧制与热处理工艺，获得了综合性能优异的镍铬铁基合金板材产品。

为达到上述目的，本发明所采取的技术方案为：

一种镍铬铁基合金板材的生产方法，板材化学成分元素质量百分比的要求：C:0.05-0.08%；Si:0.25-0.45%；Mn:0.55-0.80%；P≤0.025%；S≤0.005%；Cr:24.5-26.0%；Ni:36.0-37.5%；Cu≤0.30%；Nb:0.55-0.65%；Mo:0.10-1.0%；残余元素W≤2.5%；B≤0.010%；Al≤0.10%；Ti≤0.10%；[N]0.15-0.60%；余量为Fe及不可避免的杂质；

钢板平均晶粒度4.5级，室温屈服强度473MPa，室温抗拉强度818Mpa，高温屈服强度327MPa，室温抗拉强度580Mpa，平均腐蚀率0.045mm/year。

工艺流程包括如下步骤：

步骤一：按照所述镍铬铁基合金的成分设计配料，进行电弧炉冶炼→AOD精炼→LF精炼，浇注，得到钢锭；

步骤二：将得到的钢锭表面缺陷进行打磨清理；

步骤三：将清理后的钢锭进行高温多火次轧制，得到镍铬铁基合金钢板；

步骤四：将钢板进行固溶热处理，得到镍铬铁基合金成品钢板；

步骤五：将钢板进行酸洗处理，去除表面氧化层。

合金材料随着固溶温度的升高，晶粒尺寸逐渐增大。在1200℃以下固溶时，由于固溶温度较低，再结晶的形核速度远大于晶粒长大的速度，因此以再结晶形核过程为主，合金组织内部的碳化物还没有充分溶解，在材料加热过程中对晶界有钉扎作用，阻止了晶粒的长大；当固溶温度达到1200℃及以上时，再结晶形核过程基本完成，碳化物开始大量溶解到基体中，再结晶晶粒迅速长大，因此再结晶平均晶粒尺寸随着固溶温度的升高和保温时间的延长迅速增大。

因此固溶热处理温度选择1160~1200℃，固溶时间为200~300分钟，固溶后水冷至室温。

步骤一电弧炉冶炼步骤包括加一次料8120返回料7000kg、加二次料8120返回料4000kg、加三次料8120返回料2400kg、加金属铬400kg、加电解镍470kg，测温、吹氩搅拌、出钢水。

所述AOD精炼步骤包括全程吹氩；按O:Ar=4:1、O:Ar=1:1、O:Ar=1:3接钢水；吹氧吹氮；一次升温还原过程中加入电解镍520kg、石灰300kg、金属铬300kg、铝锭8根、工业硅100Kg；二次升温还原过程中加入石灰200kg、铝锭10根、电解镍604kg、金属铬200kg、钴7kg；三次升温还原过程中加入石灰400kg、铝锭 2根、电解镍40Kg、金属铬 200kg、工业硅15kg、电解锰10kg；出钢。

所述LF精炼步骤包括升温，还原加石灰120kg、硅钙粉15kg，加硼铁4kg，出钢。

进一步地，步骤三中所述多火次轧制，包括依次轧制前加热、一火次轧制、切除冒口、表面清理、二火次轧制、三火次轧制、成型轧制、水冷、表面清理。

优选地，轧制前加热为室温装炉，采用步进炉加热，每火次轧制前都需要加热，加热前在表面涂润滑剂，防止变形不均匀形成表面裂纹，最终加热温度1250℃，保温时间150-390min，保温时间根据钢板厚度进行调整，其中保温的时间：t=X×（0.6~0.8）+90，其中t为保温时间，单位：min；X为有效厚度，单位：mm；0.6~0.8为加热经验系数，单位：min/mm；加热过程保持还原性气氛，炉内残氧量2.5-4.0%；

