CN102605274B - 一种汽轮机叶片用钢的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种汽轮机叶片用钢，其质量百分比化学成分为：C：0.11-0.13％，Si≤0.12％，Mn：0.40-0.50％，P≤0.010％，S≤0.005％，Cr：10.20-10.80％，Ni：0.70-0.80％，Mo：1.00-1.10％，V：0.15-0.25％，N：0.045-0.060％，W：0.95-1.05％，Al≤0.010％，Nb：0.040-0.060％，残余元素满足J＝(Si+Mn)·(P+Sn)×10⁴＜70。其制造方法包括：(1)原料钢生产；(2)原料钢的初轧；(3)真空感应炉熔炼，浇注；(4)电渣重熔熔炼等。得到的钢的横截面低倍组织类别满足：一般疏松≤1级，中心疏松≤1级，锭型偏析≤1级；非金属夹杂物类别满足：A细≤1级，A粗≤1级，B细≤1级，B粗≤0.5级，C细≤1级，C粗≤1级，D细≤1级，D粗≤1级；δ铁素体体积百分含量≤2％；晶粒度≥6级。

Description

一种汽轮机叶片用钢的制造方法

技术领域

本发明涉及铁素体/马氏体耐热钢，特别是涉及一种汽轮机叶片用钢及其制造方法，本发明钢能够满足对纯净度要求非常高的汽轮机叶片用铁素体耐热不锈钢的要求。 

背景技术

在当今世界，火力发电仍然是主要发电方式，占总发电量的75％左右，而在我国这一比例为80％左右，而且在未来几十年内仍然是发电主流形式，这是由我国能源资源结构以煤为主的格局决定的。如今，不仅要求发电机组提高火力发电效率以提高能源利用率，而且由于煤是不可再生资源，在发电过程中会排出大量的CO₂、SO₂等废气，对环境造成极大的污染，因此对发电机组的废气排放量提出了要求。为解决这些问题，发展超(超)临界机组火力发电技术，是最现实和最有效的途径，主要通过提高蒸汽温度和压力来提高发电效率。超超临界汽轮机蒸汽参数的常规范围为：P＝24.2-35MPa，T＝593-650℃或更高。在该参数条件下，机组的热效率大约可达到45％。不过，在如此高的蒸汽温度和压力下，汽轮机的高温部件长期承受高温及交变热应力的作用，加重了机组的寿命损耗，甚至给机组的安全运行带来了隐患。因此，合理选择汽轮机关键高温部件的材料，对于超超临界汽轮机的安全运行十分重要。在当前比较前沿的1000MW超超临界汽轮机(蒸汽参数一般为24-25MPa，600-610℃)中，特别是上海汽轮机有限公司与国外支持方西门子合作下设计生产的超超临界1000MW汽轮机中，用的非常多的材料是X12CrMoWVNbN10-1-1钢(朱宝田，“三种超超临界1000MW汽轮机简介”，中国超超临界火电机组技术协作网第二届年会，2006年10月，中国，青岛：P1～12)，如汽轮机的高中压转子、高中压内缸、高压喷嘴室、高中压阀门、高中压第1级叶片等。目前，人们对X12CrMoWVNbN10-1-1钢的研究多集中于热处理制 度探索、蠕变持久机理和疲劳性能等方面，而对该钢的生产技术特点的介绍则非常少，仅有X12CrMoWVNbN10-1-1高温结构钢及其生产方法，如CN102021490A公开了X12CrMoWVNbN10-1-1高温结构钢及其生产方法，其冶炼过程是电弧炉冶炼+VODC(包括VOD、VCD、VOH和VD)精炼。不过，该方法未考虑怎么去除有害元素，或者控制钢中硅、铝等元素的含量。这些都是根据X12CrMoWVNbN10-1-1钢选用原则必须要考虑的方面。否则会使得材料在使用中发生如运行过程中析出脆性相、过多氧化铝夹杂、纯净度不高、气体含量高、易发生回火脆性等问题，也达不到材料组织和性能的要求： 

1)由于X12CrMoWVNbN10-1-1钢中加了Mo、W、Nb等合金元素，带来的后果是成分稍有偏差，性能就会相差比较大，因此在冶炼中要求控制的合金化学成分范围比较窄，但这会导致冶炼的成分命中率困难。 

2)由于X12CrMoWVNbN10-1-1钢用于高达600℃高温下，长期运行，因此要求其组织具有较大的稳定性，防止在运行过程中析出脆性相，所以在钢的成分中严格限制硅和钛的含量，同时为了避免钢中有过多的氧化铝夹杂，又限制脱氧用铝。这就使冶炼过程中脱氧困难； 

3)X12CrMoWVNbN10-1-1钢在用于高温用汽轮机叶片和螺栓材料时，不仅要求有高的持久强度，还应有良好的疲劳强度和低的缺口敏感。所以希望材料有高的纯净度和低的气体含量。使钢中各种夹杂物尽可能的少。这些都会引起冶炼成本大大提高。 

