專利名稱：：耐熱耐蝕鋼的制作方法耐熱耐蝕鋼本發(fā)明涉及冶金業(yè)，即涉及在鎂熱生產(chǎn)海綿鈦的反應器中使用的摻雜有鉻、鎳和錳的耐蝕鋼。提高在鎂熱生產(chǎn)海綿鈦中使用的反應器(蒸餾罐(retort))的耐久性一直是個難題，目前此類反應器的平均耐久性為約30個生產(chǎn)循環(huán)。蒸餾罐的這樣的耐久性是通過嚴格的操作條件來定義的當其外表面處于由還原爐和分離爐內(nèi)的空氣組成的高溫氣質(zhì)氣氛(1000°C-1020°C)中時，其內(nèi)表面處于氯化鎂(MgCl2)和金屬鎂(Mg)熔體、液態(tài)和氣態(tài)四氯化鈦(TiCU)以及低級氯化鈦的高溫(800°C-1000°C)中。另外，直徑為1500mm的蒸餾罐需承載4-8噸力的機械載荷。在生產(chǎn)過程中，由于腐蝕對壁的磨損以及由于其塑性變形使蒸餾罐伸長，需要廢棄這些蒸餾罐?？梢垣@得在鎂熱生產(chǎn)海綿鈦的蒸餾罐使用的12X18H10T鋼(PutinaO.A.等人，Influenceofvariousfactorsonservicelifeofretortsofequipmentesformagnesium-thermalproductionoftitaniumTsvetnyjemetally,1979,#9，pp.71-72)，根據(jù)GOST5632-72，其包含(以質(zhì)量百分數(shù)計)C^0.12、SiS0.8、Mn^2.0、Cr17.0-19.0、Ni9.0-11.0、0.020、PS0.35、Ti0.6-0.8。根據(jù)所得的數(shù)據(jù)[l]，在12X18H10T鋼制備的蒸餾罐的使用壽命內(nèi)，底部的磨損為4-8mm，伸長為150-200mm，這一事實證明已知鋼在上述應用中的耐蝕耐熱性不佳。另外，對于所獲得的10X23H18,在商業(yè)上對其在制造用于鎂熱鈦生產(chǎn)設備的蒸餾罐的可行性進行了研究和實驗(PutinaO.A.，PutinA.A.，Improvementofair-tightnessandreliabilityofequipmentesformagnesium-thermalproductionofspongytitanium"Reportsofthe1stscienceandtechnicalconferenceontitaniumofCISstates.Moscow,1994,pp.176-189)。根據(jù)GOST5632.73，這種鋼包含(以質(zhì)量百分數(shù)計)CSO.l、Si$10、Mn^2.0、Cr22-25、Ni17.0-20.0。已知10X23H18鋼中鉻和鎳含量的提高使得由這種鋼制備的蒸餾罐的耐久性提高至高達43個循環(huán)，蒸餾罐的伸長達82mm。然而，在這種情況下，在蒸餾罐中得到的鈦海綿中鎳的污染增加，盡管此種污染被嚴格規(guī)定為Ni^0.04%[3]?；瘜W組成和所取得的技術成果最接近的是耐蝕鋼(烏克蘭實用新型專利#30921A，IPC6C22C38/58，1998)，其除鐵外還包含(以質(zhì)量百分比計)C0.01-0.05、N0.01-0.20、Mn4.5-11.5、Cr15.5-18.5、Ni0.5-2.0、Cu0.1-0.6、V0.05-0.4、稀土金屬(REM)0.001-0.01。使用上述耐蝕鋼制造用于鎂熱鈦生產(chǎn)設備的蒸餾罐可以將鈦海綿中來自蒸餾罐材料的鎳污染降低至0.035%，其原因是鎳溶解于蒸餾罐中存在的液態(tài)錳中。在上述耐蝕鋼中低濃度鎳導致鈦海綿中鎳污染降低的同時，由于與氮和錳形成合金，其耐熱性也得到一定提高。然而，由于結構的異質(zhì)性，由選作原型(prototype)的上述鋼制備的蒸餾罐對TiCU和MgCl2不具有足夠的耐蝕性[3]。作為本發(fā)明的基礎，確立了制造耐熱(在高溫下具有低的延展性)耐蝕鋼的任務，所述鋼在鎂熱鈦生產(chǎn)條件下對侵蝕性介質(zhì)具有高抵抗性，并且既可作為金屬基材制造反應器(蒸餾罐)也可用作內(nèi)部保護層，即用于制造雙金屬蒸餾罐。