专利名称：一种镍耐热不锈钢及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种镍耐热不锈钢及其制造方法。
背景技术：
耐热不锈钢具有良好的高温抗氧化性能、高温长期使用性能(即蠕变性能、持久性能)以及高温下的组织稳定性，但目前国内外所使用的耐热不锈钢对合金的含量要求较高，如普通的SUS310S，含有约25％的铬(Cr)和20％的镍(Ni)。由于镍是贵重金属，价格高，因此现有的耐热不锈钢如普通的SUS310S生产成本较高。
发明内容
为了克服现有镍耐热不锈钢的上述不足，本发明提供一种成本低的镍耐热不锈钢，同时提供一种成本低的镍耐热不锈钢的制造方法。
本发明的宗旨是采用添加多种复合元素，进而在保证材料良好耐热性的前提下，降低材料中的贵重合金含量，为工业等领域，提供一种低成本的耐热不锈钢产品及制造方法。
本发明钢种的原理是主要为在一定Cr、Ni含量的基础上，通过提高钢中Si含量并复合添加Nb、Cu、N、Ti及Mo等合金元素，限制Mn含量在1.0％以下(本发明的材料中对耐热性的负面影响，因此本钢种Mn含量较常规奥氏体不锈钢低)，进而提高材料的抗高温氧化性，而研制的一种耐热奥氏体不锈钢，由于钢中Si的作用，保证了该材料在1000℃仍具有良好的抗氧化性能；而N、Nb、Ti、Mo以及Cu等元素的存在，使得其具有与镍基合金相当的持久强度，而且N对脆性的σ相析出有延缓作用，提高了材料在高温条件下的组织稳定性。并且降低了不锈钢中O与S的含量，从而保证了合金具有优良的耐热性及优良的塑性，具有与较SUS310S同等的高温使用性能，同时明显降低Ni的含量，有效地节约了资源，降低了制造成本。主要采用AOD炉制造这种材料的冶炼工艺方法(工艺包括电炉+AOD法、转炉+AOD等不锈钢冶炼方法)制造出镍耐热不锈钢。
本镍耐热不锈钢的化学成分的质量百分配比为C 0.03～0.08％Si 3.00％～4.00％Cr 17.5％～20.0％Ni 13.00％～14.00％N 0.02～0.20％Mn 0.3～1.0％P≤0.030％S≤0.030％Mo 0.1～0.50％Cu 0.1～1.0％Nb≥8×C～0.80％其余为Fe与不可避免的杂质。
本镍耐热不锈钢的制造方法主要包括电炉+AOD法、转炉+AOD等以AOD炉为主要精炼炉的不锈钢冶炼方法。
本镍耐热不锈钢的制造方法包括下述依次的步骤 (一)加粗炼钢水 根据不同的冶炼装备，把含碳量为1.3％～2.5％、磷含量为0.00％～0.035％、温度为1400℃～1600℃的不锈钢母液倒入AOD炉内。
(二)脱碳 顶底复合吹氧气进行脱碳，为加快反应，AOD吹氮气进行搅拌。脱碳过程中加入石灰与白云石，石灰加入量为100Kg/t钢～120Kg/t钢，白云石加入量为30Kg/t钢～40Kg/t钢，比较所兑钢水铬含量与规定铬含量18.0％～20.0％，(对于冶炼，为防止所兑钢水铬含量过低造成后期加入大量铬合金，造成钢水温度波动，不利于稳定脱碳，所以兑入的钢水铬含量下限一般会适当提高)对钢水的成分进行微调，当铬含量小于19.0％时，加入高碳铬铁；当铬含量大于19.0％，钢水氧化完并还原渣中的合金后加入碳钢及部分合金进行稀释与成分的微调。
根据兑钢时钢水碳含量及采用AOD冶炼行业通用的计算机模拟计算，确定吹氧量，根据计算机在线对碳含量的模拟计算，当碳含量为0.15％～0.2％时，测量钢水温度，取样分析，对碳含量进行确认，碳含量控制在0.15％～0.2％。
