專利名稱：一種抗高溫蠕變爐殼材料及其制備方法
技術領域：
本發明屬于冶金領域，特別涉及冶金爐爐殼用鋼。
背景技術：
隨著煉鋼技術的發展，生產節奏不斷加快，鋼水出鋼溫度升高，加之高導熱率的鎂碳磚廣泛使用，引起轉爐及其它冶金爐爐殼溫度的升高，導致冶金爐，特別是轉爐不同程度地出現了爐殼蠕變變形，致使爐殼使用壽命縮短。
在現有技術中，為提高冶金爐爐殼蠕變變形抗力，延長冶金爐爐殼的使用壽命，國際上采用了兩種不同的技術路線一是強化對爐殼的冷卻條件，降低爐殼工作溫度，防止爐殼變形；二是研制抗蠕變性能優異的冶金爐爐殼用鋼。
強化爐殼的冷卻條件，降低爐殼工作溫度，是解決爐殼變形的重要手段，隨著爐殼溫度的降低，可以有效地抑制爐殼的變形。中國專利CN2548097公開了轉爐爐殼空氣強制冷卻裝置，該裝置包括風機、進風通道、托圈、風冷總管、冷卻器和相應管道。冷風經冷卻器直接噴到爐殼的外表上，對冶金爐爐殼直接進行冷風垂直噴射冷卻。由于垂直噴射冷卻的冷卻系數是傳統的簡單風冷的5倍左右，故可大大提高冶金爐爐殼的冷卻效果，有效降低冶金爐爐殼過高的工作溫度，達到減緩爐殼變形，有效延長冶金爐爐殼使用壽命的目的。但該裝置結構復雜，不僅設備投資大，而且維護困難。另外，應英國鋼鐵聯合公司的要求，英國戴維冶金設備公司開發了Hi-vap冷卻技術，并于1989年首次將Hi-vap冷卻技術應用于英鋼聯斯肯索普廠的1號轉爐(315t)，該技術明顯降低了爐殼工作溫度，延長了轉爐爐殼使用壽命(Goodman N J and Brown D.Development of the Hi-vap BOF cooling system，Iron and Steel Engineer，1993，70(11)52-55)。它的不足之處是設備和技術復雜，且投資大。
在改善爐殼冷卻條件基礎上，進一步改善爐殼材質耐熱性能，特別是提高爐殼材質抗熱蠕變性能，也是減輕爐殼變形，提高爐殼壽命的重要措施。為此，不少廠家進行了殼爐用鋼新鋼種的研究。日本專利JP11291085-A公開了一種具有良好的抗高溫蠕變的高強度鐵素體鋼，其具體化學組成如下(wt％)0.03-0.12C，0.03-1.00Si，0.5-3.0Mn，8.0-13.0Cr，1.5-2.5W，0.05-0.35V，0.01-0.15Ti，0.02-0.06N，0.20-1.00Ta或0.05-2.0Hf，＜0.1Ni，＜0.005B，＜0.015P和S，＜0.010O。這種材料由于含有較多的鉻和鎢，使鋼的生產成本增加。日本專利JP2004107719-A還公開了一種抗高溫蠕變多元低合金耐熱鋼，其具體化學組成(重量％)如下0.03-0.1C，＜0.1Si，0.001-0.3Mn，＜0.02P，＜0.008S，0.4-1.5Cr，0.25-1Mo，0.03-0.15V，0.001-0.07Nb，0.001-0.3Ni，0.001-0.02Ti，0.0001-0.006B，0.0001-0.03Nd，＜0.01Al，＜0.006N，＜0.005O，余Fe。這種材料中含有較多價格昂貴的鉬，用于制備爐殼時，會使爐殼成本增加。中國發明專利CN1414130公開了一種兼顧高溫蠕變與韌性的Fe-Cr-Ni基鑄造合金組合物及其制造方法，其化學成分(wt％)為0.03-0.2C；0.1-1.0Si；0.2-1.2Mn；20-23Cr；30-35Ni；0.8-1.2Nb；0.02-0.3Zr；0.03-0.3Ti；0.01-0.2RE，RE為La、Y或Ce中的一種或一種以上；余量為Fe和不可避免的雜質。該發明以其能夠形成復雜的(Nb，Ti，Zr)C并且是細小、彌散分布碳化物和組織致密的宏觀、微觀結構為特征，具有良好的高溫抗蠕變、抗熱沖擊性能和良好的韌性。可用于轉爐的熱壁集合管以及爐內、外需要良好韌性且高溫工作條件下的各種部件。由于含有較多價格昂貴的鎳、鉻合金，用于制備爐殼成本太高。目前大型轉爐爐殼常用材料有16MnR、SM400C和SM400ZL等低合金結構鋼(王隆壽，寶鋼300噸轉爐爐殼更換中的新技術應用，寶鋼技術，2001(5)48～50)。它們具有較高的強度、較好的焊接性能和耐開裂性能，但是其抗熱蠕變的性能較差。使用過程中，爐殼材料的熱蠕變變形較大。