所述一火次轧制为横轧，采用单次加热，多道次轧制，压下量200~250mm；

所述切除冒口是在轧后钢锭的冒口端，在长度方向，切除200mm，消除冒口端疏松、缩孔缺陷，防止对下一序轧制板材表面质量造成影响；

所述二火次轧制为横轧，采用单次加热，多道次轧制，压下量60~70mm；

所述三火次轧制为纵轧，采用单次加热，多道次轧制，压下量60~70mm；

所述成型轧制为纵轧，采用单次加热，多道次轧制，压下量50~60mm。

固溶冷却后，进行酸洗裁边，获得镍铬铁基合金钢板成品。

本发明技术方案，具有如下优点：

本发明采用的生产工艺，可以有效控制镍铬铁基合金钢板的综合性能。本发明冶炼钢锭，具有较好的组织均匀性和致密性，内部缩松、缩孔数量更少，端部质量更好，成材率更高。原材料含有0.55-0.65%Nb，NbN析出温度高于NbC，通过保证N含量，降低C与Nb的结合，降低夹杂物，减少碳化物在晶界上析出，减少形成Cr的碳化物，避免出现晶界贫铬，增强晶间抗蚀能力，防止晶间腐蚀，同时通过控制轧制工艺，Nb将产生显著的晶粒细化和一定程度的沉淀强化，使轧制后的板材强度和韧性都得到了很大提高；Cr:24.5-26.0%增加了高敏化区间的抗晶间腐蚀时间；Cu≤0.30%能提高强度和韧性，特别是大气腐蚀性能，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；铝≤0.10%保证充分脱氧，同时可以细化晶粒，提高冲击韧性，但会影响钢的热加工性能、焊接性能和切削加工性能，需要严格控制其含量。

本发明采用高温大变形多火次轧制工艺，充分的大变形使得铸态粗大枝晶或柱状晶得到破碎，提高了组织致密性和导热性，有利于高温扩散的效果，改善了铸锭化学成分的不均匀性以及非金属夹杂物的不均匀分布，在轧制过程中，可以有效提高组织的均匀性和纵横向性能的一致性，同时经过反复轧制和再结晶，获得更多的等轴晶晶粒，使奥氏体晶粒细化，从而获得优异的机械性能。

本发明采用的热处理方法由轧后水冷、固溶处理两个部分，本发明设计镍铬铁基合金为单相奥氏体，没有相变过程。由于450℃～850℃为敏化温度，在敏化温度中，尤其以650℃最为危险，所以在固溶处理冷却阶段，速度要快，尽量避免敏化温度区。在加热或冷却过程中，在敏化温度区停留时间越短，发生晶间腐蚀的机会越小，所以固溶处理在加热和冷却两个阶段，提高加热和冷却速度是提高耐晶间腐蚀的有效措施。通过轧后水冷，提高冷速，有效的细化晶粒，保证了组织的均匀性，同时避免材料敏化区间，提高了生产效率。轧后水冷的组织通过快速加热在1160~1200℃进行高温固溶，由于原材料含有0.40-0.90%Nb，NbN析出温度高于NbC，通过保证N含量，降低C与Nb的结合，降低夹杂物，减少碳化物在晶界上析出，减少形成Cr的碳化物，避免出现晶界贫铬，增强晶间抗蚀能力，防止晶间腐蚀，同时合金材料随着固溶温度的升高，晶粒尺寸逐渐增大。在1200℃以下固溶时，由于固溶温度较低，再结晶的形核速度远大于晶粒长大的速度，因此以再结晶形核过程为主，合金组织内部的碳化物还没有充分溶解，在材料加热过程中对晶界有钉扎作用，阻止了晶粒的长大；当固溶温度达到1200℃及以上时，再结晶形核过程基本完成，碳化物开始大量溶解到基体中，再结晶晶粒迅速长大，因此再结晶平均晶粒尺寸随着固溶温度的升高和保温时间的延长迅速增大。

利用本发明所述镍铬铁基合金生产工艺，制造的镍铬铁基合金钢板按ASTM E112标准检测平均晶粒度4.5级，显微组织为奥氏体。按标准检测力学性能满足室温屈服强度＞473MPa，抗拉强度＞818Mpa，高温屈服强度＞327MPa，抗拉强度＞580Mpa，延伸率（A）＞54%，断面收缩率＞63%，平均腐蚀率0.045mm/year。