4)对X12CrMoWVNbN10-1-1钢，还要求钢中S、P、Sn、As等残余有害元素含量要低，否则它们会容易形成低熔点化合物降低合金高温和持久特性及增加回火脆化敏感性。回火脆化敏感性系数J＝(Si+Mn)·(P+Sn)×10⁴必须满足J＜70。 

上述对X12CrMoWVNbN10-1-1钢冶金质量的要求，普通冶炼工艺甚至包括真空感应+电渣重熔冶炼工艺都难以满足的，而且后者为了追求纯净度加入纯金属还会大大增加冶炼成本。因此，需要寻找新的冶炼工艺。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种汽轮机叶片用钢。 

为实现上述目的，本发明的汽轮机叶片用钢，其质量百分比化学成分为：C：0.11-0.13％，Si≤0.12％，Mn：0.40-0.50％，P≤0.010％，S≤0.005％，Cr：10.20-10.80％，Ni：0.70-0.80％，Mo：1.00-1.10％，V：0.15-0.25％，N：0.045-0.060％，W：0.95-1.05％，Al≤0.010％，Nb：0.040-0.060％，残余元素满足J＝(Si+Mn)·(P+Sn)×10⁴＜70。 

优选地，所述汽轮机叶片用钢的横截面低倍组织类别满足：一般疏松≤1级，中心疏松≤1级，锭型偏析≤1级；非金属夹杂物类别满足：A细≤1级，A粗≤1级，B细≤1级，B粗≤0.5级，C细≤1级，C粗≤1级，D细≤1级，D粗≤1级；δ铁素体体积百分含量≤2％；晶粒度≥6级。 

更优选地，所述汽轮机叶片用钢的横低倍组织类别满足：一般疏松≤0.5级，中心疏松≤0.5级，无锭型偏析；非金属夹杂物类别满足：A细≤0.5级，A粗0级，B细≤0.5级，B粗≤0.5级，C细0级，C粗0级，D细≤0.5级，D粗≤0.5级；δ铁素体体积百分含量≤2％；晶粒度≥7级。 

本发明的另一个目的是提供一种新的冶炼工艺，不仅为满足对X12CrMoWVNbN10-1-1钢上述冶金质量的要求，而且使得制备的X12CrMoWVNbN10-1-1钢经后续热加工和热处理后性能达到使用要求。 

本发明针对X12CrMoWVNbN10-1-1钢冶金质量的要求，提出的冶金工艺步骤是：原料钢生产(电弧炉冶炼+LFV精炼+ICM浇注)→原料钢的初轧→真空感应炉熔炼→修磨→电渣重熔→退火后热送。 

根据本发明的上述汽轮机叶片用钢的制造方法，包括如下步骤： 

(1)原料钢生产 

按照以下原料钢质量百分比成分冶炼并浇注成钢锭：C≤0.1％，S≤0.005％，P≤0.005％，Si≤0.06％，Mn≤0.40％，W≤1.00％，Mo≤1.00％，Ni≤0.70，Al≤0.015； 

(2)原料钢的初轧 

(a)均热炉加热所述原料钢钢锭 

钢锭的入炉温度为600-650℃，保温90-120分钟；然后以60-80℃/小时的速度升温至1180-1200℃，保温210-240分钟，钢锭阴阳面温度差≤20℃，钢锭出均热炉后进入初轧机热加工轧制； 

(b)初轧机轧制 

初轧机的轧辊预热至150-250℃，钢锭开轧温度≥1130℃，终轧温度≥950℃；1-3火次轧制，共39-45个压下道次完成； 

(3)真空感应炉熔炼 

将初轧并剪切的原料钢与纯金属料按X12CrMoWVNbN10-1-1钢的化学成分进行配比后进行熔炼，并在1580-1600℃精炼，然后放入真空感应炉的坩锅中，进行预热；当真空度≤2.7MPa时开始熔化，补加锰和氮化铬铁至最终成分，并在1570-1590℃出钢，进行浇注； 

(4)电渣重熔熔炼 

将浇注的X12CrMoWVNbN10-1-1钢电极棒进行表面剥皮、涂覆Al粉，然后进行电渣重熔，以得到成分均匀的电渣锭。 

根据本发明的一种优选方案，上述汽轮机叶片用钢的制造方法，包括如下步骤： 

(1)原料钢生产 

所炼制的原料钢成分(质量百分比)满足：C≤0.1％，S≤0.005％，P≤0.005％，Si≤0.06％，Mn≤0.40％，W≤1.00％，Mo≤1.00％，Ni≤0.70，Al≤0.015； 

(2)原料钢的初轧 

(a)均热炉加热原料钢钢锭 

将钢锭装入均热炉，钢锭的入炉温度600-650℃，保温90-120分钟；然后以60-80℃/小时的速度升温至1180-1200℃，保温210-240分钟，钢锭阴阳面温度差≤20℃，钢锭出均热炉后进入初轧机热加工轧制； 