為完成上述任務，所述耐熱耐蝕鋼包含(除了作為基材的鐵以外)以下元素氮、錳、硅、鉻、鎳、釩，以及至少一種鈰、鑭、鐠、釹的組中的稀土金屬(REM)，還包含作為碳化物和氮化物形成元素的鈦以及至少一種鈮、鉭、鋯和鉿的組中的元素，所述各元素具有以下關系(質(zhì)量百分數(shù))C0.04-0.15、N0.01-0.25、Si0.1-1.0、Mn3.0-12.5、Cr1.0-15.0、Ni1.0-7.0、V0.05-0.5，一種或數(shù)種Ce、La、Pr、Nd的組中的REM0.0001-0.01，Ti0.1-2.0，以及一種或數(shù)種Nb、Ta、Zr、Hf的組中的元素0.05-0.2。本發(fā)明的鋼中存在的釩可以將鋼中的碳原子和氮原子結合，形成穩(wěn)定的碳氮化物相，該碳氮化物相在很大程度上抑制Cr2N、CrN型氮化物和(FeCr)23Q型碳化物的形成，這將大大降低晶界中鉻的損耗，并提高鋼在高溫下對晶間腐蝕的抗性。本發(fā)明的耐熱耐蝕鋼中額外引入的鈦和至少一種鈮、鉭、鋯和鉿的組中的元素可以與已經(jīng)存在的釩一起形成多成分改性復合體(multicomponentmodifyingcomplex,釩-鈦-至少一種鈮、鉭、鋯和鉿的組中的元素)，使本發(fā)明的鋼具有粉碎碳化物和氮化物相的機制。該機制發(fā)揮作用的原因歸于，在熔體的結晶階段，處于液態(tài)的鈦和鈮以及諸如鉭、鋯和鉿的元素在碳化物和氮化物形成中發(fā)揮競爭物的作用。此類強碳化物和氮化物形成元素的組合應用可以獲得在高達1100-115(TC溫度下穩(wěn)定且具有有利的球形晶型的碳化物和氮化物相，其可以提高本發(fā)明的鋼在特定溫度下的蠕變極限，并由此降低蒸餾罐在操作溫度范圍內(nèi)的變形性。另外，額外引入的鈦和鈮、鉭、鋯和鉿的組中的一種或多種元素以作為碳化物和氮化物形成元素可以提高本發(fā)明的鋼在TiCU和MgCl2介質(zhì)中的腐蝕穩(wěn)定性，從而既能延長蒸餾罐的使用壽命，又能降低在該過程中產(chǎn)生的海綿鈦中的鎳、鉻和鐵的污染。本發(fā)明耐熱耐蝕鋼中各成分間的關系基于以下碳含量的上限值(0.15質(zhì)量百分數(shù))是脆化高鉻次生相開始大量生成的界限，高于此上限會大量生成高鉻次生相從而降低本發(fā)明鋼的彈性。以所述鋼蠕變流動的急劇下降來限定碳含量的下限值(0.04質(zhì)量百分數(shù))，這種急劇下降可以在操作期間引起蒸餾罐的變形。氮含量的上限值(0.25質(zhì)量百分數(shù))取決于其在鉻-鎳鋼中的極限溶解性。以本發(fā)明鋼的強度極限和流動極限的急劇下降來限定氮含量的下限值(0.01質(zhì)量百分數(shù))。硅含量的上限值(l.O質(zhì)量百分數(shù))是這樣一個界限在此界限之內(nèi)，本發(fā)明的鋼產(chǎn)生脫氧使其具有高效耐熱性；高于此界限時，其可塑性開始劇烈下降。以硅元素有利的脫氧作用的啟動點來限定硅含量的下限值(O.l質(zhì)量百分數(shù))。以本發(fā)明鋼的腐蝕穩(wěn)定性的急劇下降來限定錳含量的上限值(12.5質(zhì)量百分數(shù))，當錳含量超出該上限值時本發(fā)明鋼的腐蝕穩(wěn)定性急劇下降。以形成鐵氧體或馬氏體的可能性來限定錳含量的下限值(3.0質(zhì)量百分數(shù))，鐵氧體或馬氏體的形成使本發(fā)明鋼的蠕變極限和腐蝕穩(wěn)定性急劇降低。鉻含量的界限值(1.0-15.0質(zhì)量百分數(shù))選擇于本發(fā)明的鋼在TiCl4、MgCl2和液態(tài)Mg以及低級鈦氯化物的連續(xù)或同時作用下，仍具有足夠的耐熱性和腐蝕穩(wěn)定性的條件。只要其耐熱性處于最低允許水平，這些濃度的鉻與tt鈮和釩的組合可有效地穩(wěn)定本發(fā)明的鋼的奧氏體結構。鎳含量的上限值(7.0質(zhì)量百分數(shù))定義為在鎂熱鈦生產(chǎn)設備的蒸餾罐內(nèi)進行鈦還原過程中，在與液態(tài)鎂接觸的情況下，鎳開始充分溶解于液態(tài)鎂時的含量。通過本發(fā)明的鋼產(chǎn)生穩(wěn)定的奧氏體結構的奧氏體形成效應的啟動點來限定鎳含量的下限值(l.O質(zhì)量百分數(shù))。只有奧氏體結構能夠為本發(fā)明的鋼提供腐蝕穩(wěn)定性和高溫強度這些必要特性。