發明內容
本發明的目的在于提供一種抗蠕變變形性能優異，能顯著提高冶金爐爐殼使用壽命的抗高溫蠕變爐殼材料及其制備方法。
由于冶金爐爐殼一般是在280～470℃的溫度和較大的熱應力作用下長期工作，最終爐殼易發生嚴重蠕變變形和材質性能惡化。為滿足爐殼惡劣的工作環境，爐殼材料應具備以下要求1、應具備優良的耐蠕變變形性能；2、應具有較高的高溫強度；3、應在使用初期韌性高，使用過程中脆化率低；4、應具有良好的焊接性能。為了確保冶金爐爐殼具有很好的使用性能，滿足其長壽命的要求，根據現代低合金鋼微合金化理論，本發明抗高溫蠕變爐殼材料在C-Mn合金系基礎上加入了Ce、Nb、N、Al、Zr、B、V和Ti與Ca和(或)Mg等微合金元素，達到多元強化的目的，同時為提高其熱強性加入了一定量的Mo和W。工藝上采用控制軋制和正火處理工藝，確保了厚截面鐵素體晶粒組織的細化和均勻分布，進一步提高了屈服強度和韌性。
針對上述目的，本發明一種抗高溫蠕變爐殼材料的具體化學成分(重量％)為C 0.04～0.20，Mn 0.60～2.00，Si≤0.8，W 0.01～0.20，Mo 0.01～0.10，V 0.01～0.05，Ti 0.01～0.05，Nb 0.01～0.05，N 0.02～0.08，Ce 0.03～0.10，Al 0.01～0.07，Mg 0～0.08，Ca 0～0.08，Zr 0.01～0.05，B 0.001～0.004，S≤0.01，P≤0.02，余Fe。其中，0.16≤2Mo+W≤0.40，0.03≤V+Ti≤0.08，0.03≤Mg+Ca≤0.10。
化學成分設計依據如下碳固溶于鐵素體中具有明顯強化基體的作用，使鋼的強度大幅度提高，特別能夠提高室溫和高溫屈服強度，但碳含量過高，則韌性降低且焊接性能惡化，因此將碳含量控制在0.04％～0.20％。
錳錳是爐殼材料中的主要合金元素，錳擴大鋼的奧氏體區，降低相變點，明顯改善鋼的淬透性。在熱變形過程中，錳還延遲低碳鋼形變強化相變的進行，錳含量提高，完成相變所需總應變相應提高，形變強化鐵素體轉變時間延長，應變提高，通過形變強化相變，易于獲得微細等軸鐵素體。另外，錳還可以改善鋼的熱加工性能。但錳含量過高，會增加鋼的生產成本，因此將錳含量控制在0.60％～2.00％。
硅硅具有脫氧和強化基體的作用，提高鋼的強度，硅固溶于基體易促使基體脆化，因此將硅含量控制在0.8％以下。
鎢和鉬鎢和鉬固溶于鋼中可以明顯改善鋼的高溫性能，特別是可以明顯提高鋼的抗高溫蠕變性能，但加入量過多，將明顯降低鋼的塑性和韌性，也降低焊接性能，還增加鋼的生產成本，因此將鎢含量控制在0.01～0.20％，鉬含量控制在0.01～0.10％，且0.16％≤2Mo+W≤0.40％。
釩、鈦、鋯、鋁、氮、鈮鋼中加入適量釩、鈦、鈮和鋯，可以與碳、氮形成化合物，鋁可以與氧形成化合物，這些元素所形成的化合物有明顯阻止高溫加熱時晶粒長大的作用，提高鋼的強度并改善鋼的韌性。另外，鈮具有提高變形誘導相變溫度，擴大變形誘導相變的變形區的作用，鋼中加入適量鈮更容易獲得超細晶鐵素體，改善鋼的強韌性。但加入量過多時，鋼中形成過多的化合物且化合物粗大，明顯降低鋼的韌性，因此，合適的釩含量是0.01～0.05％，合適的鈦含量是0.01～0.05％，且0.03％≤V+Ti≤0.08％，合適的鋯含量是0.01～0.05％，合適的鋁含量是0.01％～0.07％，合適的氮含量是0.02％～0.08％，合適的鈮含量是0.01％～0.05％。