(b)初轧机轧制 

轧辊预热至150-250℃，钢锭开轧温度≥1130℃，终轧温度≥950℃；1～3火次轧制，共39-45个压下道次完成； 

(3)真空感应炉熔炼 

将初轧并剪切的原料钢与纯金属料按X12CrMoWVNbN10-1-1钢化学成分进行配比进行熔炼，并在1580-1600℃精炼，放入真空真空感应炉的坩锅中，进行预热；当真空度≤2.7MPa时开始熔化，补加锰和氮化铬铁至最终成分，并在1570-1590℃出钢，进行浇注； 

(4)电渣重熔熔炼 

将浇注的X12CrMoWVNbN10-1-1钢电极棒进行表面剥皮、涂覆Al粉，然后进行电渣重熔，以得到成分均匀的电渣锭。 

根据本发明的更优选的实施方式，原料钢生产包括如下步骤： 

(a)选用S≤0.004质量％、P≤0.005质量％、Sn≤0.005质量％、Sb、As和Cu小于0.005质量％的合金料，包括纯铁或返回废钢等； 

(b)EAF(电弧炉)熔炼 

在炉料全熔后分4-6批加入石灰，每批15-20kg/吨，吹氧进行氧化处理，并进行脱P操作；控制钢液温度1540-1570℃，直至S≤0.020％、P≤0.002％；然后吹氧升温至T≥1650℃，扒渣100％；在还原阶段，采用2-7kg/吨电石(碳化钙CaC2)作为脱氧剂脱氧还原；在出钢前配入金属铬，确保全熔；当钢中S≤0.010％，且T≥1650℃时，扒掉部分还原渣，在钢包内加铝锭1.3-1.7kg/吨；出钢成分控制为：C≤0.06％，S≤0.006％，P≤0.004％，Cr：4.80-7.00％； 

(c)LFV精炼 

在钢包到位后，切换氩气，根据钢包中渣的颜色情况调整炉渣，并加入还原剂进行还原，加热时间≥10分钟且保持T≥1600℃，待渣颜色转变时取样分析；继续根据渣渣的颜色情况进行炉渣调整。加入第二批还原剂继续还原，加热时间≥6分钟，然后进行脱气，脱气温度T≥1660℃，真空度达到极限真空度30-40Pa保持时间≥15分钟，真空完毕后取样分析；吊包温度为熔点温度以上50-60℃； 

(d)模铸浇注 

在模铸过程中，使用保护渣并氩气保护浇注，浇毕加发热剂以及碳化稻谷保温，保温1-2小时后起吊，热送初轧生产线。 

优选地，所述的步骤(c)中所用的还原剂为由生石灰10-30kg/吨、萤石5-10kg/吨和铝2-4kg/吨构成。 

优选地，第二批还原剂由生石灰5-10kg/吨和铝2-4kg/吨构成。 

优选地，在初轧机轧制的39-45个压下道次中，第一阶段，压下道次为15-24道，轧辊速度控制在10-20转/分，压下量为20-30mm；第二阶段，压下量为30-50mm，且快速轧制。 

优选地，初轧后轧坯的规格是100×100到140×140mm²。 

优选地，初轧后的轧坯再热剪切成1000-1300mm长，进行堆冷后送真空感应炉生产线以备X12CrMoWVNbN10-1-1钢熔炼使用。 

优选地，真空感应炉熔炼中，所述纯金属料是Ni≥99.9％的纯镍板、Cr≥99.9％的纯铬、Mo≥99.95％的纯钼、W≥99.9％的纯钨、V≥99.9％纯钒和/或Nb≥99.9％的纯铌。 

优选地，熔炼中，熔化功率为400-800kW，熔化期间控制真空度≤6MPa；全熔后以900-1000kW功率升温，8-12分钟后降至250-300kW，进行保温。 

优选地，浇注的锭型规格为Φ290-520mm的电极棒。 

优选地，电渣重熔中，采用直径D与电极d满足d＝(0.4-0.85)D的结晶器；渣量配比是CaF₂∶Al₂O₃∶MgO＝(60-65)∶(35-30)∶5；渣量w与电渣钢锭重量W满足w＝(4-5％)W。 

