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        高韌性抗熱耐磨鑄鋼襯板的研發(fā)

        2013-08-02 08:40:02萊鋼集團(tuán)機(jī)械制造有限公司山東萊蕪271104張懷鵬朱小波于俊才
        金屬加工(熱加工) 2013年9期

        萊鋼集團(tuán)機(jī)械制造有限公司 (山東萊蕪 271104) 張懷鵬 朱小波 于俊才

        襯板是高爐渣處理設(shè)備的關(guān)鍵部件,在服役過(guò)程中受到熔渣的熱負(fù)荷、沖擊、高溫磨損作用,易出現(xiàn)沖擊斷裂和磨料磨損,故要求其具有高耐磨性、強(qiáng)韌性和抗高溫氧化性。萊鋼高爐現(xiàn)役襯板制造成本高,高溫磨損快,使用壽命短,達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。為此,我公司開(kāi)始研制成本低、韌性高、抗熱耐磨性更好的新型襯板。

        1.化學(xué)成分的選擇

        根據(jù)高韌性、抗熱耐磨鑄鋼襯板的工況條件,針對(duì)現(xiàn)役襯板抗熱耐磨性能差的現(xiàn)象,再考慮到經(jīng)濟(jì)原因,合理設(shè)計(jì)了高韌性、抗熱耐磨襯板的化學(xué)成分,與現(xiàn)役襯板材料相比,C、Cr、Si、Mn、RE、S和P含量基本相同,而降低了合金Ni的含量,提高了合金元素W、Nb的含量。試驗(yàn)襯板與現(xiàn)役襯板化學(xué)成分對(duì)比見(jiàn)表1。

        表1 試驗(yàn)襯板與現(xiàn)役襯板的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)

        2.熔煉和鑄造工藝

        (1)熔煉 采用0.5t堿性爐襯中頻感應(yīng)電爐熔煉鋼液。熔煉工藝如下:①先向爐中加入廢鋼、生鐵及鉻鐵合金,待其大部分熔化后再加入鎳板,最后加入高熔點(diǎn)鎢鐵和鈮鐵。②鋼液熔清并調(diào)整化學(xué)成分后,提溫至1720~1760℃高溫熔煉。③在出鋼前數(shù)分鐘內(nèi)加入硅鐵和硅鈣脫氧,然后加入適量鋁絲進(jìn)行終脫氧。④在澆包中加入稀土復(fù)合變質(zhì)劑進(jìn)行變質(zhì)處理。⑤鋼液出爐溫度為1500~1600℃,為了保證鋼液成分的準(zhǔn)確性,出爐前使用光譜儀測(cè)量成分。⑥往包內(nèi)撒入適量保溫聚渣劑覆蓋,并鎮(zhèn)靜5min左右,扒渣。⑦澆注溫度為1530~1570℃。

        (2)鑄造 襯板單件重52kg,木模收縮率選2.3%~2.5%,采用普通分模造型和呋喃樹(shù)脂砂自硬鑄型生產(chǎn),涂刷醇基鋯粉涂料,要求攪拌充分,均勻刷涂?jī)纱?,加溫快干。冒口尺寸比普碳鋼?0%~30%,設(shè)置兩個(gè)楔形易割保溫冒口。

        試生產(chǎn)的襯板表面質(zhì)量較好,尺寸精度較高,未見(jiàn)縮孔等鑄造缺陷。

        3.熱處理工藝

        鑄態(tài)材料組織粗大,存在著嚴(yán)重的枝晶偏析,影響材料的韌性和強(qiáng)度,必須經(jīng)過(guò)適宜的熱處理來(lái)改善組織狀況,提高性能。試驗(yàn)襯板熱處理工藝為固溶處理+穩(wěn)定化處理。

        (1)固溶處理 將襯板加熱到Ac3+50~90℃(1070~1150℃)并保溫一段時(shí)間,使鋼中的碳化物等過(guò)剩相充分溶解到固溶體中,得到化學(xué)成分基本均勻的單相奧氏體組織,然后快速冷卻,以得到過(guò)冷奧氏體固溶組織,目的是改善襯板的韌性和耐熱性。

        襯板屬薄壁件,低溫階段升溫過(guò)快易開(kāi)裂;高溫階段升溫太慢,保溫時(shí)間太短,都會(huì)影響鑄件質(zhì)量。因此,正確的操作是550℃以下,升溫速度控制在50~100℃/h;至>550℃時(shí),升溫速度控制在100~200℃/h。只有足夠的保溫時(shí)間才能使碳化物充分溶解,根據(jù)襯板的厚度和試驗(yàn)條件確定保溫時(shí)間,取3~4h為宜。固溶處理工藝曲線如圖1所示。

        (2)穩(wěn)定化處理 試驗(yàn)襯板在較高的溫度(400~800℃)下工作時(shí),固溶處理后碳化物(主要是碳化鉻) 會(huì)重新析出,故還需進(jìn)行穩(wěn)定化處理。穩(wěn)定化處理工藝是將鑄件加熱至Ac1+30~50℃(850~900℃),最好加熱到穩(wěn)定元素的碳化物幾乎全部析出的溫度,并保溫一段時(shí)間,然后空冷,使奧氏體鋼中的碳充分與鈦、鈮化合形成穩(wěn)定的碳化物,從而發(fā)揮它們的穩(wěn)定作用,使襯板在長(zhǎng)期服役過(guò)程中形位尺寸變化能在可控范圍內(nèi),避免形成高鉻碳化物,提高其抗晶間腐蝕能力。穩(wěn)定化處理工藝曲線如圖1所示。