也可根据以前的有关经验，从兑钢水开始吹炼20分钟～30分钟后，测量钢水温度，取样分析碳含量，一般控制碳含量为0.15％～0.2％。
继续脱碳，根据取样分析的结果及计算机在线连续模拟计算，调整氧化后期的吹氧量，进行吹氧脱碳；当模拟计算的碳含量为0.08％以下时，取样分析实际的碳含量，碳含量控制在0.03％～0.06％。碳含量达到要求后，进行下一步操作。
也可根据以前的有关经验，在氧化后期25分钟～40分钟，测量钢水温度，取样分析碳含量，一般控制碳含量为0.03％～0.06％，然后进行下一步操作。
(三)还原 AOD炉内加入硅铁，一般以块状物加入，加入量40Kg/t钢～50Kg/t钢，加入石灰与萤石，石灰20Kg/t钢～25Kg/t钢，萤石10Kg/t钢～15Kg/t对钢水进行还原和脱硫，此时继续侧吹氮气； (四)硅含量控制 还原后，按钢水质量的3％含量计算加入Si-Fe合金进行硅的补加，这种工艺，一方面提高了硅的收得率，同时也降低了冶炼时间。
(五)扒渣、调渣、调整钢水成分 还原后进行扒渣，测量钢水温度，并取样分析钢水中合金元素的含量，根据化验结果，通过加入硅铁、锰铁、铬铁、钼铁、铌铁及金属镍来调整钢水的Si、Mn、Cr、Ni成分，达到规定要求。
调整钢水成分后，从AOD炉的侧底部吹入氩气，吹氩的作用是去除钢中多余的氮，并使钢中保留所需要的氮含量，吹氩量为1.2m3/t钢～1.6m3/t钢。吹氩完成后取样分析，钢水的成分的质量百分配比达到下述要求时立即出钢 C 0.03～0.08％Si3.00％～4.00％Cr17.5％～20.0％ Ni13.00％～14.00％N0.02～0.20％Mn0.3～1.0％ P≤0.030％S≤0.030％Mo0.1～0.50％Cu0.1～1.0％ Nb≥8×C～0.80％ 其余为Fe与不可避免的杂质。
(六)出钢 出钢时，把钢水从AOD炉倒入烘烤好的钢包。出钢后测量钢水的温度和渣层厚度，钢水的温度控制为1550℃～1570℃，钢包内渣层的厚度控制为180mm～300mm。
(七)调整钢水温度并进行夹杂物控制 为了进行夹杂物控制，喂Ti线50米后，钢包底吹氩50～120L/min强搅拌，根据钢水温度控制强搅拌时间不小于8min，强搅拌后，对钢水进行弱搅拌，氩气量不大于35L/min，搅拌时间不小于5min；钢水温度达到1525℃～1535℃时，钢包吊往连铸工序。
(八)连铸 钢水到达连铸平台在钢包取成品样，成分的质量百分配比达下述要求时，进行连铸 C0.03～0.08％Si3.00％～4.00％Cr17.5％～20.0％ Ni13.00％～14.00％N0.02～0.20％Mn0.3～1.0％ P≤0.030％S≤0.030％Mo0.1～0.50％Cu0.1～1.0％ Nb≥8×C～0.80％ 其余为Fe与不可避免的杂质。
连铸中间钢包中钢水温度一般控制为1495℃～1505℃，铸坯厚度规格为180-250mm；铸坯宽度为1000-2000mm，其它连铸工艺与一般奥氏体不锈钢相同。
为了保证铸坯的质量，连铸最后10分钟需要缓慢降低拉速，中包钢水浇注完毕后，连铸进行封顶操作。
由于硅元素与氧的亲和度高，极易氧化，增加了脱碳难度，本发明解决了高硅不锈钢冶炼中硅收得率低、脱碳难度高的技术难点。
