一种聚变堆用低活化马氏体钢的冶炼生产方法.pdf

一种聚变堆用低活化马氏体钢的冶炼生产方法，第一步，在真空感应炉内对炉料进行熔炼：(1)真空度0.1-10Pa充氩气至0.005-0.08MPa，熔化温度1450～1650℃；(2)合金加料顺序，首先熔化纯Fe，然后加入Cr、W，接着加入Ta、V，最后添加C、Mn，同时视纯铁中氧含量水平，在加Cr之前添加少量C进行脱氧处理；(3)在线检测合金元素成分并依据测试结果增补合金元素；(4)成分合格后在真空下浇注，浇注温度1450～1550℃。第二步，根据真空感应熔炼得到的铸锭成分和内部质量水平，选择是否在真空电渣重熔炉或者是氩气保护的普通电渣重熔炉内进行重熔精炼；第三步，锻造开坯和热轧生产制备所需CLAM钢型材。本发明具有冶炼操作简单，工艺稳定，生产成本低的特点，生产出的CLAM钢成分、夹杂物满足设计要求，无成分和组织偏析，纯净度高，适应于聚变堆应用。

1.  一种聚变堆低活化马氏体钢的冶炼生产方法，其特征在于：包括以下过程：
第一步，在真空感应炉内对炉料进行熔炼：
1)用FeCa合金对纯铁进行脱S处理；
2)熔炼前对合金元素如Cr、W、V、Ta、Mn进行高温真空脱水除气处理；或者采用非真空脱水除气处理工艺：首先对Al₂O₃粉或CaF₂粉进行高温脱水，然后用Al₂O₃粉或CaF₂粉包埋合金以隔绝空气，最后在非真空环境下加热脱水除气，加热温度300～800℃；
3)按照目标马氏体钢设计成分进行配料，纯铁装入真空感应炉，合金元素按Cr、W、V、Ta、C、Mn顺序装入真空合金料斗；
4)真空感应熔炼炉抽真空至0.1～10Pa后，充高纯氩气至0.005～0.08MPa，熔化纯铁，并加C脱O至5～100ppm；
5)合金化：通过料斗加入纯金属Cr和W，升温至1450～1650℃，熔化完成后依次加入纯金属V、Ta，待熔化后，抽真空至0.1～10Pa以下保持3～10分钟；
然后充氩气至0.005～0.08MPa后加入纯C和纯金属Mn；
6)在线检测合金元素成分并依据测试结果增补合金元素，待成分合格后在1450～1550℃出钢并进行真空浇注得铸锭；
检查铸锭成分和内部组织，若满足要求，即可完成熔炼工作，否则需进行第二步辅助熔炼；
第二步，对铸锭进行锻造以制备重熔自耗电极，锻造温度800～1200℃，奥氏体化保温时间45～75min，锻造比＞4∶1；然后在真空电渣炉或氩气保护的普通电渣炉中重熔精炼，冶炼出成分和内部组织合格的CLAM钢铸锭：
1)选用高纯Al₂O₃+CaF₂或者CaO+Al₂O₃+CaF₂作为电渣；
2)对电渣进行干燥处理，熔化后注入到真空电渣炉或普通电渣炉的结晶器中；
对于真空电渣重熔炉，抽真空至0.1～5Pa后充高纯氩气至0.005～0.05MPa；
对于普通电渣重熔炉，向结晶器中充高纯氩气保护；
3)采用电流大小来控制重熔自耗电极的熔化速度，电流范围为200～500A；
4)重熔结束后，取出重熔铸锭。

2.  根据权利要求1所述的聚变堆结构材料低活化马氏体钢冶炼生产方法，其特征在于：锻造开坯，热轧制备所需型材：
1)锻造开坯时的工艺参数为：初始锻造温度1100～1200℃，保温时间45～75min，终锻温度800～900℃，锻造比＞4∶1；
2)所得到马氏体钢型材的轧制工艺参数为：退火温度和保温时间：1000～1100℃/45～75min，终轧温度750～850℃，每道次最大轧制变形量不超过50％。

3.  根据权利要求1所述的聚变堆用低活化马氏体钢的冶炼生产方法，其特征在于：第二步中，对普通电渣炉，重熔过程中可向电渣添加适当Al粉以脱掉渣系中的游离氧，防止渣系中的氧向钢水中扩散。

4.  根据权利要求1所述的聚变堆用低活化马氏体钢的冶炼生产方法，其特征在于：真空浇注时钢锭模系统在浇注前先用纯铁水清洗并加热烘烤除气，烘烤温度300～800℃。