优选地，电渣重熔中，电渣时采用同钢种引锭板，先进行化渣，当渣料熔化完后开始电渣，加电流过程缓慢上升至规定值后，转入正常电渣重熔冶炼。 

优选地，化渣制度为：电压50-55V、电流2000-5000A、时间≥40分钟。 

优选地，电渣重熔冶炼的用电制度为：电压58-64V、电流13000-14000A。 

优选地，在电渣重熔冶炼的后期封顶阶段，逐渐降电流，每次降电流500-1000A，采用间断给电流封顶，封顶时间≥40分钟，封顶完毕后冷却80分钟后脱模。 

优选地，所得电渣钢锭直径为Φ500-700mm。 

优选地，还包括对电渣钢锭缓冷，缓冷时间控制在20-60分钟。 

优选地，电渣冶炼完成后脱模，脱膜的锭子马上进退火炉进行热装退火。 

优选地，脱模后20分钟内进退火炉进行热装退火。 

优选地，退火的工艺制度：温度650-720℃，保温时间≥4小时。 

根据本发明的上述方法制造的X12CrMoWVNbN10-1-1钢的质量百分比化学成分为：C：0.11-0.13％，Si≤0.12％，Mn：0.40-0.50％，P≤0.010％， S≤0.005％，Cr：10.20-10.80％，Ni：0.70-0.80％，Mo：1.00-1.10％，V：0.15-0.25％，N：0.045-0.060％。W：0.95-1.05％，Al≤0.010％，Nb：0.040-0.060％，残余元素满足回火脆化敏感性系数J＝(Si+Mn)·(P+Sn)×10⁴＜70。 

通过本发明得到的X12CrMoWVNbN10-1-1钢中，其主要化学成分满足：C：0.11-0.13质量％，Mn：0.40-0.50质量％，S≤0.005质量％，Cr：10.20-10.80质量％，Ni：0.70-0.80质量％，Mo：1.00-1.10质量％，V：0.15-0.25质量％，N：0.045-0.060质量％，W：0.95-1.05质量％，Nb：0.040-0.060质量％。需要控制的元素的化学成分满足：Si≤0.10质量％，Al≤0.010质量％，P≤0.008质量％，Sn≤0.005质量％，As≤0.01质量％，Sb≤0.003质量％，残余元素满足回火脆化敏感性系数J＝(Si+Mn)·(P+Sn)×10⁴＜68。X12CrMoWVNbN10-1-1钢成品的按GB/T1979测定的横截面低倍组织类别满足：一般疏松≤0.5级，中心疏松≤0.5级，无锭型偏析。按ASTM E45测定的非金属夹杂物类别满足：A细≤0.5级，A粗0级，B细≤0.5级，B粗≤0.5级，C细0级，C粗0级，D细≤0.5级，D粗≤0.5级，按AMS2315，δ铁素体体积百分含量≤2％；按GB/T6394晶粒度≥7级。按GB/T228和GB/T229标准可得X12CrMoWVNbN10-1-1钢的力学性能：抗拉强度Rm900～930MPa；屈服强度Rp为0.2760-780MPa；延伸率A(％)≥18％；断面收缩率Z≥64％；冲击功Akv≥55J。 

具体实施方式

下面较为详细地说明本发明。 

本发明中，除非另有指明，含量均为质量百分比含量。 

(1)本发明适用的材料 

本发明适用的X12CrMoWVNbN10-1-1钢化学成分(质量百分比)为：C：0.11-0.13％，Si≤0.12％，Mn：0.40-0.50％，P≤0.010％，S≤0.005％，Cr：10.20-10.80％，Ni：0.70-0.80％，Mo：1.00-1.10％，V：0.15-0.25％，N：0.045-0.060％。W：0.95-1.05％，Al≤0.010％，Nb：0.040-0.060％，残余元素满足J＝(Si+Mn)·(P+Sn)×10⁴＜70。 

(2)原料钢生产 

所炼制的原料钢成分(质量百分比)满足：C≤0.1％，S≤0.005％，P≤0.005％，Si≤0.06％，Mn≤0.40％，W≤1.00％，Mo≤1.00％，Ni≤0.70，Al≤0.015％，Cu≤0.08％，N≤0.050％，Nb≤0.055％，V≤0.20％，Cr：5.0-9.0％。 

(a)选用含低S(小于0.004质量％)、P(小于0.005质量％)、Sn(小于0.005质量％)、Sb、As、Cu(小于0.005质量％)含量少的合金料，包括纯铁或返回废钢等。 

(b)EAF熔炼 

在炉料全熔后分4-6批加入石灰，每批15-20kg/吨，吹氧进行氧化处理，并进行脱P操作。控制温度1540-1570℃，直至S≤0.020％、P≤0.002％。然后吹氧升温至T≥1650℃，扒渣100％。在还原阶段，采用电石2-7kg/吨、脱氧剂脱氧还原，禁止采用Si粉脱氧。在出钢前配入金属铬，确保全熔。当钢中S≤0.010％，且T≥1650℃时，并扒掉部分还原渣，在钢包内加铝锭1.3-1.7kg/吨。出钢成分控制为：C≤0.06％，S≤0.006，P≤0.004，Cr：4.80-7.00％。 

(c)LFV精炼 

在钢包到位后，切换氩气，根据钢包中渣的颜色情况调整炉渣，并加入脱氧剂进行还原，还原剂为生石灰10-30kg/吨、萤石5-10kg/吨、铝2-4kg/吨。加热时间≥10分钟且保持T≥1600℃，待渣颜色转变时取样分析。继续根据渣的颜色进行炉渣调整。加入第二批脱氧剂继续还原，还原剂为生石灰5-10kg/吨、铝2-4kg/吨，根据分析结果调整至目标成分。加热时间≥6分钟，取样分析。然后进行脱气，脱气温度T≥1660℃，真空度达到极限真空度保持时间≥15分钟。真空完毕后取样分析。吊包温度为熔点温度以上50-60℃。 