本发明对钢水进行吹氮进行氮气合金化，氮含量控制准确，操作简单有效。由于氮是强烈形成奥氏体的元素，增加钢中氮含量，可以节省价格昂贵的镍金属或镍合金，与SUS310S不锈钢相比，降低了40％的镍，降低了制造成本。通过对钢水脱氧、脱硫，使钢中全氧含量小于30ppm，硫含量小于30ppm，氮含量为400ppm～800ppm；通过吹氩搅拌，有效的控制了夹杂物尺寸，铸坯夹杂物尺寸均小于25μm。本发明能准确控制钢水成分，并且使中板耐热性及塑性优于SUS310S不锈钢，具有比SUS310S不锈钢更好的高温使用性能。
具体实施例方式 下面结合实施例详细说明本耐热不锈钢及冶炼方法的具体实施方式
，但本耐热不锈钢及冶炼方法的具体实施方式
不局限于下述的实施例。
不锈钢实施例一 本耐热不锈钢实施例1的成分的质量百分配比如下 C0.048％Si3.18％Cr19.46％Ni13.32％N0.061％ Mn0.57％P0.019％S0.002％Nb0.46％Mo0.30％ Cu0.33％，其余为Fe与不可避免的杂质。
冶炼方法实施例一 本实施例冶炼的是上述实施例的耐热不锈钢，本实施例采用AOD炉，该炉的容积为45吨，处理前钢水的重量为42.0吨，钢水的温度为1460℃，钢水的成分的质量百分配比如下 C2.18％Si0.22％Cr20.00％Ni7.34％Mn0.57％ P0.025％S0.033％，其余为Fe与不可避免的杂质。
本耐热不锈钢的冶炼方法的实施例为下述步骤 15:15把电炉熔化的钢水41.0吨兑入AOD炉，钢水温度1450℃，开始顶吹氧气，并且侧吹氮气，进行脱碳，在吹氧过程中加入高碳铬铁2100kg、石灰5000kg及白云石1400kg； 15:40根据计算机在线模拟计算，当碳含量为0.15％～0.2％时停止顶吹氧，继续侧吹氧气与氮气； 16:00测量钢水的温度为1707℃，取样分析钢水中碳的含量为0.13％，碳含量偏高，继续侧吹氧、氮； 16:25根据计算机在线模型分析，当碳含量为0.05％～0.10％时，取样分析。取样分析钢水中碳的含量为0.07％，钢水中的含碳量降低到要求，停止吹氧，继续侧吹氮气； 16:29加入硅铁2000kg、石灰1000kg与萤石600kg进行还原，继续吹氮气； 16:35测量钢水的温度为1678℃，取样分析钢水成分的质量百分配比达下述要求 C0.064％Si1.00％Cr19.26％Ni13.20％N0.2900％ Mn0.52％P0.026％S0.0037％，其余为Fe与不可避免的杂质。
加入1703Kg硅铁，调整硅成分至3.0％，加入铌铁250Kg、钼铁250Kg。
随后进行扒渣； 16:42取样分析钢水成分，钢水的成分的质量百分配比如下 C0.051％Si3.21％Cr19.72％Ni12.93％N0.059％ Mn0.54％P0.026％S0.0037％、钼0.25％，其余为Fe与不可避免的杂质。
其中镍、钼成分略低，加入镍豆197kg和钼铁50Kg，铜板150Kg； 16:48测量钢水的温度为1620℃，吹氮气改为吹氩气，吹氩70m3后，出钢。
16:55测量钢水的温度为1565℃，测渣厚度为250mm，取样对钢水成分进行确认，成分达到控制要求后，钢水到达吹氩站进行精炼操作。
17:00吹氩站测量钢水的温度为1560℃，根据钢水的重量为46.0吨，喂入含钙28％的硅线300m，喂线后钢包吹氩气强搅拌15分钟，氩气流量为80L/min，测量钢水的温度为1535℃～1540℃时，控制氩气流量20L/mi～25L/min搅拌5分钟，当测量钢水的温度为1495℃～1505℃时，钢包吊到连铸平台，准备浇注； 17:20钢包到达连铸平台，取钢水样分析，钢水的成分的质量百分配比如下 C0.048％Si3.18％Cr19.46％Ni13.32％N0.061％ Mn0.57％P0.019％S0.002％Nb0.46％Mo0.3％ Cu0.33％， 其余为Fe与不可避免的杂质。