5.  根据权利要求1所述的聚变堆用低活化马氏体钢的冶炼生产方法，其特征在于：Al₂O₃+CaF₂渣系的组成为：Al₂O₃20～40％+CaF₂余量；CaO+Al₂O₃+CaF₂渣系的组成为：CaO5～15％+Al₂O₃20～40％+CaF₂余量。

一种聚变堆用低活化马氏体钢的冶炼生产方法
技术领域
本发明属于金属材料加工技术领域，涉及一种适用于聚变堆的低活化马氏体钢的冶炼制备方法。
背景技术
中国低活化马氏体钢CLAM是申请人研发的一种具有自主知识产权的聚变堆结构材料，属于高纯净马氏体钢，要求对杂质进行严格控制。
T91/P91钢是一种改进型商用马氏体耐热钢，具有良好的高温热强性和抗氧化性能，被广泛用于电站锅炉中的过热器和再热器管道，该钢纯度要求高(S≤0.010wt％，P≤0.020wt％)，目前国内主要依靠进口。
但是采用电弧炉冶炼工艺无法制备出合格CLAM钢，主要原因是：(1)由于在非真空环境下熔炼，主合金元素会产生一定的烧损，如C容易氧化，Mn容易挥发，Cr容易吸收空气中的N，难以做到成分的精确控制；(2)由于CLAM钢对杂质元素要求极为严格，因此很难采用传统的脱硫、脱氧和脱磷工艺来实现杂质元素如O≤0.01％、P≤0.005％、S≤0.005％、Al≤0.01％(质量百分数)的控制要求。
发明内容
针对电弧炉冶炼工艺存在的问题，本发明开发了一种聚变堆用低活化马氏体钢冶炼生产方法，在适当控制原材料纯净度的基础上，采用“真空感应熔炼(主熔炼工艺)+电渣重熔(辅助熔炼工艺，属于可选工艺)”的方式。真空感应熔炼时，采用合适熔炼工艺，实现对合金元素及O、Al的控制，S和P则主要取决于原材料及真空熔炼前处理工艺，电渣重熔时，选择合适渣系和重熔工艺，进一步降低气体元素和S、P的含量，同时显著地解决成分偏析，去除夹杂物，熔炼出成分和内部组织合格的CLAM钢。最后锻造开坯，热轧制备成所需的CLAM钢型材。
本发明的技术方案如下：
一种聚变堆低活化马氏体钢的冶炼生产方法，其特征在于：包括以下过程：
第一步，在真空感应炉内对炉料进行熔炼：
1)用FeCa合金对纯铁进行脱S处理；
2)熔炼前对合金元素如Cr、W、V、Ta、Mn进行高温真空脱水除气处理；或者采用非真空脱水除气处理工艺：首先对Al₂O₃粉或CaF₂粉进行高温脱水，然后用Al₂O₃粉或CaF₂粉包埋合金以隔绝空气，最后在非真空环境下加热脱水除气，加热温度300～800℃；
3)按照目标马氏体钢设计成分进行配料，纯铁装入真空感应炉，合金元素按Cr、W、V、Ta、C、Mn顺序装入真空合金料斗；
4)真空感应熔炼炉抽真空至0.1～10Pa后，充高纯氩气至0.005～0.08MPa，熔化纯铁，并加C脱O至5～100ppm；
5)合金化：通过料斗加入纯金属Cr和W，升温至1450～1650℃，熔化完成后依次加入纯金属V、Ta，待熔化后，抽真空至0.1～10Pa以下保持3～10分钟；然后充氩气至0.005～0.08MPa后加入纯C和纯金属Mn；
6)在线检测合金元素成分并依据测试结果增补合金元素，待成分合格后在1450～1550℃出钢并进行真空浇注得铸锭；
检查铸锭成分和内部组织，若满足要求，即可完成熔炼工作，否则需进行第二步辅助熔炼；
第二步，对铸锭进行锻造以制备重熔自耗电极，锻造温度800～1200℃，奥氏体化保温时间45～75min，锻造比＞4∶1；然后在真空电渣炉或氩气保护的普通电渣炉中重熔精炼，冶炼出成分和内部组织合格的CLAM钢铸锭：
1)选用高纯Al₂O₃+CaF₂或者CaO+Al₂O₃+CaF₂作为电渣；
2)对电渣进行干燥处理，熔化后注入到真空电渣炉或普通电渣炉的结晶器中；对于真空电渣重熔炉，抽真空至0.1～5Pa后充高纯氩气至0.005～0.05MPa；对于普通电渣重熔炉，向结晶器中充高纯氩气保护；
3)采用电流大小来控制重熔自耗电极的熔化速度，电流范围为200～500A；
4)重熔结束后，取出重熔铸锭。
所述的聚变堆结构材料低活化马氏体钢冶炼生产方法，其特征在于：锻造开坯，热轧制备所需型材：