(d)ICM浇注 

在模铸(ICM)过程中，浇注1.2吨或2.3吨钢锭，使用保护渣并氩气保护浇注，帽口补足充分，浇毕加发热剂以及碳化稻谷保温。注毕后1-2小时后起吊，热送初轧生产线。 

(3)原料钢的初轧生产 

(a)均热炉加热原料钢钢锭 

将钢锭装入均热炉，钢锭的入炉温度600-650℃，保温90-120分钟； 然后以60-80℃/小时的速度升温至1180-1200℃，保温210-240分钟。保温期间将钢锭逐支进行翻身，使钢锭温度均匀。钢锭阴阳面温度差要≤20℃，钢锭出均热炉后进入初轧机热加工轧制。 

(b)初轧机轧制 

轧辊预热至150-250℃。钢锭开轧温度≥1130℃，终轧温度≥950℃。1火次轧制，共39-45个压下道次完成：第一阶段，压下道次15-24道，初轧机慢速轧制，以破碎铸态粗大柱状晶，最大限度地降低轧辊对轧件的拉应力。轧辊速度控制在10-20转/分，压下量20-30mm；第二阶段，压下量逐渐加大，压下量30-50mm，且快速轧制。轧坯的规格是100×100到140×140mm²，然后再热剪切成1000-1300mm长，进行堆冷后送真空感应炉生产线以备X12CrMoWVNbN10-1-1钢熔炼使用。 

(4)真空感应炉熔炼 

将初轧剪切好的原料钢和纯镍板(Ni≥99.9％)、纯铬(Cr≥99.9％)、纯钼(Mo≥99.95％)、纯钨(W≥99.9％)、纯钒(V≥99.9％)和纯铌(Nb≥99.9％)等纯金属料按X12CrMoWVNbN10-1-1钢化学成分进行配比，放入真空感应炉的坩锅中，进行预热。当真空度≤2.7MPa时开始熔化，熔化功率为400-800kW，熔化期控制真空度≤6MPa；全熔后以900-1000kW功率升温，8-12分钟后降至250-300kW，进行保温，开始高温精炼，精炼温度控制在1580-1600℃。然后进行炉前取样，并调整成分，在后期补加锰和氮化铬铁至最终成分。待钢液温度为1570-1590℃时出钢，进行浇注。在浇注过程中保证有足够的钢水补缩，防止缩孔。浇注的锭型规格为Φ290-520mm的电极棒。 

(5)电渣重熔熔炼 

将X12CrMoWVNbN10-1-1钢电极棒进行表面剥皮、涂覆Al粉，然后进行电渣重熔，以得到成分均匀的电渣锭，减缓较严重的叶片钢钢锭成分偏析现象，并提高钢锭的纯净度，从而改善产品的高温性能和疲劳性能。采用结晶器直径D与电极d满足d＝(0.4-0.85)D；渣量配比是CaF₂∶A1₂O₃∶MgO＝(60-65)∶(35-30)∶5；渣量w与电渣钢锭重量W满足w＝(4-5％)W。电渣时采用同钢种引锭板。先进行化渣，化渣制度为：电压50-55V、电流2000-5000A、时间≥40分钟。当渣料熔化完后开始电渣， 加电流过程缓慢上升至规定值后，转入正常电渣重熔冶炼。用电制度为：电压58-64V、电流13000-14000A。在冶炼后期封顶阶段，逐渐降电流，每次降电流500-1000A，采用间断给电流封顶，封顶时间要≥40分钟，封顶完毕后冷却80分钟后脱模。所得电渣钢锭直径为Φ500-700mm。对电渣钢锭缓冷，缓冷时间控制在20-60分钟。电渣冶炼完成后脱模，锭子马上进退火炉进行热装退火(脱模后20分钟内进行)。退火的工艺制度：温度650-720℃，保温时间≥4小时。退火后进行热送。 

本发明的特点是：利用电弧炉冶炼+LFV精炼+ICM浇注方法+初轧生产原料钢，有效控制钢中的磷含量，并使钢中Cu、Sn、As、Sb、Pb等残余元素含量符合要求，并降低X12CrMoWVNbN10-1-1钢的冶炼成本。采用真空感应炉熔炼可以保证金属元素的收得率，并减少钢中的H₂和O₂气体含量，以降低后续电渣重熔过程中元素的损耗。利用电渣重熔，可以得到成分均匀的钢锭，减缓较严重的叶片钢钢锭成分偏析现象，并提高钢锭的纯净度，从而改善产品的高温性能和疲劳性能。最终获得的材料成分和冶金质量满足X12CrMoWVNbN10-1-1钢的成分和性能要求。X12CrMoWVNbN10-1-1钢的成功生产可以解决超超临界机组高温叶片钢的选材问题，也可促进和帮助其他生产技术难度高的叶片钢开发。 