附图说明

图1是实施案例镍铬铁基合金钢锭轧制工艺路线图；

图2是实施案例镍铬铁基合金钢板显微组织照片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

如图1所示，钢锭在高温保温结束后出炉轧制，轧制方式为高温大压下多火次轧制，每火次压下量70~250mm，通过四火次充分塑性变形，以获得良好的力学性能。

一种N08120耐蚀高温合金钢锭直接轧制工艺：轧制钢板尺寸为：68×2050×6800mm，如图2所示。电弧炉冶炼→AOD精炼→LF精炼→模铸→表面清理→加热→一火次轧制→切除冒口→表面清理→二火次轧制→三火次轧制→成型轧制→水冷→表面清理→固溶热处理→酸洗；冶炼钢锭为13.8t钢锭，所述的轧制工艺为高温大压下多火次轧制，每火次压下量70~250mm；所述的固溶热处理温度1160~1200℃，固溶时间为200~300分钟。其具体步骤如下：

第一步化学成分设计，按照下述合金化学成分进行配料冶炼，镍铬铁基合金钢锭直接轧制工艺，其特征在于化学成分设计需满足如下质量百分比的元素要求：

C:0.05-0.08%；Si:0.25-0.45%；Mn:0.55-0.80%；P≤0.025%；S≤0.005%；Cr:24.5-26.0%；Ni:36.0-37.5%；Cu≤0.30%；Nb:0.55-0.65%；Mo:0.10-1.0%；

残余元素W≤2.5%；B≤0.010%；Al≤0.10%；Ti≤0.10%；[N]0.15-0.60%；余量为Fe及不可避免的杂质。

第二步电弧炉冶炼，电弧炉冶炼步骤包括加一次料（8120返回料7000kg）、二次料（8120返回料4000kg）、加三次料（8120返回料2400kg）、加合金（金属铬400kg、电解镍470kg）、测温、吹氩搅拌、出钢水；

第三步AOD精炼，AOD精炼步骤包括全程吹氩、接钢水（按O：Ar=4：1、O：Ar=1：1、O：Ar=1：3）、吹氧吹氮、一阶段升温还原（加入电解镍520kg，石灰300kg，金属铬300kg，铝锭8根，工业硅100Kg）、二阶段升温还原（加入石灰200kg，铝锭10根，电解镍604kg，金属铬200kg，钴7kg）、三阶段升温还原（加入石灰400kg，铝锭 2根、电解镍40Kg，金属铬 200kg，工业硅15kg，电解锰10kg）、出钢。

第四步LF精炼，LF精炼步骤包括升温、还原，加石灰120kg、加硅钙粉15kg、加硼铁4kg、出钢；

第五步模铸，将LF精炼钢水吊运至模铸工位，进行钢锭浇注，浇注温度1540-1550℃，浇注时严格控制注速，保证钢水在模内平稳上升，液面不见亮，中间不开裂，模四周不翻花，钢液不断流，液面上升至冒口60min以上适当减流补注。浇注全过程氩气保护，防止钢液二次氧化；

第六步表面清理，将得到的钢锭表面缺陷进行打磨清理。

第七步轧前加热，轧制前室温装炉，采用步进炉加热，每火次轧制前都需要加热，加热前在表面涂润滑剂，防止变形不均匀形成表面裂纹，最终加热温度1250℃，保温时间150-390min，保温时间根据钢板厚度进行调整，其中保温的时间：t=X×（0.6~0.8）+90，其中t为保温时间，单位：min；X为有效厚度，单位：mm；0.6~0.8为加热经验系数，单位：min/mm；加热过程保证还原性气氛，炉内残氧量2.5-4.0%。

第八步一火次轧制，一火次轧制为横轧，多道次轧制，压下量200~250mm；

第九步切除冒口，切除冒口是在轧后钢锭的冒口端，在长度方向，切除200mm，消除冒口端疏松、缩孔缺陷，防止对下一序轧制板材表面质量造成影响；

第十步二火次轧制，二火次轧制为横轧，采用单次加热，多道次轧制，压下量60~70mm；

第十一步三火次轧制，三火次轧制为纵轧，采用单次加热，多道次轧制，压下量60~70mm；

第十二步成型轧制，成型轧制为纵轧，采用单次加热，多道次轧制，压下量50~60mm。

第十三步固溶热处理，固溶温度1160~1200℃，固溶时间为200~300分钟，固溶后水冷至室温，然后进行酸洗裁边，制得镍铬铁基合金钢板成品。

将得到的镍铬铁基合金钢板进行性能测试，结果为：平均晶粒度4.5级，如图2所示，室温组织为奥氏体。

表1 实施案例镍铬铁基合金钢板机械性能试验结果

表2 实施案例镍铬铁基合金钢板腐蚀试验结果

如表1所示，室温屈服强度473MPa，室温抗拉强度818Mpa，高温屈服强度327MPa，高温抗拉强度580Mpa。如表2所示，平均腐蚀率0.046mm/year。测试数据均符合标准要求。