釩含量的上限值(0.4質(zhì)量百分數(shù))是通過其對本發(fā)明的鋼的高溫強度開始產(chǎn)生負面影響來確定的。通過在本發(fā)明的鋼中足以開始形成釩的單獨的碳化物和氮化物或(V,Cr)7C3型多成分碳化物的釩元素含量來確定釩含量的下限值(0.05質(zhì)量百分數(shù))。根據(jù)鈰、鑭、鐠、釹組成的組中的一種或多種稀土金屬在降低碳原子和氮原子的擴散遷移中的有利作用，選擇所述稀土金屬的界限值(0.001-0.01質(zhì)量百分數(shù))，在這種條件下，所述有利作用阻礙了在晶界處形成諸如碳化物和氮化物的此類脆化相，還促進其在本發(fā)明鋼結構中的粉碎和均勻分布，從而可能降低鋼的脆度。鈦含量的上限值(2.0質(zhì)量百分數(shù))取決于伴隨著固態(tài)溶液的過合金化發(fā)生本發(fā)明的鋼可塑性降低的可能性。鈦含量的下限值(0.1質(zhì)量百分數(shù))取決于開始合金化和發(fā)生效能的改變，其會引起本發(fā)明鋼的強度特性的提高，尤其是在操作溫度范圍內(nèi)強度的提高。在將諸如鈮、鉭、鋯和鉿的元素以每次一種或相組合的形式引入到本發(fā)明的鋼的組成中時，所述元素屬于對本發(fā)明鋼的性質(zhì)具有相似作用的一組元素。因此，其總含量是重要的。所述特定組中一種或多種元素在本發(fā)明鋼中的下限值(0.05質(zhì)量百分數(shù))選自于其開始對高溫強度起到積極作用的條件，而根據(jù)其效能的急劇降低選擇上限值。在尋找本發(fā)明鋼的最佳組成的過程中，在1000di^體積的堿性感應爐進行了大量試驗室熔融試驗，包括組成與平行專利和原型鋼相對應的鋼。將所獲得的鑄造物鍛造成尺寸為40x80x100的鋼坯，將其熱軋成25、20和16mm的厚度，然后將所得到的1080'C的測試樣本在水中淬火，并進行堿蝕刻和酸蝕刻以脫除鍋垢。在將樣本完全浸入700-80(TC的熔融鎂的試驗后，通過重量分析方法測定耐腐蝕性。為了測定蠕變極限，進行了測試鋼(樣本1-8)與標準鋼12X18H10T、10X23H18(分別為樣本9和10)的比較試驗(選擇后一組鋼作為類似物)，并將烏克蘭實用新型#30921A的耐蝕鋼(樣本ll)作為原型，在85(TC持續(xù)10,000小時。在表l中總結了所獲得的試驗數(shù)據(jù)。從表l可以看出，組成與本發(fā)明鋼相對應的測試鋼(樣本5)具有最有利的結構，并具有機械性能和有利特性的最佳組合。對于本發(fā)明的鋼在制造用于海綿鈦鎂熱生產(chǎn)設備的蒸餾罐中的實際應用，有兩種選擇應用本發(fā)明的鋼來制造，或?qū)⒈景l(fā)明的鋼用作雙金屬的覆層?？梢赃x擇使用作為類似物的12X18H10T和10X23H18以及其它鋼作為制造蒸餾罐的雙金屬的基材。在這種情況下，組成雙金屬的鋼的物理性質(zhì)的相似性(尤其是熱膨脹系數(shù))極為重要。在表2中給出雙金屬的特定基材和本發(fā)明鋼的熔覆層的物理性質(zhì)的數(shù)據(jù)。從表2中可以看出，12X18H10T鋼、10X23H18鋼以及本發(fā)明的鋼的物理性質(zhì)(瑢融溫度、密度、彈性系數(shù)和熱膨脹系數(shù))基本處于同一水平，這證明可以將本發(fā)明鋼用作以上述鋼為基材的雙金屬覆層。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>A=奧氏體，M-馬氏體,F:鐵氧體表2<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>16.019.220.321.0參考文獻:1.PutinaO.A.，PutinA.A.，GulyakinA.I.Influenceofvariousfactorsonservicelifeofretortsofequipmentesformagnesium-thermalproductionoftitanium.Tsvetnyjemetally,1979,#9;2.PutinaO.A.,PutinA.A.Improvementofair-tightnessandreliabilityofequipmentesformagnesium-thermalproductionofspongytitanium.Reportsofthe1stscienceandtechnicalconferenceontitaniumofCISstates.Moscow,1994;3.MishchenkoV.G.