实施例 

实施例1 

(1)原料钢生产 

(a)选用含低S、P、Sn、Sb、As、Cu含量少的合金料，包括纯铁或返回废钢等。 

(b)EAF熔炼 

在炉料全熔后分5批加入石灰，每批16kg/吨，吹氧进行氧化处理，并进行脱P操作。控制温度1560-1570℃，直至S≤0.020％、P≤0.002％。然后吹氧升温至1660℃，扒渣100％。在还原阶段，采用电石5kg/吨、脱氧剂脱氧还原。在出钢前配入金属铬，确保全熔。当钢中S≤0.010％，且T≥1650℃时，并拉除部分还原渣，在钢包内加铝锭1.5kg/吨。出钢成分(质量百分比)为：C：0.05％，S：0.005％，P：0.004％，Cr：6.00％。 

(c)LFV精炼 

在钢包到位后，切换氩气，根据钢包中渣的颜色情况调整炉渣，并加入脱氧剂进行还原，还原剂为生石灰20kg/吨、萤石6kg/吨、铝3kg/吨。加热时间12分钟且保持T≥1600℃，待渣颜色转变时取样分析。继续根据渣的颜色情况进行炉渣调整。加入第二批脱氧剂继续还原，还原剂为生石灰8kg/吨、铝3kg/吨，根据分析结果调整至目标成分。加热时间7分钟，取样分析。然后进行脱气，脱气温度1670℃，真空度达到极限真空度保持时间17分钟。真空完毕后取样分析。吊包温度为熔点温度以上60℃。 

(d)模铸ICM浇注 

在模铸(ICM)过程中，浇注2.3吨钢锭，使用保护渣并氩气保护浇注，帽口补足充分，浇毕加发热剂以及碳化稻谷保温。注毕后2小时后起吊，热送初轧生产线。 

所得到的原料钢化学成分为： 

C：0.055％，Mn：0.15％，P：0.004％，S：0.003％，Si：0.03％，Ni：0.06％，Cr：7.21％，Cu：0.05％，Mo：0.54％，W：0.01％，Nb：0.038％，V：0.01％，Ti：0.01％，Al：0.005％，As：0.000％，N：0.021％，Sb：0.0015％。 

(3)原料钢的初轧生产 

(a)均热炉加热原料钢钢锭 

将钢锭装入均热炉，钢锭的入炉温度630℃，保温120分钟；然后以80℃/小时的速度升温至1200℃，保温240分钟。保温期间将钢锭逐支进行翻身，使钢锭温度均匀。钢锭阴阳面温度差要≤20℃，钢锭出均热炉后进入初轧机热加工轧制。 

(b)初轧机轧制 

轧辊预热至150-250℃。钢锭开轧温度≥1130℃，终轧温度≥950℃。1火次轧制，共39-45个压下道次完成：第一阶段，压下道次15-24道，初轧机慢速轧制。轧辊速度控制在20转/分，压下量30mm；第二阶段，压下量逐渐加大，压下量40mm，且快速轧制。轧坯的规格是120×120mm²，然后再热剪切成1250mm长，进行堆冷后送真空感应炉生产线以备X12CrMoWVNbN10-1-1钢熔炼使用。 

(4)真空感应炉熔炼 

将初轧剪切好的原料钢和纯镍板、纯铬、纯钼、纯钨、纯钒和纯铌等纯金属料按X12CrMoWVNbN10-1-1钢化学成分进行配比，放入真空感应炉的坩锅中，进行预热。当真空度≤2.7MPa时开始熔化，熔化功率为800kW，熔化期控制真空度≤6MPa；全熔后以1000kW功率升温，10分钟后降至250kW，进行保温，开始高温精炼，精炼温度控制在1580-1600℃。然后进行炉前取样，并调整成分，在后期补加锰和氮化铬铁至最终成分。待钢液温度为1590℃时出钢，进行浇注。在浇注过程中保证有足够的钢水补缩，防止缩孔。浇注的锭型规格为Φ430mm的电极棒。 

(5)电渣重熔熔炼 

将X12CrMoWVNbN10-1-1钢电极棒进行表面剥皮、涂覆Al粉，然后进行电渣重熔，以得到成分均匀的电渣锭，减缓较严重的叶片钢钢锭成分偏析现象，并提高钢锭的纯净度，从而改善产品的高温性能和疲劳性能。采用结晶器直径Φ520mm；渣量配比是CaF₂∶Al₂O₃∶MgO＝60∶35∶5，渣量w与电渣钢锭重量W满足w＝4.5％W。电渣时采用同钢种引锭板。先进行化渣，化渣制度为：电压55V、电流5000A、时间45分钟。当渣料熔化完后开始电渣，加电流过程缓慢上升至规定值后，转入正常电渣重熔冶炼。用电制度为：电压64V、电流13000A。在冶炼后期封顶阶段，逐渐降电流，每次降电流1000A，采用间断给电流封顶，封顶时间要45分钟，封顶完毕后冷却80分钟后脱模。所得电渣钢锭直径为Φ520mm。对电渣钢锭缓冷，缓冷时间控制在60分钟。电渣冶炼完成后脱模，锭子马上进退火炉进行热装退火(脱模后20分钟内进行)。退火的工艺制度：温度690℃，保温时间4小时。退火后进行热送。 