17:25连铸大包开浇，中间包钢水达到14吨时中间包开浇，中间包开始浇注后50秒钟结晶器内加入50kg起注渣，铸坯规格为180×1238mm，窄面冷却水为300L/min，宽面冷却水为2300L/min；二次冷却水量为0.85Kg/L。
中包温度为1470℃，拉速为0.75m/min； 17:45为了保证铸坯的质量，拉速从0.75m/min降低到0.4m/min，10分钟后中包浇注完毕，连铸进行封顶操作。
不锈钢实施例二 本耐热不锈钢实施例2的成分的质量百分配比如下 C0.05％Si3.30％Cr19.51％Ni13.20％N0.050％ Mn0.75％P0.025％S0.001％Nb0.35％Mo0.25％ Cu0.30％，其余为Fe与不可避免的杂质。
冶炼方法实施例二 本实施例冶炼的是上述实施例的耐热不锈钢，本实施例采用AOD炉，该炉的容积为45吨，处理前钢水的重量为41.5吨，钢水的温度为1455℃，钢水的成分的质量百分配比如下 C2.20％Si0.25％Cr20.00％Ni7.30％Mn0.50％ P0.025％S0.033％， 其余为Fe与不可避免的杂质。
本耐热不锈钢的冶炼方法的实施例为下述步骤 08:05把电炉熔化的钢水41.0吨兑入AOD炉，钢水温度1445℃，开始顶吹氧气，并且侧吹氮气，进行脱碳，在吹氧过程中加入高碳铬铁2050kg、石灰4800kg及白云石1350kg； 08:40根据计算机在线模拟计算，当碳含量为0.15％～0.2％时停止顶吹氧，继续侧吹氧气与氮气； 08:42测量钢水的温度为1703℃，取样分析钢水中碳的含量为0.18％，根据经验，如果使碳降至0.03％～0.06％，还需在后期进行36分钟的氧化过程；于是继续侧吹氧气与氮气。
09:18测量钢水温度为1750℃，取样分析碳含量，碳含量为0.04％，钢水中的含碳量降低到要求，停止吹氧，继续侧吹氮气； 09:35加入硅铁2000kg、石灰1000kg与萤石600kg进行还原，继续吹氮气； 09:40测量钢水的温度为1680℃，取样分析钢水成分的质量百分配比达下述要求 C0.045％Si1.12％Cr19.66％Ni13.25％N0.2300％ Mn0.70％P0.025％S0.001％Cu0.30，其余为Fe与不可避免的杂质。
加入1750Kg硅铁，调整硅成分至3.3％，加入铌铁250Kg、钼铁250Kg、锰铁100Kg。
随后进行扒渣； 09:48取样分析钢水成分，钢水的成分的质量百分配比如下 C0.050％Si3.30％Cr19.52％Ni13.20％N0.050％ Mn0.75％P0.025％S0.001％Mo0.25％Nb0.35％，其余为Fe与不可避免的杂质。
加入铜板150Kg. 09:52测量钢水的温度为1621℃，吹氮气改为吹氩气，吹氩71m3后，出钢。
10:05测量钢水的温度为1563℃，测渣厚度为250mm，取样对钢水成分进行确认，成分达到控制要求后，钢水到达吹氩站进行精炼操作。
