一种含铌奥氏体不锈钢型材的热轧方法与流程

1.本发明属于钢铁材料加工领域，具体地，本发明涉及一种含铌奥氏体不锈钢的热轧方法。


背景技术：

2.为了提高发电效率，降低排放，燃煤电站的蒸汽温度和压力参数不断提高，传统材料无法满足机组锅炉要求，需要大量高性能的含铌奥氏体不锈钢材料。nb元素的加入，在服役过程中可以析出纳米尺寸的mx和nbcrn，这些析出能很好地弥散分布在基体中，阻碍位错运动，提高析出强化效果及蠕变抗力，提高了奥氏体不锈钢的耐高温性能。然而由于该类材料的cr、ni含量偏高，在凝固过程中容易形成大块状的铌化物，降低了材料的热塑性，在热轧过程中极易开裂，目前该类材料主要采用“钢锭小变形多火次径锻成材”工艺生产，其工艺原理是通过减少单道次变形量和增加火次方法，来解决该品种热加工窗口窄、变形抗力大导致的热轧过程开裂难题。与常规的“钢锭初轧开坯 热轧”工艺相比，该工艺加工的不锈钢内在组织不均匀、生产效率低、制造成本高。


技术实现要素：

3.鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种含铌奥氏体不锈钢型材的热轧方法。
4.具体来说，本发明是通过如下技术方案实现的：
5.一种含铌奥氏体不锈钢型材的热轧方法，依次包括如下步骤：
6.(1)将精炼钢水浇铸成钢锭；
7.(2)对钢锭加热并保温；
8.(3)对钢锭进行开坯轧制；
9.其中，在步骤(1)中，所述钢锭具有如下尺寸：
10.所述钢锭的截面最大外接圆直径或对角线dmax≤440mm，
11.所述钢锭的截面最小外接圆直径或对角线dmin≤420mm，
12.所述钢锭的高度h＞1500mm，
13.所述钢锭的锥度(dmax-dmin)/h是0.3％～3％。
14.可选地，所述钢锭是冒容比≤10％的钢锭或无冒口钢锭。
15.可选地，在步骤(1)中，所述精炼钢水以重量百分比计包括：c 0.04％～0.10％，si≤0.75％，mn≤2.00％，p＜0.03％，s＜0.03％，cr 24.0％～26.0％，ni 17.0％～23.0％，nb 0.20％～0.60％，n 0.15％～0.35％，余量的fe和不可避免的杂质。
16.可选地，在步骤(2)中，对所述钢锭加热的目标温度是1250℃～1270℃，保温时间t＝(0.8
×
dmax t1
×
w(nb)
×
100)分钟，其中：
17.dmax是所述钢锭的截面最大外接圆直径或对角线，单位是毫米，
18.t1是补热系数，范围是100～300，
19.w(nb)是元素nb的重量百分含量。
20.可选地，在步骤(3)中，轧制总压缩比≥4，轧制单道次压下量≤100mm，立轧轧件宽高比≤3。
21.可选地，在步骤(3)中，开轧表面温度1100℃～1150℃，轧制过程和终轧表面温度≥900℃。
22.一种含铌奥氏体不锈钢型材，采用上述的热轧方法制备得到。
23.可选地，所述含铌奥氏体不锈钢型材是方坯或棒材。
24.可选地，以重量百分比计，所述含铌奥氏体不锈钢型材包括：c 0.04％～0.10％，si≤0.75％，mn≤2.00％，p＜0.03％，s＜0.03％，cr 24.0％～26.0％，ni 17.0％～23.0％，nb 0.20％～0.60％，n 0.15％～0.35％，余量的fe和不可避免的杂质。
25.与常规多火径锻成材工艺相比，采用本发明的热轧方法生产的含铌奥氏体不锈钢型材至少具有如下优点：
26.组织均匀性好，晶粒度4-7级别；
27.具有更好的热穿孔性能，内裂率在5％以内；
28.具有更高的成坯率，锻坯的成坯率为65％，而本发明轧坯的成坯率可提高至85％以上。
附图说明
29.图1显示了实施例1的钢锭的原始态钢锭柱状晶组织，
×
100倍；
30.图2显示了实施例1的钢锭加热之后，钢锭柱状晶组织，
×
100倍；
31.图3显示了实施例1轧制方坯过程中坯料表面的质量；
32.图4显示了实施例1轧制后方坯表面的质量；
33.图5显示了实施例1得到的方坯的组织均匀性；
34.图6显示了对比例1的钢锭加热之后，钢锭柱状晶组织，
×
100倍；
35.图7显示了对比例1轧制方坯过程中坯料表面的质量；
36.图8显示了对比例1轧制后方坯表面的质量。
