專利名稱：：一種高溫耐磨窯口護(hù)鐵合金及其生產(chǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種高溫耐磨合金材料，特別是涉及一種高溫耐磨窯口護(hù)鐵合金及其生產(chǎn)方法。
背景技術(shù)：
：治金、化工、電力、建材等基礎(chǔ)行業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，大多是在高溫狀態(tài)下運(yùn)行的，而其中的承熱件又往往位于高溫設(shè)備的核心部位，承熱件質(zhì)量?jī)?yōu)劣，直接影響整個(gè)設(shè)備正常運(yùn)行。如氧化鋁工業(yè)礦粉焙燒回轉(zhuǎn)窯的關(guān)鍵部件窯口護(hù)鐵，位于回轉(zhuǎn)窯的出料端頭，對(duì)回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯耐材料起保護(hù)作用，同時(shí)又時(shí)回轉(zhuǎn)窯筒體與外置部件的連接體?；剞D(zhuǎn)窯工作時(shí)，115(TC以上的巖漿狀氧化鋁燒成料，因回轉(zhuǎn)窯的旋轉(zhuǎn)和l(TC左右的傾斜角，熾熱的物料，經(jīng)過(guò)窯口護(hù)鐵流出，窯口護(hù)鐵表面受到強(qiáng)烈氧化和沖刷磨損。此時(shí)窯口護(hù)鐵溫度達(dá)9oo°c-iio(rc，高溫下金屬?gòu)?qiáng)度僅為常溫強(qiáng)度的1/10左右。窯口護(hù)鐵除表面受磨擦力外，還需受重力，離心力和物料沖進(jìn)擊力的作用，因高溫氧化磨損使其厚度減薄而磨穿或變形開(kāi)裂。從而迫使生產(chǎn)全線停機(jī)檢修，檢修程序停機(jī)一冷卻一-檢修(或安裝)一-升溫一-運(yùn)行.檢修一次需全線停機(jī)3-10天，直接經(jīng)濟(jì)損失就達(dá)數(shù)十萬(wàn)元，目前，我國(guó)大型鋁業(yè)公司主要采用燒結(jié)法生產(chǎn)氧化鋁，其窯口護(hù)鐵材料是1Crl8Ni9Ti不銹鋼板和鉻錳氮耐熱鋼，使用壽命僅3-6個(gè)月，每年需停產(chǎn)檢修2-4次，損失巨大。近幾年，我國(guó)在高溫抗磨材料研究方面，有一定的發(fā)展，如發(fā)明專利CN1418975A，北京航空航天大學(xué)研發(fā)的一種超高碳Cr-Ni-C高溫耐磨合金材料,該合金材料主要由Cr、Ni、C三種元素組成，主要運(yùn)用于85(TC條件下的機(jī)械磨損、沖蝕磨損等；發(fā)明專利CN1335417A湖南省高科有限公司研發(fā)的"一種高溫耐磨合金鋼及其生產(chǎn)方法"，主要用于鋼鐵冶金行業(yè)中制造軋鋼生產(chǎn)線所使用的軋輥、導(dǎo)衛(wèi)輪及導(dǎo)衛(wèi)板。針對(duì)氧化鋁行業(yè)回轉(zhuǎn)窯使用的窯口護(hù)鐵，尤其在1150"C以上高溫條件連續(xù)使用后，經(jīng)受物料沖擊磨損的窯口護(hù)鐵，目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有新型高溫耐磨材料問(wèn)世，因此，新型高溫耐磨合金材料窯口護(hù)鐵的開(kāi)發(fā)，是氧化鋁行業(yè)急待解決的重大技術(shù)問(wèn)題。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種高溫耐磨窯口護(hù)鐵合金及其生產(chǎn)方法，從而解決窯口護(hù)鐵在115(TC以上高溫條件下的耐磨問(wèn)題。