，TverdokhlebS.V.,OmelchenkoO.S.Fracturegrowthofreductionequipmentesandadmixturesinspongytitanium.Vestnikdvigatelestrojenija.Zaporozhje:MotorSichJSC,2004，pp.135-137.權利要求1.耐熱耐蝕鋼，其除了形成基材的鐵(Fe)以外，還包含碳(C)、氮(N)、錳(Mn)、硅(Si)、鉻(Cr)、鎳(Ni)、釩(V)以及鈰(Ce)、鑭(La)、鐠(Pr)、釹(Nd)的組中的至少一種稀土金屬，所述鋼的特征在于，其還包含作為碳化物形成元素和氮化物形成元素的鈦(Ti)以及鈮(Nb)、鉭(Ta)、鋯(Zr)和鉿(Hf)的組中的至少一種元素，所述元素具有以下關系(質(zhì)量百分比)C...................................................................0.04-0.15；N...................................................................0.01-0.25；Si..................................................................0.1-1.0；Mn..................................................................3.0-12.5；Cr..................................................................1.0-15.0；Ni..................................................................1.0-7.0；V...................................................................0.05-0.5；Ce、La、Pr、Nd的組中的一種或多種稀土金屬0.0001-0.01；Ti..................................................................0.1-2.0；Nb、Ta、Zr、Hf的組中的一種或多種元素0.05-0.2；Fe..................................................................余量。全文摘要本發(fā)明涉及冶金領域，更具體地涉及在鎂熱生產(chǎn)海綿鈦的反應器(蒸餾罐)中使用的鉻鎳合金鋼。本發(fā)明的耐熱耐蝕鋼包含鐵(Fe，以基材形式存在)、碳(C)、氮(N)、錳(Mn)、硅(Si)、鉻(Cr)、鎳(Ni)、釩(V)以及鈰(Ce)、鑭(La)、鐠(Pr)和釹(Nd)中的至少一種稀土金屬(P3M)，所述鋼還包含以碳化物和氮化物溶劑形式使用的鈦(Ti)以及鈮(Nb)、鉭(Ta)、鋯(Zr)和鉿(Hf)中的至少一種元素，上述各元素的組分比例以質(zhì)量％計為C0.04-0.15、N0.01-0.25、Si0.1-1.0、Mn3.0-12.5、Cr1.0-15.0、Ni1.0-7.0、V0.05-0.5，Ce、La、Pr、Nd的組中的一種或數(shù)種元素0.0001-0.01，Ti0.1-2.0，以及Nb、Ta、Zr、Hf組中的一種或數(shù)種元素0.05-0.2。本發(fā)明可以提高在用于鎂熱生產(chǎn)海綿鈦的侵蝕性介質(zhì)中的耐熱性和耐蝕性，并降低有害雜質(zhì)的污染。文檔編號C22C38/58GK101522933SQ200680056009公開日2009年9月2日申請日期2006年10月2日優(yōu)先權日2006年10月2日發(fā)明者德米特里·弗拉基米羅維奇·薩夫金,瓦勒里·格里戈里耶維奇·米先科申請人:德米特里·弗拉基米羅維奇·薩夫金