具体实施方式
37.为了充分了解本发明的目的、特征及功效，通过下述具体实施方式，对本发明作详细说明。本发明的工艺方法除下述内容外，其余均采用本领域的常规方法或装置。下述名词术语除非另有说明，否则均具有本领域技术人员通常理解的含义。
38.针对现有含铌奥氏体耐热不锈钢棒材热加工方法存在的不足，本发明对生产工艺进行了优化，选择特殊尺寸钢锭、控制热轧关键过程参数，在保证材料组织性能的基础上，采用“钢锭初轧开坯 热轧”工艺，解决材料热轧开裂难题，实现了以热轧代替热锻的工艺进步，提高产品质量的同时，也提高生产效率，并降低制造成本。
39.在本发明中，“含铌奥氏体”、“含铌奥氏体不锈钢”、“含铌奥氏体耐热不锈钢”、“含铌奥氏体不锈钢型材”、“含铌奥氏体耐热不锈钢型材”等具有相同的含义，可互换使用，其化学成分如下(重量％)：
[0040][0041]
该含铌奥氏体不锈钢的特性如下：
①
合金含量高达45％以上，而且还含有较高的n含量，高温变形抗力大，在1100～1200℃变形抗力是传统奥氏体不锈钢的1.5～2倍；
②
高cr、含nb，导致合金凝固时容易在nb元素偏聚的地方形成大块状铌化物，造成局部塑形恶化，造成局部裂纹。
[0042]
本发明含铌奥氏体不锈钢管坯热轧的主要工艺措施包括：浇铸出特殊尺寸要求的钢锭、合理的加热工艺参数、开坯轧制工艺参数等。
[0043]
在工艺流程设计方面，由于该材料铸态组织下热塑性极差，若采用常规尺寸钢锭、钢锭加热、轧制开坯工艺参数，轧向金属为拉应力变形，变形条件较差，无法充分发挥金属的全部塑性，造成表面开裂。然而采用常规钢锭，需选择多火次锻造工艺，一方面变形过程中金属主要承受压应力，塑性也较好，锻造后形成形变再结晶组织，提高了材料的热塑性，然而由于锻造的成本高、生产效率低，严重影响到产品的经济性。从降低制造成本和发挥设备效能角度，在总体工艺设计上选择“钢锭初轧开坯 热轧”工艺。通过优化设计钢锭尺寸和加热工艺参数，兼顾提升含铌奥氏体不锈钢的热塑性和经济性。通过优化轧制工艺参数，保证轧制顺利进行的同时，提高材料的组织均匀性。
[0044]
含铌奥氏体热加工总工艺路线为：特殊尺寸钢锭
→
钢锭加热
→
开坯轧制
→
检验
→
交付。
[0045]
作为一种优选的实施方案，本发明的含铌奥氏体不锈钢型材的热轧方法包括如下步骤：
[0046]
(1)将精炼钢水浇铸成钢锭。
[0047]
将满足化学成分及纯净度要求的精炼钢水浇铸成特殊尺寸的钢锭。精炼钢水的获得可参考现有技术中方案实施，本领域技术人员根据生产需要能够选择合适的方法，此处不做赘述。
[0048]
钢锭的特殊尺寸具体如下：
[0049]
钢锭的截面最大外接圆直径或钢锭最大截面的对角线dmax≤440mm；
[0050]
钢锭的截面最小外接圆直径或钢锭最小截面的对角线dmin≤420mm；
[0051]
dmin＜dmax；
[0052]
钢锭的高度h＞1500mm；
[0053]
钢锭的锥度(dmax-dmin)/h是0.3％～3％；
[0054]
钢锭是冒容比≤10％的钢锭或无冒口钢锭。
[0055]
为了提高材料的可热加工性能，在常规钢锭生产的基础上，设计选用特殊尺寸要求的钢锭作为热轧原料。选择单重大于5吨且截面尺寸偏大的常规钢锭，钢液凝固过程中，在选分结晶的作用下，在钢锭的头部和尾部以及凝固枝晶干和枝晶液之间形成较严重的cr、ni、nb等合金元素的成分偏析，钢锭截面尺寸较大，凝固后铸态组织也不致密，常常沿钢锭轴向方向存在严重的疏松或缩孔，并伴随着凝固前沿形成的初始nbcrn和mx等铌化物聚集、交织的情况。凝固带来的不均匀组织即便热轧采用较大的压缩比，也很难改善原始组织
热塑性以及轧后组织均匀性。设计选用单重小于2吨且截面尺寸偏小的常规钢锭，浇铸过程长，浇铸钢锭每盘之间过热度差异大，需要及时调整浇铸速度，浇铸不同盘钢锭质量波动较大，由于截面小，在后续通过热轧压缩比改善轧坯质量难度很大，生产效率低，制造成本高。本发明的发明人进行大量实验，通过不断优化设计钢锭尺寸及多次实践，确定了专用于生产含铌奥氏体不锈钢型材的特殊尺寸钢锭。具体为：
[0056]