鈰鈰加入鋼中具有脫硫、除氣的作用，同時鈰與液態金屬反應生成的細小粒子，具有加速凝固的形核作用，鈰元素的這些特性能細化鋼的晶粒，限制樹枝晶偏析，減輕鋼中元素偏析，提高鋼的綜合機械性能。鈰加入量過多，反而使鋼中夾雜物增多，降低鋼的強度和韌性，合適的鈰加入量是0.03％～0.10％。
硼微量硼能使鋼的淬透性顯著提高。主要原因是奧氏體在淬火冷卻過程中硼原子偏聚于晶界上，降低晶界能，抑制了鐵素體的形核，推遲鐵素體的形成，同時晶界上的硼原子也阻滯晶界原子的擴散，使鐵素體在晶界上擴散形核減緩，從而增加淬透性。硼還有消除鋼的回火脆性的作用，這與鋼中加硼后，生成BN，使N原子不能在300℃左右擴散到位錯附近，避免對位錯的釘扎作用有關。但硼在鋼中溶解度很低，加入量過多，將導致鋼的韌性降低，因此將其加入量控制在0.001％～0.004％。
鎂和鈣鎂與硫、氧有極大的親合力，可發生劇烈的冶金反應，去除鋼中的氧和硫，減少鋼中的氧化物和硫化物夾雜。當脫氧、脫硫產物中的部分MgO和MgS來不及上浮至鋼液表面而排除時，凝固后便成為鋼中夾雜。鋼液凝固時，首先形成MgO，它可作為隨后凝固的MgS、MnS和其它夾雜的核心。由于MgO在鋼液中特別分散，因此鎂可改變鋼中夾雜物的類型、數量、大小、形態和分布。適量的鎂可使鋼中夾雜物變得細小、分散。原原尺寸大、長條狀的MnS夾雜被尺寸小、近球形的MgO、含MgO復合夾雜和MgS.MgO復合夾雜所取代，因而提高了夾雜物與基體抵抗裂紋形成與擴展的能力，改善鋼的韌性。鎂加入量過多不僅造成鎂的浪費，而且由于反應過于劇烈，將使上浮到鋼液表面的MgO、MgS等夾雜重新卷入鋼液中，對鋼的性能產生不利影響。鈣與氧有很大的親合力，鈣的脫氧能力很強，鈣對鋼水有很好的除氣效果。鈣還對鋼中夾雜物的變質具有顯著作用，加入適量鈣可將鋼中的長條狀硫化物夾雜轉變為球狀的CaS或(Ca，Mn)S夾雜，適量鈣還顯著降低硫在晶界的偏聚，鈣對降低鋼的脆性和提高鋼板鑄造時抗熱裂性是十分有益的。加入過多的鈣將使鋼中夾雜物增多，對鋼的韌性提高不利，本發明將鎂含量控制在0～0.08％，鈣含量控制在0～0.08％，且0.03％≤Mg+Ca≤0.10％。
不可避免的微量雜質是原料中帶入的，其中有磷和硫，均是有害元素，為了保證爐殼材料的強度、韌性和高溫性能，將磷含量控制在0.02％以下，硫含量控制在0.01％以下。
本發明冶金爐爐殼用鋼的制造方法，其工藝步驟包括冶煉、澆鑄、軋制和正火處理。
(1)冶煉冶煉包括煉鋼爐冶煉和爐外精煉①煉鋼爐冶煉在電爐中進行，在電爐熔煉時，先將普通廢鋼、鉬鐵、鎢鐵和鈮鐵加入爐中加熱熔化，鋼水熔清后加入硅鐵和錳鐵合金化和預脫氧；預脫氧后，立刻進行扒渣并調整成分，成分合格后將溫度升至1620～1680℃，加入占鋼水重量0.08％～0.30％的鋁脫氧和微合金化，并加入鈦鐵、釩鐵、含氮錳鐵和硼鐵，而后出鋼，出鋼溫度為1630～1690℃。
出鋼前，將鎂、鈣、鋯和鈰放置于鋼包底部，用包內沖入法對鋼水進行復合變質處理。采用電爐冶煉，容易控制成分，操作簡便。
②爐外精煉在LF爐中進行，保證吹氬時間，吹氬時間大于15min；吹氬可以明顯減少鋼液中氣體和夾雜物含量。
(2)澆鑄澆鑄在板坯連鑄機上進行，連鑄成板坯，鋼水澆注溫度為1510～1550℃，澆注速度1.0～1.8m/min；采用連鑄方法澆注鋼坯，效率高，可以減少軋鋼道次，提高效率并降低能耗。