所测得钢锭化学成分如表1所示。 

实施例2 

(1)原料钢生产 

(a)选用含低S、P、Sn、Sb、As、Cu含量少的合金料，包括纯铁或返回废钢等。 

(b)EAF熔炼 

在炉料全熔后分6批加入石灰，每批15/吨，吹氧进行氧化处理，并 进行脱P操作。控制温度1540-1570℃，直至S≤0.020％、P≤0.002％。然后吹氧升温至T≥1660℃，扒渣100％。在还原阶段，采用电石5.4kg/吨、脱氧剂脱氧还原。在出钢前配入金属铬，确保全熔。当钢中S≤0.010％，且T≥1650℃时，并拉除部分还原渣，在钢包内加铝锭1.6kg/吨。出钢成分(质量百分比)控制为：C：0.05％，S：0.004％，P：0.004％，Cr：6.30％。 

(c)LFV精炼 

在钢包到位后，切换氩气，根据钢包中渣的颜色情况调整炉渣，并加入脱氧剂进行还原，还原剂为生石灰18kg/吨、萤石8kg/吨、铝3kg/吨。加热时间10分钟且保持T≥1600℃，待渣颜色转变时取样分析。继续根据渣的颜色情况况进行炉渣调整。加入第二批脱氧剂继续还原，还原剂为生石灰7kg/吨、铝3kg/吨，根据分析结果调整至目标成分。加热时间7分钟，取样分析。然后进行脱气，脱气温度T为1665℃，真空度达到极限真空度30Pa保持时间16分钟。真空完毕后取样分析。吊包温度为熔点温度以上60℃。 

(d)ICM浇注 

在模铸(ICM)过程中，浇注2.3吨钢锭，使用保护渣并氩气保护浇注，帽口补足充分，浇毕加发热剂以及碳化稻谷保温。注毕后2小时后起吊，热送初轧生产线。 

所得到的原料钢化学成分(质量百分比为： 

C：0.065％，Mn：0.04％，P：0.004％，S：0.005％，Si：0.05％，Ni：0.24；％，Cr：6.74％，Cu：0.02％，Mo：0.01％，W：0.01％，Nb：0.025％，V：0.01％，Ti：0.01％，Al：0.003％，As：0.010％，N：0.018％，Sb：0.0012％。 

(3)原料钢的初轧生产 

(a)均热炉加热原料钢钢锭 

将钢锭装入均热炉，钢锭的入炉温度620℃，保温120分钟；然后以80℃/小时的速度升温至1200℃，保温240分钟。保温期间将钢锭逐支进行翻身，使钢锭温度均匀。钢锭阴阳面温度差要≤20℃，钢锭出均热炉后进入初轧机热加工轧制。 

(b)初轧机轧制 

轧辊预热至150-250℃。钢锭开轧温度≥1130℃，终轧温度≥950℃。 1火次轧制，共39-45个压下道次完成：第一阶段，压下道次15-24道，初轧机慢速轧制，轧辊速度控制在15转/分，压下量30mm；第二阶段，压下量逐渐加大，压下量50mm，且快速轧制。轧坯的规格是120×120mm²，然后再热剪切成1230mm长，进行堆冷后送真空感应炉生产线以备X12CrMoWVNbN10-1-1钢熔炼使用。 

(4)真空感应炉熔炼 

将初轧剪切好的原料钢和纯镍板、纯铬、纯钼、纯钨、纯钒和纯铌等纯金属料按X12CrMoWVNbN10-1-1钢化学成分进行配比，放入真空感应炉的坩锅中，进行预热。当真空度≤2.7MPa时开始熔化，熔化功率为800kW，熔化期控制真空度≤6MPa；全熔后以1000kW功率升温，12分钟后降至250kW，进行保温，开始高温精炼，精炼温度控制在1580-1600℃。然后进行炉前取样，并调整成分，在后期补加锰和氮化铬铁至最终成分。待钢液温度为1590℃时出钢，进行浇注。在浇注过程中保证有足够的钢水补缩，防止缩孔。浇注的锭型规格为Φ430mm的电极棒。 