含铌奥氏体不锈钢型材热轧原料可以选取方锭、矩形锭、圆锭或者八角锭作为热轧原料。对于合金含量较高的含铌奥氏体不锈钢，优先选择凝固过程径向均匀冷却的圆锭或八角锭。
[0057]
钢锭的截面最大外接圆直径或钢锭最大截面的对角线dmax≤440mm，钢锭的截面最小外接圆直径或钢锭最小截面的对角线290mm≤dmin≤420mm，对钢锭截面外接圆直径尺寸限定在[440mm～290mm]，可防止浇铸过程由于锭模断面尺寸过大，造成钢液凝固过程中的严重偏析、缩孔和初始nbcrn和mx等铌化物的聚集钢锭心部等质量问题，或经过后续热轧工序，上述缺陷得以改善到不影响热穿孔内壁的截面尺寸。
[0058]
在本发明中，钢锭的高度指的是从钢锭底部到钢锭的头部的最大距离或者是钢锭在某一方向上直线距离最大的尺寸，钢锭的截面指垂直于钢锭高度方向的横截面，应该是垂直于高度方向的截面。
[0059]
钢锭的锥度(dmax-dmin)/h：0.3％～3％，钢锭高度h＞1500mm。钢锭的锥度太大，轧机开坯困难或轧制中产生折叠等缺陷。锥度太小，会影响钢液在锭模中的凝固过程，影响钢锭内在质量。此外，从提高钢锭的成坯率角度，在浇铸现场浇铸系统允许情况下，可最大限度提高钢锭高度。
[0060]
采用冒容比≤10％钢锭的小冒口设计或无冒口钢锭设计，通过采取保温帽、均热板、发热剂等保温措施，可促进含铌奥氏体不锈钢凝固过程的钢液补缩，提高冒口及其附近区域组织致密程度，提高钢锭成坯率。使用无冒口钢锭，要控制好钢液浇铸温度，合理利用凝固和冷却过程中的体积收缩，最大限度的提高钢锭成坯率。
[0061]
(2)对钢锭加热并保温。
[0062]
对钢锭加热的目标加热温度是1250℃～1270℃，保温时间t＝0.8
×
dmax t1
×
w(nb)
×
100，保温时间t的单位为分钟，其中：
[0063]
dmax是钢锭的截面最大外接圆直径或钢锭最大截面的对角线，单位是毫米；
[0064]
t1是补热系数，范围是100～300，当dmax数值大时，t1取上限值，反之则取下限值，具体如下：
[0065]
dmaxt1dmax＝440mm300400≤dmax＜440mm240≤t1＜300360≤dmax＜400mm180≤t1＜240dmax＜360mm100≤t1＜180
[0066]
w(nb)是元素nb的重量百分含量。
[0067]
通过对上述含铌奥氏体不锈钢的相图进行分析，并辅以实验观察，发现材料在1270℃以上加热会出现铌的低熔点共晶相，在1200℃以下开始析出nbc相，而由于凝固时中nb元素的偏聚，钢锭中析出的nbc相往往呈大块状。因此，选择目标加热温度为1250～1270
℃，既可以防止nbc析出影响热塑性，也可避免高温下产生低熔点共晶相。
[0068]
按照传统的加热制度，到温后的保温时间通常根据钢锭直径d不同，为0.5～0.8min/mm，在该时间内能保证钢锭热透，但无法使nbc溶解。为了尽可能消除凝固过程中形成的大块状nbcrn和mx等铌化物，应适当延长保温时间。但保温时间过长后又容易导致晶粒粗大，形成晶界裂纹。
[0069]
经过大量实验研究，发明人得到上述保温时间公式，从而能够在保证钢锭热透的同时使nbc溶解，并且，在消除凝固过程中形成的大块状nbcrn和mx等铌化物的同时避免晶粒粗大与晶界裂纹。
[0070]
(3)开坯轧制
[0071]
总压缩比≥4，开轧表面温度1100～1150℃，轧制过程及终轧表面温度≥900℃，轧制单道次压下量≤100mm。
[0072]
开坯轧制总压缩比≥4。轧制单道次压下量≤100mm。通过对开坯过程的总变形量和单道次压下量的控制，使含铌奥氏体不锈钢钢锭的铸态组织充分变形，形成热加工后的纤维组织，提高轧件心部、半径1/2处及表面的微观组织和性能的一致性，提高材料的内在质量。
[0073]
控制轧制过程中开轧轧件的表面温度1100～1150℃，终轧表面温度≥900℃，可保证金属在形变过程中在最佳热塑性温度区间内和较低的变形抗力下快速完成变形，也使变形金属变形过程中动态再结晶更加充分，防止轧制困难或轧制开裂的情况发生。
[0074]
变形过程中根据成品规格，选择合适孔型和变形道次，立轧轧件宽高比≤3，确保变形过程中轧件料形尺寸和孔型之间建立良好的匹配关系，保证轧制平稳的同时获得良好的外形尺寸和表面质量。