10:10吹氩站测量钢水的温度为1559℃，根据钢水的重量为46.5吨，喂入含钙28％的硅线320m，喂线后钢包吹氩气强搅拌15分钟，氩气流量为80L/min，测量钢水的温度为1535℃～1540℃时，控制氩气流量20L/mi～25L/min搅拌5分钟，当测量钢水的温度为1495℃～1505℃时，钢包吊到连铸平台，准备浇注； 10:25钢包到达连铸平台，取钢水样分析，钢水的成分的质量百分配比如下 C0.050％Si3.30％Cr19.51％Ni13.20％N0.050％ Mn0.75％P0.025％S0.001％Mo0.25％Cu0.30 Nb0.35％， 其余为Fe与不可避免的杂质。
10:35连铸大包开浇，中间包钢水达到14吨时中间包开浇，中间包开始浇注后50秒钟结晶器内加入50kg起注渣，铸坯规格为180×1238mm，窄面冷却水为300L/min，宽面冷却水为2300L/min；二次冷却水量为0.85Kg/L。
中包温度为1470℃，拉速为0.75m/min； 10:55为了保证铸坯的质量，拉速从0.75m/min降低到0.4m/min，10分钟后中包浇注完毕，连铸进行封顶操作。
本镍耐热不锈钢实施例的典型室温性能见表1，典型高温性能见表2. 表1 表2 外文注解 AOD炉氩氧混合脱碳精炼炉，其结构与冶炼方法参见冶金工业出版社2001年1月出版的《电弧炉炼钢工艺与设备》438页。
权利要求
1.一种镍耐热不锈钢，它的成分的质量百分配比为
C 0.03～0.08％ Si 3.00％～4.00％ Cr 17.5％～20.0％Ni 13.00％～14.00％ N 0.02～0.20％ Mn 0.3～1.0％P≤0.030％ S≤0.030％ Mo 0.1～0.50％ Cu 0.1～1.0％Nb≥8×C～0.80％其余为Fe与不可避免的杂质。
2.权利要求1所述的镍耐热不锈钢的制造方法，它包括下述依次的步骤
(一)加粗炼钢水
把含碳量为1.3％～2.5％、磷含量为0.00％～0.035％、温度为1400℃～1600℃的不锈钢母液倒入AOD炉内；
(二)脱碳
顶底复合吹氧气进行脱碳，AOD吹氮气进行搅拌；脱碳过程中加入石灰与白云石，石灰加入量为100Kg/t钢～120Kg/t钢，白云石加入量为30Kg/t钢～40Kg/t钢，比较所兑钢水铬含量与规定铬含量18.0％～20.0％，对钢水的成分进行微调，当铬含量小于19.0％时，加入高碳铬铁；当铬含量大于19.0％，钢水氧化完并还原渣中的合金后加入碳钢及部分合金进行稀释与成分的微调；测量钢水温度，取样分析，对碳含量进行确认，碳含量控制在0.15％～0.2％；
继续脱碳，取样分析实际的碳含量，碳含量控制在0.03％～0.06％；碳含量达到要求后，进行下一步操作；
(三)还原
AOD炉内加入硅铁，一般以块状物加入，加入量40Kg/t钢～50Kg/t钢，加入石灰与萤石，石灰20Kg/t钢～25Kg/t钢，萤石10Kg/t钢～15Kg/t对钢水进行还原和脱硫，此时继续侧吹氮气；
(四)硅含量控制
还原后，按钢水质量的3％含量计算加入Si-Fe合金进行硅的补加；
(五)扒渣、调渣、调整钢水成分
还原后进行扒渣，测量钢水温度，并取样分析钢水中合金元素的含量，根据化验结果，通过加入硅铁、锰铁、铬铁、钼铁、铌铁及金属镍来调整钢水的Si、Mn、Cr、Ni成分，达到规定要求；
调整钢水成分后，从AOD炉的侧底部吹入氩气，吹氩量为1.2m3/t钢～1.6m3/t钢；吹氩完成后取样分析，钢水的成分的质量百分配比达到下述要求时立即出钢
C 0.03～0.08％ Si 3.00％～4.00％ Cr 17.5％～20.0％Ni 13.00％～14.00％ N 0.02～0.20％ Mn 0.3～1.0％P≤0.030％ S≤0.030％ Mo 0.1～0.50％ Cu 0.1～1.0％Nb≥8×C～0.80％其余为Fe与不可避免的杂质；