        圖1 試驗(yàn)襯板的熱處理工藝曲線

        4.試驗(yàn)結(jié)果與分析

        (1)顯微組織觀察 將試驗(yàn)襯板和現(xiàn)役襯板各取一鑄態(tài)和熱處理態(tài)試樣,進(jìn)行金相組織觀察與對(duì)比,如圖2所示。由圖2a、b可知,兩種襯板的鑄態(tài)組織為奧氏體+少量鐵素體+碳化物,碳化物呈連續(xù)網(wǎng)狀分布。由圖2c、d可知,熱處理后試驗(yàn)襯板的組織為奧氏體+碳化物,且組織明顯細(xì)化和均勻化。試驗(yàn)襯板與現(xiàn)役襯板相比,由于含量較高的Nb、W元素,組織中有一定數(shù)量的顆粒狀MC型碳化物。呈M23C6型的碳化物彌散分布在晶內(nèi)和晶界上,能有效阻礙晶界滑移,提高鋼的強(qiáng)度。

        圖2 襯板金相組織

        (2)高溫抗氧化性試驗(yàn) 采用增重法,通過(guò)計(jì)算試樣單位面積、單位時(shí)間的氧化增加質(zhì)量即氧化速度來(lái)評(píng)定其高溫抗氧化性能。氧化速度越快,材料抗氧化性能越差,反之,抗氧化性能越好。從熱處理后的試驗(yàn)襯板上取樣,測(cè)3組數(shù)據(jù),取其平均值,并與現(xiàn)役襯板作對(duì)比,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

        表2 抗氧化性試驗(yàn)結(jié)果

        由表2可以看出,現(xiàn)役襯板在900℃、1100℃下,氧化速度遠(yuǎn)大于試驗(yàn)襯板的氧化速度。參照GB/T13303—1991《鋼的抗氧化性級(jí)別評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》可知:試驗(yàn)襯板在900℃下完全抗氧化,在1100℃下抗氧化,而現(xiàn)役襯板在900℃、1100℃下都是弱抗氧化,說(shuō)明試驗(yàn)襯板的抗氧化性顯著優(yōu)于現(xiàn)役襯板。

        (3)沖擊韌度測(cè)試 依據(jù)GB/T2106—2005《金屬夏比(V型缺口)沖擊試驗(yàn)方法》,用JB—30型擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)測(cè)定試樣鑄態(tài)和熱處理態(tài)的沖擊值,結(jié)果見(jiàn)表3。通過(guò)固溶處理,適當(dāng)控制溶質(zhì)含量,可明顯提高強(qiáng)度和硬度,同時(shí)仍能保證足夠高的塑性和韌性。

        表3 試樣的沖擊吸收能量 (J)

        (4)耐磨性試驗(yàn) 對(duì)鑄態(tài)和不同高溫抗氧化性試驗(yàn)條件下的試驗(yàn)襯板和現(xiàn)役襯板的試樣進(jìn)行了耐磨性試驗(yàn)。其結(jié)果見(jiàn)表4。由表中可知,900℃氧化后的耐磨性比鑄態(tài)時(shí)好,1100℃氧化后耐磨性和鑄態(tài)時(shí)差別不大。試驗(yàn)襯板材料和現(xiàn)役襯板材料相比,其硬度和耐磨性是增加的。

        表4 試樣鑄態(tài)的硬度及耐磨性

        相對(duì)于現(xiàn)役襯板,試驗(yàn)襯板中添加了較多量的Nb、W,其與C結(jié)合形成了具有很高熱穩(wěn)定性的NbC、WC硬質(zhì)點(diǎn),提高了碳化物的硬度。尤其是NbC的晶格強(qiáng)度與晶格類型和奧氏體非常接近,所以NbC彌散分布在奧氏體基體上,與之牢固結(jié)合,起彌散強(qiáng)化作用,提高基體的強(qiáng)度。碳化物數(shù)量的增加,硬度的提高,以及基體強(qiáng)度的提高,對(duì)提高耐磨性都有貢獻(xiàn),因此試驗(yàn)襯板的耐磨性比現(xiàn)役襯板有明顯提高。而在1100℃下長(zhǎng)期氧化時(shí),鋼中的MC型碳化物較900℃時(shí)少,所以試驗(yàn)襯板硬度及耐磨性減小。

        5.結(jié)語(yǔ)

        通過(guò)合理設(shè)計(jì)化學(xué)成分和正確制定鑄造與熱處理工藝,改善了試驗(yàn)襯板材料的微觀組織,獲得了良好的力學(xué)性能。與現(xiàn)役襯板相比,硬度和耐磨性明顯增加,抗氧化性能顯著,經(jīng)固溶處理+穩(wěn)定化處理后提高了強(qiáng)韌性。新型高韌性、抗熱耐磨鑄鋼襯板的研發(fā)成功,對(duì)降低生產(chǎn)成本,延長(zhǎng)使用壽命起到積極作用,將具有廣闊的市場(chǎng)空間。

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