本發(fā)明為解決技術(shù)問(wèn)題所采取的技術(shù)方案是一種高溫耐磨窯口護(hù)鐵合金，以鉻鎳合金為主要元素，以氮、鈦、鈮、鎢、碳、硅、錳、稀土為輔助元素，所述高溫耐磨窯口護(hù)鐵合金的成分及其重量百分比為碳C0.250.60，鉻Cr26.0030.00，鎳Ni9.0012.00，硅Si0.801.50，錳Mn1.002.00，氮N0.150.30，鉬Mo0.200.50，鉤W0.501.00，鈦TiO.200.60，鈮Nb0.200.60，釩VO.200.50，稀土Re0.200.50，硫S^0.04，磷PSO.05，余量為鐵Fe。所述的高溫耐磨窯口護(hù)鐵合金的生產(chǎn)方法，其特征在于是通過(guò)以下具體生產(chǎn)工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)的a、型砂準(zhǔn)備選用天然石英砂、水玻璃通過(guò)適當(dāng)配比，混制46分鐘后備用；b、造型準(zhǔn)備按照設(shè)計(jì)要求制作窯口護(hù)鐵模具，將模具放入專用砂箱內(nèi)，加入已經(jīng)混制好的型砂并適當(dāng)緊實(shí)，送入VRH真空置換硬化裝置；c、硬化組型在VRH真空置換硬化裝置中，先抽真空2分鐘，然后吹入C02氣體，吹氣壓力0.1500.258Mpa，吹氣時(shí)間為12分鐘，使水玻璃型砂硬化，具備一定強(qiáng)度，將模具取出后形成的砂型型腔進(jìn)行組合，以待澆注；d、熔煉澆注將返回料、不銹鋼廢料、鉻鐵、鉬鐵、鎢鐵、硅鐵、錳鐵和鎳板這些原料按適當(dāng)比例和規(guī)定的次序加入電爐中進(jìn)行融化，用直讀光譜檢測(cè)并調(diào)整化學(xué)成分；鈦Ti在脫氧后臨出爐前加入，出爐前作成分分析；稀土Re在包底加入，沖入鋼水，澆注前取樣作最終分析；其中，出爐溫度16501680°C，澆注溫度15201580°C，快速澆注；e、熱處理將澆注后的工件在1050。C110(TC時(shí)進(jìn)行固溶處理，之后加熱至85090(TC，保溫24小時(shí)，然后出爐空冷，得到高溫耐磨窯口護(hù)鐵。在步驟"a"中，所述天然石英砂原料的Si02含量大于98%，粒度4070目；所述水玻璃的模數(shù)為2.22.5，密度50波美度；所述天然石英砂和水玻璃砂的重量份配比為天然石英砂100份，水玻璃5份。在步驟"c"中，所述抽真空的真空度為98Mpa。本發(fā)明的積極有益效果在于解決了現(xiàn)有窯口護(hù)鐵高溫條件下不耐磨的技術(shù)問(wèn)題。其優(yōu)點(diǎn)突出表現(xiàn)在以下三方面一是常溫下拉力、硬度延伸率指標(biāo)高;二是高溫條件下抗氧化性強(qiáng)；三是使用壽命明顯優(yōu)于現(xiàn)有產(chǎn)品。(1)、拉力、硬度延伸率指標(biāo)高。本發(fā)明合金材料常溫下力學(xué)性能如表l:表1本發(fā)明高溫耐磨窯口護(hù)鐵合金材料力學(xué)性能<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>說(shuō)明抗拉強(qiáng)度按GB228-76〈金屬拉力試驗(yàn)法〉測(cè)試硬度按GB230-83《金屬洛化硬度試驗(yàn)方法〉測(cè)試(2)、抗氧化性能強(qiáng)。本發(fā)明合金材料高溫條件下抗氧化性能，按冶標(biāo)YB48—84規(guī)定進(jìn)行，分別在IOO(TC和120(TC進(jìn)行150小時(shí)試驗(yàn)，所得數(shù)據(jù)為在100(TC時(shí)，平均氧化增重速度為0.0213克/m2'h;在1200。C時(shí)平均氧化增重速度為0.3289克/m2'h，和YB48-84鋼的氧化級(jí)別評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比(見(jiàn)表2)可知本發(fā)明高溫耐磨合金在IOO(TC是完全抗氧化的，在120(TC是抗氧化的，詳見(jiàn)表2中YB48-84鋼的抗氧化級(jí)別評(píng)定表2YB48-84鋼的抗氧化級(jí)別評(píng)定<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>(3)、使用壽命長(zhǎng)。