常壓下離心鑄造高氮奧氏體不銹鋼鋼管的工藝的制作方法

　　【技術領域】

　　[0001]本發明屬于鑄造技術領域，具體來說是一種常壓下離心鑄造高氮奧氏體不銹鋼鋼管的工藝，該工藝實現了在常壓下離心鑄造高強度高耐蝕性的高氮奧氏體不銹鋼鋼管的目的。

　　【背景技術】

　　[0002]八十年代末開始受到世界普遍重視的氮合金化的高氮合金鋼，包括高氮不銹鋼和高氮工具鋼等材料，尤其高氮不銹鋼，由于其節約鎳和優良的性能，受到各國的重視，甚至被作為戰略性結構材料。

　　[0003]高氮不銹鋼較普遍地采用加壓冶煉技術，當前，產品的鑄造受限于差壓鑄造技術，在較高壓力下鑄造產品，而常壓鑄造或鑄錠只有少量報道。國內報道的高氮護環鋼鋼錠，提供了僅稍高于0.6%的氮含量數據，還沒有鑄件方面的應用。

　　[0004]高氮不銹鋼鑄造產品不能普及應用，主要原因在于:在常壓或低壓下的凝固過程中過飽和氮的析出和氮氣溢出形成的氣孔，分布于鑄錠或鑄件產品中。由于高氮不銹鋼材料的優良性能和產品的前景，“一種高氮無鎳奧氏體不銹鋼的制造方法”專利技術提供了常壓下冶煉氮含量0.6-1.2%的高氮鋼鑄坯。高氮鋼作為先進和高性能工程材料，發展鑄造產品，利用專利技術“一種高氮無鎳奧氏體不銹鋼的制造方法”冶金制取的高氮奧氏體不銹鋼金屬液，離心鑄造高強度和高耐蝕性的鋼管，具有現實的經濟與社會效益的研發驅動力。

　　[0005]除了專利技術采用高壓或差壓的鑄造條件，過去常壓實驗條件存在的問題，要么是氮含量不滿足設計的高氮含量要求，要么氮氣溢出造成嚴重的孔洞，不能實現常壓鑄造合格的鑄造產品。

　　【發明內容】

　　[0006]本發明要解決高氮奧氏體不銹鋼常壓下離心鑄造鋼管的技術問題，提供一種高氮奧氏體不銹鋼鋼管的鑄造工藝，該工藝在常壓下鑄造高氮奧氏體不銹鋼鋼管，包括氮氣孔洞和高氮含量的控制，獲得合格的高強度高耐蝕性的高氮奧氏體不銹鋼鋼管。

　　[0007]本發明的目的是這樣實現的，該工藝方法是采用旋轉產生的離心力，使金屬液緊貼圓環型壁，形成中空鑄管，在此基礎上，利用金屬液內異相質點密度不同于金屬液相，在離心力作用下，將液相析出和凝固相變析出的氮氣內浮出來，減輕鑄管氮氣氣相夾雜，改善氣相分布，實現常壓下鑄造高氮鋼鋼管。

　　[0008]具體工藝步驟如下:

　　1、配料:

　　根據高氮奧氏體不銹鋼合金成分要求，以及選用在先申請高氮奧氏體不銹鋼制造方法(專利號:200810050792.8)的專利技術，準備配料。

　　[0009]2、鑄型和鑄造機準備:

　　根據鋼管特征和鑄造收縮率準備鑄型和離心鑄造機，鑄造機維護狀態良好。根據鑄管管坯尺寸設定大小，采用臥式離心鑄造機，對鑄型內表面滾掛2-3mm涂料，澆注時鑄型溫度選取范圍120-250°C。

　　[0010]3、合金熔煉和澆注:

　　按照生產標準執行高氮不銹鋼熔煉和澆注的工藝操作程序，工序連續穩定，實現高氮不銹鋼鑄管氮合金化成分控制目標。熔煉工藝中的溫度和時間采用常壓冶煉高氮奧氏體不銹鋼的工藝規程(先前申請的專利公開號:CN 101285148A ;名稱:一種高氮無鎳奧氏體不銹鋼的制造方法)，該專利有相關報道，以及申請人正在申請的專利，不便公開。

　　[0011]熔煉完成時，將高氮奧氏體不銹鋼金屬液溫度快速調整至澆注溫度，成分符合過飽和氮的高氮含量控制并保持。90秒內銜接澆注步驟。

　　[0012]澆注時，鑄型溫度、鑄型轉速、澆注充填速度等參數控制，參考一般離心鑄造鋼管的規范，特別要結合高氮奧氏體不銹鋼的材料特征，結合順序凝固和使集聚的氮氣氣相在離心力作用下偏析溢出，在澆注時，針對氮氣在液相中脫溶和凝固相變時的氮氣析出，為有利于異相氮氣氣泡在離心力作用下偏析溢出，鑄型轉速計算可以采用較高的重力系數，采用合理的鑄型轉速工藝參數，是常壓下離心鑄造高氮奧氏體不銹鋼鋼管的工藝的重要特征。