本发明在优化成分的基础上通过采用合理的冶炼、轧制及热处理工艺，获得了综合性能优异的钢板，开发出了短流程的镍铬铁基合金板材的生产工艺，相比于传统的铸锻轧或者连铸连轧工艺，不仅提高了生产效率，降低了生产成本，还能获得更好的产品性能。

虽然本发明披露如上，但本发明的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员，在不脱离本发明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 (6)

1.一种镍铬铁基合金板材的生产方法，板材化学成分元素质量百分比的要求：C:0.05-0.08%；Si:0.25-0.45%；Mn:0.55-0.80%；P≤0.025%；S≤0.005%；Cr:24.5-26.0%；Ni:36.0-37.5%；Cu≤0.30%；Nb:0.55-0.65%；Mo:0.10-1.0%；残余元素W≤2.5%；B≤0.010%；Al≤0.10%；Ti≤0.10%；[N]0.15-0.60%；余量为Fe及不可避免的杂质；

工艺流程如下：电弧炉冶炼→AOD精炼→LF精炼→模铸→表面清理→加热→一火次轧制→切除冒口→表面清理→二火次轧制→三火次轧制→成型轧制→水冷→表面清理→固溶热处理→酸洗；模铸为钢锭，轧制工艺为高温大压下多火次轧制，每火次压下量50~250mm；所述的固溶热处理温度1160~1200℃，固溶时间为200~300分钟。

2.如权利要求1的所述镍铬铁基合金板材的生产方法，其特征在于：所述电弧炉冶炼步骤包括加一次料8120返回料7000kg、加二次料8120返回料4000kg、加三次料8120返回料2400kg、加金属铬400kg、加电解镍470kg，测温、吹氩搅拌、出钢水。

3. 如权利要求1的所述镍铬铁基合金板材的生产方法，其特征在于：所述AOD精炼步骤包括全程吹氩；按O:Ar=4:1、O:Ar=1:1、O:Ar=1:3接钢水；吹氧吹氮；一次升温还原过程中加入电解镍520kg、石灰300kg、金属铬300kg、铝锭8根、工业硅100Kg；二次升温还原过程中加入石灰200kg、铝锭10根、电解镍604kg、金属铬200kg、钴7kg；三次升温还原过程中加入石灰400kg、铝锭 2根、电解镍40Kg、金属铬 200kg、工业硅15kg、电解锰10kg；出钢。

4.如权利要求1的所述镍铬铁基合金板材的生产方法，其特征在于：所述LF精炼步骤包括升温，还原加石灰120kg、硅钙粉15kg，加硼铁4kg，出钢。

5.如权利要求1的所述镍铬铁基合金板材的生产方法，其特征在于：

轧制前的加热为室温装炉，采用步进炉加热，每火次轧制前都需要加热，加热前在表面涂润滑剂，防止变形不均匀形成表面裂纹，最终加热温度1250℃，保温时间150-390min，保温时间根据钢板厚度进行调整，其中保温的时间：t=X×（0.6~0.8）+90，其中t为保温时间，单位：min；X为有效厚度，单位：mm；0.6~0.8为加热经验系数，单位：min/mm；加热过程保持还原性气氛，炉内残氧量2.5-4.0%；

所述一火次轧制为横轧，采用单次加热，多道次轧制，压下量200~250mm；

所述切除冒口是在轧后钢锭的冒口端，在长度方向，切除200mm，消除冒口端疏松、缩孔缺陷；

所述二火次轧制为横轧，采用单次加热，多道次轧制，压下量60~70mm；

所述三火次轧制为纵轧，采用单次加热，多道次轧制，压下量60~70mm；

所述成型轧制为纵轧，采用单次加热，多道次轧制，压下量50~60mm。

6.如权利要求1的所述镍铬铁基合金板材的生产方法，其特征在于：所述的固溶热处理温度1160~1200℃，固溶时间为200~300分钟，固溶后水冷至室温，然后进行酸洗裁边，制得镍铬铁基合金钢板成品。