目前我國(guó)氧化鋁工業(yè)焙燒回轉(zhuǎn)窯使用的窯口護(hù)鐵、使用壽命為3-6個(gè)月，而本發(fā)明高溫耐磨合金窯口護(hù)鐵經(jīng)山東鋁業(yè)公司、中州鋁業(yè)公司使用，壽命都在24個(gè)月以上，成倍地延長(zhǎng)了產(chǎn)品的使用壽命，降低了氧化鋁生產(chǎn)成本。具體實(shí)施例方式為更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合具體實(shí)施例做進(jìn)一步說(shuō)明1、高溫耐磨窯口護(hù)鐵的化學(xué)成分設(shè)計(jì)化學(xué)成分是決定合金性能的關(guān)鍵因素，要解決高溫條件下金屬的耐磨問(wèn)題，必須首先進(jìn)行合理的成分設(shè)計(jì)。經(jīng)綜合對(duì)比分析，本發(fā)明確定以鉻、鎳合金為基礎(chǔ)，采用主導(dǎo)合金因素(鉻、鎳)與輔助元素(氮、鈦、鈮、鎢、稀土)相結(jié)合，組成合金材料。這樣做一是為獲得奧氏體基體，二是為形成MC型碳化物和減少M(fèi)23Q型化物，以保證合金材料高溫下的抗氧化性，抗蠕變性和耐磨性。鉻Cr:主要用于提高合金材料的抗氧化性和耐蝕性。鉻在氧化性介質(zhì)中很快形成一層氧化膜，這種膜具有相當(dāng)高的化學(xué)穩(wěn)定性，包圍于鋼的表面，為保證該材質(zhì)在1000120(TC時(shí)的抗氧化性，其含鉻量設(shè)計(jì)為2630%。鎳Ni:鎳在不銹鋼和耐熱鋼中起促成和穩(wěn)定奧氏體的作用，提高合金的高溫強(qiáng)度和抗蠕變性。為保證獲得奧氏體和材料的高溫性能，故在材料中將鎳確定為9.012%。碳C:碳對(duì)鋼性能影響很大。如果合金中含碳量過(guò)低，小于0.25%時(shí)，其形成的MC型碳化物能力就會(huì)降低。含碳量過(guò)高，則會(huì)降低合金材料的塑性和韌性?？紤]合金材料的高溫強(qiáng)度，抗氧化性和加工性能(鑄造性能、焊接性能、機(jī)加工性能)，綜合分析碳的作用，本合金材料將碳控制在0.250,60%。氮N:增加鋼中的含氮量，可以擴(kuò)大奧氏體區(qū)，提高剛中奧氏體量，同時(shí)減少貴重金屬鎳的含量。含氮O.130.33時(shí)鋼的組織為鐵素體和奧氏體，當(dāng)?shù)_(dá)到0.58時(shí)，就可以得到單一奧氏體組織。但是若鋼中氮量過(guò)高，鑄件中則會(huì)產(chǎn)生氣孔，而當(dāng)含氮量低于0.35時(shí)，則一般不會(huì)產(chǎn)生氣孔，所以本設(shè)計(jì)將氮含量控制在0.150.35%范圍內(nèi)。硅Si和錳Mn:硅可以提高合金的淬透性，但有降低合金塑性的性能；錳是奧氏體的形成元素，適當(dāng)加入Mn可以節(jié)省Ni，但考慮硅和錳在合金中的綜合作用，確定硅控制在0.81.5范圍內(nèi)，錳控制在1.02.0%范圍內(nèi)。鎢W和鉬Mo:鎢和鉬在高溫下可固溶于奧氏體中，提高奧氏體在高溫下的持久強(qiáng)度和蠕變抗力。同時(shí)這兩個(gè)元素均可降低鉻在鋼中的擴(kuò)散系數(shù)，阻止Cr23C6的形成，強(qiáng)化鉻的固溶強(qiáng)化作用。故將鎢確定為0.51.0%，鉬為0.20.5%。鈦、鈮、釩Ti、Nb、V等元素與C和N的親和力極強(qiáng)，加入合金中，在凝固過(guò)程中形成彌散分布的硬度極高的碳化物和氮化物微粒，有利于提高合金的高溫抗氧化性，還可提高合金的持久強(qiáng)度，減少蠕變和裂紋。所以，Ti、Nb、V的含量分別確定為0.20.6%;0.20.6%;0.20.5%。稀土元素Re:稀土有良好的脫氧、脫硫作用，少量加入合金中，可使合金在高溫下生成的氧化膜致密而穩(wěn)定且不易剝離，從而提高其抗氧化性和高溫耐磨性。