　　[0013]所述高氮奧氏體不銹鋼的澆注溫度選擇原則為在澆注溫度較低的同時滿足澆注充型要求，一般控制為1480-1550°C。在澆注溫度下，根據鑄管重量和壁厚控制澆注充填速度，大于2kg/s，一般還要滿足60秒內對單件澆注完成，并且滿足所有熔煉的金屬液澆注時間都在3分鐘以內。

　　[0014]鑄型轉速計算依據重力系數G，一般選取30-100，據此計算選取澆注時鑄型轉速，澆注結束后轉速逐漸下降。

　　[0015]4、出型清理和熱處理:

　　鋼管出型、清理過程中，一般插入固溶熱處理工藝。

　　[0016]鋼管出型溫度控制在800-1000°C。

　　[0017]需要熱處理的鋼管，鑄管出型后，在進一步清理前，利用出型溫度或余熱，對其鑄管進行固溶熱處理，可以獲得單相奧氏體結構的鋼管，也可以保留部分其它相，主要是氮化物，提高鑄管的抗拉強度、塑性或韌性、耐腐蝕性能。也可以在鋼管毛坯進行鑄件清理后固溶熱處理。

　　[0018]所述熱處理固溶溫度選取范圍為1020-1150°C，固溶時間1_8小時；出爐時，進行垂直吊裝淬火處理，淬火介質選取范圍較大，可以是水、油、水基淬火介質等，依據工廠條件、環保要求、生產成本、鑄管組織質量規范控制要求。

　　[0019]清理操作，包括對脫氮的表面層、鑄管兩端部、內表面層，采用適合的機械加工法去除。清理時尤其關注內表面的氣相偏聚的去除，對內壁表層或次表層進行機械加工予以去除，獲得合格鋼管。

　　[0020]5、記錄和檢驗:

　　做好工序記錄，檢驗鋼管成分，按照鋼管質量要求逐項檢測。

　　[0021]本發明具有以下優點:

　　1、通過本工藝能夠獲得高耐腐蝕性的高氮不銹鋼鋼管；

　　2、不必在差壓或高壓條件下鑄造高氮不銹鋼結構產品，不受差壓或高壓技術必須附加的工藝裝備的限制，以及對鑄造產品種類或規格的約束，降低了工藝條件要求，控制了生產成本；

　　3、采用本專利工藝，生產過程控制主要集中在特征工藝的控制和離心鑄管生產的常規步驟的工藝參數方面，從而使應用高氮奧氏體不銹鋼生產鋼管的控制、管理和繼續研發有據可循；

　　4、本發明工藝也適用于其它高氮奧氏體不銹鋼、高氮雙相不銹鋼、高氮鐵素

　　體不銹鋼等氮含量高的不銹鋼，適用于定義的氮含量超過0.4%的奧氏體不銹鋼和氮含量超過0.08%的鐵素體不銹鋼，延伸和包括能夠熔煉的氮含量較高的其它高氮鐵合金材料。

　　【具體實施方式】

　　[0022]鑄造管坯尺寸為Φ560/420 X 2000mm的高氮不銹鋼鋼管，合金成分:0.7-0.85%N,<0.03%C, 18-20%Cr, 16_18%Mn, 2-2.5%Mo, <0.03%P, <0.03%S, <0.5%Si,余量Fe。兩端各增加70mm，在熱處理后切除。

　　[0023]①配料:根據上述合金成分和冶金中合金元素收得率，以及鑄管重量，稱量純鐵、氮化鉻鐵、純錳、鉬鐵，配料。

　　[0024]②鑄型和鑄造機準備:采用臥式離心鑄造機，對鑄型內表面滾掛2_3mm涂料，澆注時鑄型溫度選取200°C (鑄型溫度范圍120-250°C)。

　　[0025]③合金熔煉和澆注:

　　遵循了常壓冶煉高氮奧氏體不銹鋼的工藝規程(先前申請的專利公開號:CN101285148A ;名稱:一種高氮無鎳奧氏體不銹鋼的制造方法。該專利有相關報道)。

　　[0026]熔煉完成時，將高氮奧氏體不銹鋼金屬液溫度快速調整至澆注溫度，90秒內銜接澆注步驟，本實施例實現了立即銜接澆注。高氮奧氏體不銹鋼的澆注溫度選擇原則為在澆注溫度較低的同時滿足澆注充型要求，一般控制為1480-1550°C，本實施例選取的澆注溫度為1510°C。在澆注溫度下，根據鑄管重量和壁厚控制澆注充填速度，本實施例采用71kg/s，單管澆注時間31秒，所有熔煉的金屬液在3分鐘以內完成了澆注。

　　[0027]其它澆注主要工藝參數包括，鑄型轉速計算依據重力系數G，一般選取30-100，本例選取澆注時鑄型轉速為510r/min，澆注結束后轉速逐漸下降；鑄管出型溫度控制在800-1000°C。

　　[0028]④出型清理和熱處理:

