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Mo对炼镁还原罐用奥氏体耐热钢组织及性能的影响

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摘要

中国镁资源储量世界第一,原镁产量约占全球总产量的80%,中国的原镁生产98%以上采用硅热法,还原罐是硅热法生产镁锭过程中的重要部件。罐体的主流材料是奥氏体耐热钢,其寿命短,消耗量大。还原罐在1150~1200℃及抽真空的条件下长期工作,工况恶劣,在服役时会出现氧化皮脱落、疲劳开裂和蠕变失稳,严重影响炼镁行业的经济效益。所以,研究开发出优良性能的奥氏体耐热钢具有重要意义。 本文在ZG35Cr26Ni8NRE基础上添加Mo进行成分优化,利用OM、SEM、EDS和XRD、高温蠕变试验机等,分析Mo对还原罐用奥氏体耐热钢的显微组织、常规力学性能、抗热疲劳性能、高温抗氧化性能和高温抗蠕变性能的影响规律。 试验结果表明:未添加Mo的耐热钢基体组织为奥氏体,其晶粒尺寸较大,M23C6、M7C3、Cr2Fe14C和WC等第二相主要分布于晶界,少量分布于晶内。添加Mo后基体组织仍为奥氏体,但晶粒得到细化,并形成了颗粒状的Mo2C,二者随Mo含量的增加而增多,M23C6等碳化物则随Mo含量的增加呈长大现象。 在热疲劳上限温度为1200℃条件下热循环80次,随Mo含量的增加耐热钢的抗热疲劳性能先升高后降低。未添加Mo的耐热钢裂纹长度为9.712mm。含0.49%Mo的耐热钢出现横向裂纹,碳化物弥散分布,裂纹最短为5.619mm。含0.73%和0.95%Mo耐热钢的M23C6相粗大,并析出了脆性σ(Ni-Cr-Mo)相,含0.95%Mo的裂纹最长为9.923mm。 1200℃下各组耐热钢的氧化增重随时间的延长逐渐增加;氧化速率则均逐渐减小,且氧化速率随Mo含量的增加先减小后增大。未添加Mo的耐热钢氧化膜呈尖晶石结构,氧化60h形成较为完整的氧化膜,60h后氧化膜开始剥落。含0.24%Mo的耐热钢氧化80h氧化膜完整,但存在裂纹和氧化孔洞。含0.49%Mo耐热钢氧化20h形成较为连续、致密、完整的氧化膜,80h时仍较为完整,100h后氧化膜厚约60μm,与基体的结合性良好。含Mo量为0.73%和0.95%耐热钢的氧化膜形成较早,但剥落也较早且不完整。未添加Mo的氧化膜含有Cr-O、Cr1.3Fe0.7O3、[Cr,Fe]2O3、尖晶石、SiO2、Fe3SiO4和Ni6MnO4等,含Mo耐热钢的氧化膜还含有MnO2和MnMoO4。五组试样均属抗氧化等级,其中含0.49%Mo的耐热钢氧化100h的氧化速度最小,为0.4515g/(m2·h),高温抗氧化性能最优。 在1000℃外加载荷16MPa的条件下进行100h的蠕变试验,随Mo含量的增加,奥氏体耐热钢的抗蠕变性能先提高后降低。含0.24%Mo的抗蠕变性能最优,伸长率最小为0.03%。含0.95%Mo的抗蠕变性能最差,伸长率为0.13%。Mo在蠕变中起到的有利作用是固溶强化、稳定碳化物和形成高温稳定的Mo2C和Mo2N,可提高材料的抗蠕变性能。 综合Mo对炼镁还原罐用奥氏体耐热钢组织及性能的分析,建议在奥氏体耐热钢中Mo的最佳添加量为0.24%~0.49%。

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