實(shí)踐表明，當(dāng)稀土元素含量達(dá)到0.10%以上時(shí)，上述作用可明顯表現(xiàn)出來(lái)，故本發(fā)明設(shè)計(jì)將稀土元素控制在0.20.5%。綜上所述，本發(fā)明的高溫耐磨合金窯口護(hù)鐵的成分設(shè)計(jì)如下(見(jiàn)表3):表3高溫耐磨窯口護(hù)鐵化學(xué)成分<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>2、本發(fā)明合金材料的生產(chǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明生產(chǎn)高溫耐磨窯口護(hù)鐵所采用的制造工藝過(guò)程為造型制備---熔煉澆注一一熱處理。第一步、造型制備(1)造型用原材料天然石英砂，要求Si02含量大于98。/。，粒度40/70目；水玻璃，要求模數(shù)M:2.12.6。(2)水玻璃砂配比天然石英砂100%，水玻璃8%。(3)砂型混制及選型干混23分鐘后，加水玻璃濕混46分鐘。性能檢測(cè)用單鑄試塊(Y型試塊)。鑄型造好后，吹C02硬化，(吹氣壓力0.1500.258Mpa，吹氣時(shí)間12分鐘，以待澆注。第二步、熔煉澆注本發(fā)明合金因含合金元素較多，熔煉應(yīng)在堿性(鎂砂爐襯)中頻感應(yīng)爐中進(jìn)行，熔煉工藝采用不氧化法熔煉，這種工藝熔煉時(shí)鋼中合金元素的收得率參見(jiàn)表4。本發(fā)明根據(jù)材質(zhì)成分設(shè)計(jì)規(guī)范及金屬爐料的成分進(jìn)行配料計(jì)算，所采用的主要金屬爐料參見(jiàn)表5。本發(fā)明合金材料熔煉時(shí)，返回料、不銹鋼廢料、鉻鐵、鉬鐵、鎢鐵、硅鐵、錳鐵、鎳板等按適當(dāng)?shù)谋壤鸵?guī)定的次序加入電爐中進(jìn)行融化，用直讀光譜檢測(cè)并調(diào)整；金屬鈦容易氧化燒損，要預(yù)先做成合金粉粒，在脫氧后臨出爐前，在專用覆蓋劑保護(hù)下加入，出爐前作分析；稀土在包中沖入法加入，出爐溫度16501680°C，澆注溫度15201580°C，扒渣后澆注Y型試塊。第三步、熱處理(包括固溶處理、保溫處理、空冷處理)本發(fā)明對(duì)該合金材料進(jìn)行熱處理的目的是一則使Cn:A溶解，使其固溶于奧氏體中，避免Cr23C6網(wǎng)狀分布；二則是創(chuàng)造良好的熱力學(xué)條件，以有利于TiC、NbC、VC等高溫穩(wěn)定碳化物的形成。為此，首先對(duì)該合金材料在1050110(TC時(shí)進(jìn)行固溶處理，使絕大部分Cr23Ce溶解而固溶于奧氏體中，而TiC(或NbC)由于其高溫穩(wěn)定性強(qiáng)，只有部分溶入奧氏體中，為了充分發(fā)揮TiC(或NbC)的作用，對(duì)合金材料固溶處理后，再加熱至85090(TC，保溫24小時(shí)，然后出爐空冷。這一溫度高于碳化鉻的固溶溫度而低于碳化鈦的固溶溫度，在此溫度下只有TiC(或NbC)的形成而碳化鉻不能形成。經(jīng)過(guò)這一處理，可以消除大量網(wǎng)狀Cr23C6有效避免窯口護(hù)鐵在交變受力和熱應(yīng)力作用下產(chǎn)生裂紋的現(xiàn)象，延長(zhǎng)產(chǎn)品的使用壽命。表4堿性感應(yīng)電爐不氧化法煉鋼合金元素收得率<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>權(quán)利要求1.一種高溫耐磨窯口護(hù)鐵合金，以鉻鎳合金為主要元素，以氮、鈦、鈮、鎢、碳、硅、錳、稀土為輔助元素，其特征在于所述高溫耐磨窯口護(hù)鐵合金的成分及其重量百分比為碳C0.25～0.60，鉻Cr26.00～30.00，鎳Ni9.00～12.00，硅Si0.80～1.50，錳Mn1.00～2.00，氮N0.15～0.30，鉬Mo0.20～0.50，鎢W0.50～1.00，鈦Ti0.20～0.60，鈮Nb0.20～0.60，釩V0.20～0.50，稀土Re0.20～0.50，硫S≦0.04，磷P≦0.05，余量為鐵Fe。