(3)軋制將連鑄板坯置于加熱爐中，將連鑄板坯加熱至1000～1180℃，并保溫1～5小時，然后進行熱軋，將板坯軋制成厚度為20～120mm的鋼板。
(4)正火處理將上述鋼板放入加熱爐，將鋼板加熱至820～1020℃，保溫2～10小時，隨后空冷，正火處理然后在精整機上將鋼板加工至規定尺寸。
進行正火處理可實現奧氏體化，使成分和組織均勻化，可以防止鋼板變形，并使組織和性能均勻，獲得滿足爐殼使用要求的鋼板材料。
采用本發明所述的制造方法，生產的冶金爐爐殼材料綜合機械性能優異。其抗拉強度達到530～560MPa，屈服強度達到370～430MPa，延伸率達到30％～36％，0℃縱向夏比V型沖擊功為188～274J，抗層狀撕裂性能要求的Z向斷面收縮為30％～63％，650℃時，在200MPa應力下的持久斷裂時間大于15小時。鋼板的180°橫向冷彎(d＝3a，B＝35mm)完好，沒有出現裂紋等缺陷。而且具有較好的高溫性能，350℃高溫屈服強度達到270～310MPa。
與現有技術相比，本發明具有如下優點①本發明是在C-Mn合金系基礎上加入了Ce、Nb、N、Al、Zr、B以及V和(或)Ti與Ca和(或)Mg等微合金元素，達到多元強化的目的，所得鋼材的金相組織以細小的鐵素體為主，含有5％～15％殘留奧氏體，使材料具有優異的綜合機械性能。
②本發明制造的爐殼材料含有提高高溫強度元素W、Mo等，使高溫性能明顯改善。
③本發明生產的冶金爐爐殼材料用于大型轉爐上，具有焊接性能好，抗高溫蠕變性能佳等優點，可以明顯減少爐殼變形，延長爐殼使用壽命，具有很好的經濟效益。
④本發明所述的制造方法均采用常規的鋼鐵生產裝備，且工藝簡單，故生產成本低，生產維護方便。
下面結合實施例對本發明作進一步詳述
具體實施例方式實施例根據本發明所述的制造方法，在45噸直流電弧爐上冶煉3爐本發明所述的爐殼材料，3爐鋼的化學成分如表1所示。將爐料加入爐中混合加熱熔化，鋼水熔清后加入硅鐵和錳鐵合金化和預脫氧；爐前調整成分合格后將溫度升至相應溫度，并加入相應量的鋁，進行脫氧和微合金化，并加入釩鐵、鈦鐵、含氮錳鐵和硼鐵，而后出爐；成分合格后脫氧劑鋁的加入量和鋁加入前的溫度列入表2中。
將鈣、鎂、鋯和鈰放置于鋼包底部，用包內沖入法對鋼水進行復合變質處理；然后將鋼水加入LF爐中，進行爐外精煉，吹氬時間也列入表2中。
鋼水出爐后在板坯連鑄機上澆注成板坯，鋼水澆注溫度和澆注速度如表2所示。
將連鑄板坯重新加熱，并保溫一定時間后，在4200mm軋機上進行軋制，4200mm軋機配有激光測厚儀和AGC厚度自動控制系統，可以精確控制厚度公差和板形，厚度公差可以控制在-0.3～+0.5mm，鋼板的不平度可控制在3mm/m以下。軋后通過ACC系統控制鋼板的冷卻速度，防止再結晶晶粒長大。鋼板熱軋加工后的厚度是60mm～70mm。板坯加熱溫度、保溫時間和開軋溫度列入表2中。
將最終軋制的熱軋鋼板取樣，并分批加熱至不同溫度和不同的保溫時間后空冷，進行正火處理，然后在精整機上加工至規定尺寸。正火處理的溫度和保溫時間如表3所示。
最后對經正火處理的鋼板取樣，進行力學性能試驗，試驗結果列入表4中。
將實施例爐號1的成品鋼板用作大型轉爐爐殼材料進行工業試驗，結果如下由于本發明爐殼材料成分和組織分布均勻，組織中夾雜物量少，組織細小、致密，力學性能好。另外還具有良好的成型性和焊接性能，焊后殘余應力小。使用一年后的測試結果表明，在相同使用條件，本發明材料制備的轉爐爐殼的變形量比傳統爐殼材料減少25％～32％，說明本發明爐殼材料具有良好的抗高溫蠕變能力，用于大型轉爐爐殼，可以明顯延長轉爐爐殼使用壽命，具有很好的經濟效益。
表1 實施例鋼種的化學成分(重量％)