　　出型操作后，本實施例選取了固溶熱處理，固溶溫度選取范圍為1020-1150°C，固溶時間1-8小時；本實施例選取1120°C，還原性氮基氣氛保護，保溫2小時。出爐，進行垂直吊裝淬火處理，淬火介質選取范圍較大，可以是水、油、水基淬火介質等，受工廠條件、環保要求、生產成本、鑄管組織質量規范控制要求。本實施例選用了熱水浴，獲得了單一奧氏體相。

　　[0029]清理，對脫氮的表面層、鑄管兩端部、內表面層，采用適合的機械加工法去除。

　　[0030]⑤記錄和檢驗:做好工序記錄，檢驗鋼管成分，按照鋼管質量要求逐項檢測；成分檢測結果:0.76-0.82%N, 0.023-0.026%C, 19.3-19.7%Cr, 16.5-16.9%Mn, 2.1-2.2%Mo,

　　0.025%P, 0.02%S, 0.3%Si,余量 Fe。

　　[0031]在常壓下，進行及時地和穩流地澆注高氮奧氏體不銹鋼金屬液體進入到鑄型中，獲得的最終鋼管的合金成分尤其高氮含量、氮氣氣孔特征控制或致密性、力學性能都符合設計要求。

　　【主權項】

　　1.一種常壓下離心鑄造高氮奧氏體不銹鋼鋼管的工藝，該工藝包括配料、鑄型和鑄造機準備、合金熔煉和澆注、出型清理和熱處理、記錄和檢驗五個步驟，其特征在于: 所述配料過程是:根據高氮奧氏體不銹鋼合金成分要求準備配料，鑄管材料是高氮奧氏體不銹鋼，在常壓下，該合金熔體或凝固過程呈現過飽和的合金氮含量多0.65%N，常壓鑄造時會產生自發氣并溢出氮氣氣泡； 所述鑄型或鑄造機準備過程是:根據鑄管管坯尺寸設定大小，采用臥式離心鑄造機，對鑄型內表面滾掛2-3mm涂料，澆注時鑄型溫度選取范圍120_250°C ； 所述合金熔煉和澆注過程是:在常壓條件下，冶煉獲得合金氮含量多0.65%N的高氮奧氏體不銹鋼金屬液，升溫至1480-1550°C，滿足澆注溫度條件后，90秒內迅速進入澆注步驟，單件鑄管的澆注充填速度大于2kg/s，對單件的澆注一般要在60秒內完成，并且要求在3分鐘內完成所有熔煉金屬液的離心澆注；采用比一般離心鑄造鋼管更高的旋轉速度澆注時鑄型轉速，其中，重力系數G選用范圍為30-100 ； 所述出型清理和熱處理過程是:鋼管出型溫度控制在800-1000°C。2.根據權利要求1所述的一種常壓下離心鑄造高氮奧氏體不銹鋼鋼管的工藝，其特征在于:所述熱處理過程是:固溶溫度選取范圍為1020-1150°C，固溶時間1-8小時，出爐后進行垂直吊裝淬火處理。3.根據權利要求1所述的一種常壓下離心鑄造高氮奧氏體不銹鋼鋼管的工藝，其特征在于:所述高氮奧氏體不銹鋼為鉻-錳-氮奧氏體不銹鋼，其中氮含量多0.65?1.2%、高鉻含量15?24%、高錳含量12?24%，也可以包含其它如鉬2?6%、釩、鈮、銅等合金化元素；也適用于其它含鎳的高氮奧氏體不銹鋼，還適用于高氮雙相不銹鋼、高氮鐵素體不銹鋼等氮含量高的不銹鋼，適用于定義的氮含量超過0.4%的奧氏體不銹鋼和氮含量超過0.08%的鐵素體不銹鋼，并適用于在大氣壓力下熔煉和凝固時氮含量過飽和的其它高氮鐵合金材料。

　　【專利摘要】本發明涉及一種常壓下離心鑄造高氮奧氏體不銹鋼鋼管的工藝，包括配料、鑄型和鑄造機準備、合金熔煉和澆注、出型清理和熱處理、記錄和檢驗，其鑄管材料采用高氮奧氏體不銹鋼，在常壓下該合金熔體或凝固過程呈現過飽和的合金氮含量≥0.65%N，常壓鑄造時會產生自發氣并溢出氮氣氣泡；在常壓熔煉條件下，冶煉獲得高氮含量的高氮奧氏體不銹鋼金屬液滿足澆注溫度條件后，90秒內迅速進入澆注步驟，并在3分鐘內完成所有熔煉金屬液的離心澆注；利用離心力的輔助偏析效果，使溢出的氮氣氣泡離開鑄管的質量規范部位。該工藝可以穩定有效地控制氮含量、氣泡位置及數量，滿足表面和整體質量要求。

　　【IPC分類】C21D9/08, C21D1/00, B22D13/02

　　【公開號】CN105108098

　　【申請號】CN201510635084

　　【發明人】王柏樹, 季長濤, 張曉宇, 黃巖, 姚軍, 崔曉鵬

　　【申請人】吉林常春高氮合金研發中心有限公司

　　【公開日】2015年12月2日

　　【申請日】2015年9月30日