2.—種權(quán)利要求1所述的高溫耐磨窯口護(hù)鐵合金的生產(chǎn)方法，其特征在于是通過(guò)以下具體生產(chǎn)工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)的a、型砂準(zhǔn)備選用天然石英砂、水玻璃通過(guò)適當(dāng)配比，混制46分鐘后備用；b、造型準(zhǔn)備按照設(shè)計(jì)要求制作窯口護(hù)鐵模具，將模具放入專用砂箱內(nèi)，加入已經(jīng)混制好的型砂并適當(dāng)緊實(shí)，送入VRH真空置換硬化裝置；c、硬化組型在VRH真空置換硬化裝置中，先抽真空2分鐘，然后吹入C02氣體，吹氣壓力0.1500.258Mpa，吹氣時(shí)間為12分鐘，使水玻璃型砂硬化，具備一定強(qiáng)度，將模具取出后形成的砂型型腔進(jìn)行組合，以待澆注；d、熔煉澆注將返回料、不銹鋼廢料、鉻鐵、鉬鐵、鴇鐵、硅鐵、錳鐵和鎳板這些原料按適當(dāng)比例和規(guī)定的次序加入電爐中進(jìn)行融化，用直讀光譜檢測(cè)并調(diào)整化學(xué)成分；鈦Ti在脫氧后臨出爐前加入，出爐前作成分分析；稀土Re在包底加入，沖入鋼水，澆注前取樣作最終分析；其中，出爐溫度16501680°C，澆注溫度15201580°C，快速澆注；e、熱處理將澆注后的工件在105CrC110(TC時(shí)進(jìn)行固溶處理，之后加熱至85090(TC，保溫24小時(shí)，然后出爐空冷，得到高溫耐磨窯口護(hù)鐵。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高溫耐磨窯口護(hù)鐵合金的生產(chǎn)方法，其特征在于:在步驟"a"中，所述天然石英砂原料的Si02含量大于98。/。，粒度4070目；所述水玻璃的模數(shù)為2.22.5，密度50波美度；所述天然石英砂和水玻璃砂的重量份配比為天然石英砂100份，水玻璃5份。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高溫耐磨窯口護(hù)鐵合金的生產(chǎn)方法，其特征在于:在步驟"c"中，所述抽真空的真空度為98Mpa。全文摘要本發(fā)明公開(kāi)了一種高溫耐磨窯口護(hù)鐵合金，以鉻鎳合金為主要元素，其組成成分及重量百分比為碳C0.25～0.60，鉻Cr26.00～30.00，鎳Ni9.00～12.00，硅Si0.80～1.50，錳Mn1.00～2.00，氮N0.15～0.30，鉬Mo0.20～0.50，鎢W0.50～1.00，鈦Ti0.20～0.60，鈮Nb0.20～0.60，釩V0.20～0.50，稀土Re0.20～0.50，硫S≤0.04，磷P≤0.05，余量為鐵Fe。該高溫耐磨窯口護(hù)鐵的制造工藝為造型制備--熔煉澆注--熱處理。本發(fā)明解決了現(xiàn)有窯口護(hù)鐵高溫條件下不耐磨的技術(shù)問(wèn)題，生產(chǎn)出來(lái)的高溫耐磨窯口護(hù)鐵合金優(yōu)點(diǎn)突出表現(xiàn)在以下三方面一是常溫下拉力、硬度延伸率指標(biāo)高；二是高溫條件下抗氧化和抗磨性強(qiáng)；三是使用壽命明顯優(yōu)于現(xiàn)有產(chǎn)品。文檔編號(hào)C22C38/58GK101476090SQ200910064120公開(kāi)日2009年7月8日申請(qǐng)日期2009年1月20日優(yōu)先權(quán)日2009年1月20日發(fā)明者孫彪虎,張?zhí)锵?張金鳳,萍戴,朱孝祥,李芹鳳,范乃文申請(qǐng)人:河南宏宇特鑄股份有限公司