1)锻造开坯时的工艺参数为：初始锻造温度1100～1200℃，保温时间45～75min，终锻温度800～900℃，锻造比＞4∶1；
2)所得到马氏体钢型材的轧制工艺参数为：退火温度和保温时间：1000～1100℃/45～75min，终轧温度750～850℃，每道次最大轧制变形量不超过50％。
所述的聚变堆用低活化马氏体钢的冶炼生产方法，其特征在于：第二步中，对普通电渣炉，重熔过程中可向电渣添加适当Al粉以脱掉渣系中的游离氧，防止渣系中的氧向钢水中扩散。
所述的聚变堆用低活化马氏体钢的冶炼生产方法，其特征在于：真空浇注时钢锭模系统在浇注前先用纯铁水清洗并加热烘烤除气，烘烤温度300～800℃。
所述的聚变堆用低活化马氏体钢的冶炼生产方法，其特征在于：Al₂O₃+CaF₂渣系的组成为：Al₂O₃20～40％+CaF₂余量；CaO+Al₂O₃+CaF₂渣系的组成为：CaO5～15％+Al₂O₃20～40％+CaF₂余量。
本发明采用“真空感应熔炼(主熔炼工艺)+电渣重熔(辅助熔炼工艺，属于可选工艺)”的方式，首先在真空感应炉内对炉料进行熔炼，然后对铸锭成分和内部质量进行检测，若满足要求，即完成熔炼；否则需在真空电渣炉或氩气保护的普通电渣炉中进行重熔精炼，以冶炼出成分和内部组织合格的CLAM钢铸锭，最后进行锻造开坯，热轧制备所需CLAM钢型材。
本发明具有以下优点：
1、可使用一般高纯原材料冶炼制备纯净钢CLAM，降低了生产成本；
2、制备的CLAM钢成分合格，达到了设计要求；
3、制备的CLAM钢锭无成分和组织偏析，夹杂物级别低，纯净度高；
4、冶炼操作简单，工艺可重复性高，可以实现大规模工业化生产；
5、可以根据需要制备所需CLAM钢型材。
附图说明
图1(a)、(b)是本发明制备出的CLAM钢夹杂物观察照片(980℃/30min水冷淬火)。
具体实施方式
采用本发明的工艺，制备出了合格的CLAM钢，各组分所占的质量分数分别为：Cr：8.5～9.5％，W 1.3～1.7％，V 0.15～0.25％，Ta 0.12～0.18％，Mn 0.40～0.50％，C0.08～0.12％，具体冶炼制备工艺流程如下：
第一步：在真空感应炉中对炉料进行熔炼：
1、纯铁装炉，将合金原料放入真空合金料斗中；
2、首先在真空感应炉中加入纯金属Cr、W原料，升温并抽真空，熔炼温度大约在1500～1600℃，真空度达到5～10Pa；
3、待炉内原料部分熔化之后，停止抽真空，通入Ar气至0.05MPa保护，熔清后加入纯金属V、Ta。合金熔化后视熔池情况逐渐抽真空至0.1～10Pa以下保持3-10min；
4、加入纯C、纯金属Mn原料，在线检测合金元素成分并依据测试结果增补合金元素，待成分合格后静置一段时间后，温度在1450～1550℃时在炉内直接浇注得铸锭；
夹杂物观察发现，采用真空感应熔炼制备的CLAM钢铸锭中存在大尺寸夹杂物，内部组织不合格，需进行重熔精炼
第二步：锻造制备自耗电极，锻造温度850～1150℃，奥氏体化保温时间45～75min，锻造比5～6。然后在氩气保护的普通电渣重熔炉中进行重熔精炼，制备出冶炼出成分和纯净度合格的CLAM钢：
1、选用纯净的70％CaF₂+30％Al₂O₃电渣。首先对电渣进行干燥处理，然后将电渣熔化，注入铁结晶器中；
2、通入氩气保护，开启电源，开始重熔。重熔时通过电流大小来控制熔化速度，电流范围为300～400A；
3、重熔过程中，电渣中加入适量的铝粉。目的是脱掉电渣中的游离氧，防止渣池中的氧向熔池中扩散，使得铸锭氧含量增加；
第三步，锻造和轧制，制备出所需的CLAM钢型材：
锻造工艺：锻造保温时间～1h，初始锻造温度1100～1150℃/，终锻温度≥850～900℃，锻造比6～7；
轧制工艺：退火温度1000～1050℃，保温时间～1h，终轧温度750～800℃，冷却方式为空冷，总变形量75～95％。
第四步，最终热处理制度为：960-1040℃/25-35min淬火；740-780℃/80-100min回火。
表1是制备出来的CLAM钢实测成分表，表2是夹杂物评级结果。
表1CLAM成分测试结果(样品状态为轧制态)