[0075]
轧制完成之后进行检验，可按照常规操作进行，此处不做赘述。
[0076]
实施例
[0077]
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。
[0078]
实施例1：
[0079]
本实施例的含铌奥氏体不锈钢的元素组成(重量％)如下：
[0080]
成分csimnpscrninbn含量0.050.210.760.0240.00125.120.30.400.26
[0081]
在本实施例中，钢锭规格为φ440mm，目标规格为150mm
×
150mm。
[0082]
本实施例的热轧过程如下：
[0083]
1、钢锭浇铸
[0084]
将精炼钢水浇铸成圆锭，dmax＝440mm，dmin＝390mm，h＝1820mm，锥度是2.7％，冒容比是9％。
[0085]
钢锭柱状晶组织如图1所示。
[0086]
2、钢锭加热：目标加热温度1270℃，保温时间472min，t1＝300。
[0087]
加热之后，钢锭柱状晶组织如图2所示。
[0088]
3、开坯轧制：
[0089]
开轧温度是1140℃，轧制过程以及终轧温度987℃。单道次压下量控制在30-90mm。总压缩比：6.75。成品规格：边长为150mm
×
150mm方坯。
[0090]
在轧制过程中方坯表面无开裂，如图3所示，轧制后方坯表面质量如图4所示。
[0091]
本实施例得到的方坯的组织均匀性如图5所示。
[0092]
实施例2：
[0093]
本实施例的含铌奥氏体不锈钢的元素组成(重量％)如下：
[0094]
成分csimnpscrninbn含量0.050.130.870.0280.00124.921.10.450.22
[0095]
在本实施例中，钢锭规格为φ400mm，目标棒材规格为φ110mm。
[0096]
本实施例的热轧过程如下：
[0097]
1、钢锭浇铸
[0098]
将精炼钢水浇铸成圆锭，dmax＝380mm，dmin＝362mm，h＝1920mm，锥度是0.94％，冒容比是8％。
[0099]
2、钢锭加热：目标加热温度1250℃，保温时间400min，t1＝220。
[0100]
3、开坯轧制：
[0101]
开轧温度是1120℃，轧制过程以及终轧温度910℃。单道次压下量控制在10～70mm。总压缩比：13.2。成品规格：φ110mm棒材。
[0102]
对比例1：
[0103]
本对比例的含铌奥氏体不锈钢的元素组成与实施例1相同。
[0104]
本对比例的热轧过程如下：
[0105]
1、钢锭浇铸：5.8吨方锭，钢锭最大截面：660mm，最小580mm，高度1990，锥度0.04，冒容比13％。
[0106]
2、钢锭加热：
[0107]
目标加热温度1230℃，保温时间500分钟(按照0.8min/mm计算，0.8
×
660＝528分)。
[0108]
加热之后，钢锭柱状晶组织如图6所示。
[0109]
3、锻造或轧制：
[0110]
在轧制过程中坯料表面出现开裂，如图7所示，轧制后方坯表面质量如图8所示。
[0111]
性能测试：
[0112]
晶粒度检测方法：gb/t 6394—2017(最新版)
[0113]
热穿孔内裂率检测方法：对穿孔后毛管进行酸洗，酸洗后采用内窥镜方法，对毛管内壁进行肉眼检查，统计方法：毛管检验合格重量/毛管检验重量
[0114]
成品率检测方法：钢材需经过gb4162-b级探伤。成品率＝通过探伤检验的型材重量/生产对应的钢锭重量。
[0115] 实施例1实施例2对比例1晶粒度5-65-63-5热穿孔内裂率98.2％96.5％72.3％成品率85.9％87.8％64.6％
[0116]
从上表的数据可以看出，采用本发明的热轧方法生产的不锈钢型材的组织均匀性
好，并且，热穿孔性能和成坯率都得到了显著的提高。
[0117]
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的替代、修饰、组合、改变、简化等，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。