續表1
表2 實施例冶煉、澆鑄和熱軋有關參數
表3 實施例鋼板試樣的正火處理參數
表4 實施例鋼板試樣的力學性能測試結果
注抗高溫蠕變性能用650℃時，在200MPa應力下的持久斷裂時間來評定。
權利要求
1.一種抗高溫蠕變爐殼材料，其特征在于其化學成分(重量％)為C 0.04～0.20％，Mn 0.60～2.00％，Si≤0.8％，W 0.01～0.20％，Mo 0.01～0.10％，V 0.01～0.05％，Ti 0.01～0.05％，Nb 0.01～0.05％，N 0.02～0.08％，Ce0.03～0.10％，Al 0.01～0.07％，Mg 0～0.08％，Ca 0～0.08％，Zr 0.01～0.05％，B0.001～0.004％，S≤0.01％，P≤0.02％，余Fe，而且滿足以下關系0.16％≤2Mo+W≤0.40％，0.03％≤V+Ti≤0.08％，0.03％≤Mg+Ca≤0.10％。
2.一種權利要求1所述的冶金爐爐殼用鋼的制造方法，其特征在于其工藝步驟包括冶煉、澆鑄、軋制、正火處理(1)冶煉冶煉包括煉鋼爐冶煉和爐外精煉①煉鋼爐冶煉在電爐中進行，在電爐中冶煉時，先將普通廢鋼、鉬鐵、鎢鐵和鈮鐵加入爐中加熱熔化，鋼水熔清后加入硅鐵和錳鐵合金化和預脫氧；預脫氧后，立刻進行扒渣并調整成分，成分合格后將溫度升至1620～1680℃，加入占鋼水重量0.08％～0.30％的鋁脫氧和微合金化，并加入鈦鐵、釩鐵、含氮錳鐵和硼鐵，而后出鋼，出鋼溫度為1630～1690℃。出爐前，將鎂、鈣、鋯和鈰放置于鋼包底部，用包內沖入法對鋼水進行復合變質處理。②爐外精煉在LF爐中進行，吹氬時間大于15min。(2)澆鑄澆鑄在板坯連鑄機上進行，連鑄成板坯，鋼水澆注溫度為1510～1550℃，澆注速度1.0～1.8m/min。(3)軋制將連鑄板坯置于加熱爐中，加熱至1000～1180℃，并保溫1～5小時，然后進行熱軋，將板坯軋制成厚度為20～120mm的鋼板。(4)正火處理將上述鋼板放入加熱爐，將鋼板加熱至820～1020℃，保溫2～10小時，隨后空冷，然后在精整機上將鋼板加工至規定尺寸。
全文摘要
本發明屬于冶金領域，特別涉及冶金爐爐殼用鋼。本發明一種抗高溫蠕變爐殼材料的具體化學成分(重量％)為C 0.04～0.20％，Mn 0.60～2.00％，Si≤0.8％，W 0.01～0.20％，Mo 0.01～0.10％，V 0.01～0.05％，Ti0.01～0.05％，Nb 0.01～0.05％，N 0.02～0.08％，Ce 0.03～0.10％，Al 0.01～0.07％，Mg 0～0.08％，Ca 0～0.08％，Zr 0.01～0.05％，B 0.001～0.004％，S≤0.01％，P≤0.02％，余Fe。其中0.16％≤2Mo+W≤0.40％，0.03％≤V+Ti≤0.08％，0.03％≤Mg+Ca≤0.10％。本發明所述的制造方法，其工藝步驟包括冶煉、澆鑄、軋制。冶煉包括煉鋼爐冶煉和爐外精煉，澆鑄在板坯連鑄機進行連鑄，澆鑄后對板坯進行熱軋，隨后進行正火處理。用本發明制造的爐殼材料用于大型轉爐上，具有焊接性能好，抗高溫蠕變性能佳等優點，可以明顯減少爐殼變形，延長爐殼使用壽命，具有很好的經濟效益。
文檔編號C22C33/04GK1789468SQ20051013004
公開日2006年6月21日 申請日期2005年12月12日 優先權日2005年12月12日
發明者李愛軍, 吳凱, 黃超, 趙強, 牟世學, 張龍, 于相龍, 沈國強, 曾偉, 施衛忠, 符寒光, 陳德亮, 張金良, 郭逸華 申請人:上海梅山鋼鐵股份有限公司, 中冶集團北京冶金設備研究設計總院