(六)出钢
出钢时，把钢水从AOD炉倒入烘烤好的钢包；出钢后测量钢水的温度和渣层厚度，钢水的温度控制为1550℃～1570℃，钢包内渣层的厚度控制为180mm～300mm；
(七)调整钢水温度并进行夹杂物控制
为了进行夹杂物控制，喂Ti线50米后，钢包底吹氩50～120L/min强搅拌，强搅拌时间不小于8min，强搅拌后，对钢水进行弱搅拌，氩气量不大于35L/min，搅拌时间不小于5min；钢水温度达到1525℃～1535℃时，钢包吊往连铸工序；
(八)连铸
钢水到达连铸平台在钢包取成品样，成分的质量百分配比达下述要求时，进行连铸
C 0.03～0.08％ Si 3.00％～4.00％ Cr 17.5％～20.0％Ni 13.00％～14.00％ N 0.02～0.20％ Mn 0.3～1.0％P≤0.030％ S≤0.030％ Mo 0.1～0.50％ Cu 0.1～1.0％Nb≥8×C～0.80％其余为Fe与不可避免的杂质。
3.根据权利要求2所述的镍耐热不锈钢的制造方法，其特征是在步骤(八)连铸时，连铸中间钢包中钢水温度控制为1495℃～1505℃，铸坯厚度规格为180-250mm；铸坯宽度为1000-2000mm；连铸最后10分钟需要缓慢降低拉速，中包钢水浇注完毕后，连铸进行封顶操作。
4.根据权利要求2或3所述的镍耐热不锈钢的制造方法，其特征是
在步骤(二)脱碳时，在对钢水的成分微调后，是根据兑钢时钢水碳含量及采用AOD冶炼行业通用的计算机模拟计算，确定吹氧量，根据计算机在线对碳含量的模拟计算，当碳含量为0.15％～0.2％时，测量钢水温度，取样分析，对碳含量进行确认，碳含量控制在0.15％～0.2％；
继续脱碳，根据取样分析的结果及计算机在线连续模拟计算，调整氧化后期的吹氧量，进行吹氧脱碳；当模拟计算的碳含量为0.08％以下时，取样分析实际的碳含量，碳含量控制在0.03％～0.06％。
5.根据权利要求2或3所述的镍耐热不锈钢的制造方法，其特征是
在步骤(二)脱碳时，在对钢水的成分微调后，从兑钢水开始吹炼20分钟～30分钟后，测量钢水温度，取样分析碳含量，碳含量控制在0.15％～0.2％；继续脱碳，在氧化后期25分钟～40分钟，测量钢水温度，取样分析碳含量，碳含量控制在0.03％～0.06％。
全文摘要
本发明涉及一种镍耐热不锈钢及其制造方法，不锈钢的成分为C 0.03～0.08％、Si 3.00％～4.00％、Cr 17.5％～20.0％、Ni13.00％～14.00％、N0.02～0.20％、Mn 0.3～1.0％、P≤0.030％、S≤0.030％、Mo 0.1～0.50％、Cu 0.1～1.0％、Nbi≥8×C～0.80％其余为Fe与不可避免的杂质。制造方法步骤为(一)加粗炼钢水把含碳量1.3％～2.5％、磷含量0.00％～0.035％的不锈钢母液倒入AOD炉；(二)脱碳脱碳至0.03％～0.06％；(三)还原加入硅铁并加入还原；(四)硅含量控制加入Si-Fe合金进行补加；(五)扒渣、调渣、调整钢水成分；(六)出钢；(七)调整钢水温度并进行夹杂物控制；(八)连铸。本镍耐热不锈钢的制造方法制造的镍耐热不锈钢成本低。
文档编号C21C7/068GK101768701SQ20101003339
公开日2010年7月7日 申请日期2010年1月15日 优先权日2010年1月15日
发明者白晋钢, 王立新, 郭宏钢, 范光伟, 刘承志 申请人:山西太钢不锈钢股份有限公司