(5)电渣重熔熔炼 

将X12CrMoWVNbN10-1-1钢电极棒进行表面剥皮、涂覆Al粉，然后进行电渣重熔，以得到成分均匀的电渣锭，减缓较严重的叶片钢钢锭成分偏析现象，并提高钢锭的纯净度，从而改善产品的高温性能和疲劳性能。采用结晶器直径D直径Φ520mm；渣量配比是CaF₂∶Al₂O₃∶MgO＝60∶35∶5，渣量w与电渣钢锭重量W满足w＝4.5％W。电渣时采用同钢种引锭板。先进行化渣，化渣制度为：电压55V、电流5000A、时间42分钟。当渣料熔化完后开始电渣，加电流过程缓慢上升至规定值后，转入正常电渣重熔冶炼。用电制度为：电压63V、电流13000A。在冶炼后期封顶阶段，逐渐降电流，每次降电流900A，采用间断给电流封顶，封顶时间要45分钟，封顶完毕后冷却80分钟后脱模。所得电渣钢锭直径为Φ520mm。对电渣钢锭缓冷，缓冷时间控制在60分钟。电渣冶炼完成后脱模，锭子马上进退火炉进行热装退火(脱模后20分钟内进行)。退火的工艺制度：温度690℃，保温时间4小时。退火后进行热送。 

试验例1：本发明实施例钢的化学成分 

按照GB/T223标准测得本发明实施例钢锭的化学成分如表1所示。 

可看到钢锭的化学成分都在X12CrMoWVNbN10-1-1钢要求的化学成分范围内，而且钢锭中残余元素的J值都小于70，符合X12CrMoWVNbN10-1-1钢冶金质量要求。 

试验例2：组织结构 

按照GB/T1979、ASTM E45、AMS2315和GB/T6394标准，测定本发明实施例钢锭的组织结构，其结果见表2。可见X12CrMoWVNbN10-1-1钢成品棒材横截面低倍组织、夹杂物类别、δ铁素体含量、晶粒度和力学性能。从表中数据可见本发明方法制备的钢完全满足该钢种的交货要求。 

试验例3：力学性能 

按照GB/T228和GB/T229标准测定本发明实施例钢锭的室温力学性能，其结果见表3。 

通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，从以上说明中可见，通过本发明工艺生产X12CrMoWVNbN10-1-1钢，能够克服传统工艺生产X12CrMoWVNbN10-1-1钢时存在的问题，而且生产过程容易控制，能够满足X12CrMoWVNbN10-1-1钢在用于高温用汽轮机叶片和螺栓材料时，不仅要求有高的持久强度，还应有良好的疲劳强度和低的缺口敏感，所以希望材料有高的纯净度和低的气体含量，使钢中各种夹杂物尽可能的少的要求，以及还要求钢中S、P、Sn、As等残余有害元素含量要低，否则它们会容易形成低熔点化合物，降低合金的高温和持久特性及增加回火脆化敏感性的问题。本发明工艺生产的X12CrMoWVNbN10-1-1钢满足回火脆化敏感性系数J＝(Si+Mn)·(P+Sn)×10⁴，J＜70的要求。 

通过本发明得到的X12CrMoWVNbN10-1-1钢中，其主要化学成分满足：C：0.11-0.13质量％，Mn：0.40-0.50质量％，S≤0.005质量％，Cr：10.20-10.80质量％，Ni：0.70-0.80质量％，Mo：1.00-1.10质量％，V：0.15-0.25质量％，N：0.045-0.060质量％，W：0.95-1.05质量％，Nb：0.040-0.060质量％。需要控制的元素的化学成分满足：Si≤0.10质量％，Al≤0.010质量％，P≤0.008质量％，Sn≤0.005质量％，As≤0.01质量％，Sb≤0.003质量％，残余元素满足回火脆化敏感性系数J＝(Si+Mn)·(P+Sn)×10⁴＜68。X12CrMoWVNbN10-1-1钢成品的按GB/T1979测定的横低倍组织类别满足：一般疏松≤0.5级，中心疏松≤0.5级，无锭型偏析。按ASTM E45测定的非金属夹杂物类别满足：A细≤0.5级，A粗0级，B细≤0.5级，B粗≤0.5级，C细0级，C粗0级，D细≤0.5级，D粗≤0.5级，按AMS2315，δ铁素体体积百分含量≤2％；按GB/T6394晶粒度≥7级。按GB/T228和GB/T229标准可得X12CrMoWVNbN10-1-1钢的力学性能：抗拉强度Rm900-930MPa；屈服强度Rp0.2为760-780MPa；延伸率A(％)≥18％；断面收缩率Z≥64％；冲击功Akv≥55J。 

虽然以上通过实施例进行了说明，但不仅仅限于这些实施例，在不脱离本发明构思的前提下还可以有更多变化和改进的实施例，而这些实施例都应属于本发明的范围。 

Claims (23)

1.汽轮机叶片用钢的制造方法，所述钢的质量百分比化学成分为：C：0.11-0.13％，Si≤0.12％，Mn：0.40-0.50％，P≤0.010％，S≤0.005％，Cr：10.20-10.80％，Ni：0.70-0.80％，Mo：1.00-1.10％，V：0.15-0.25％，N：0.045-0.060％，W：0.95-1.05％，Al≤0.010％，Nb：0.040-0.060％，残余元素满足J=(Si+Mn)·(P+Sn)×10⁴<70；所述方法包括如下步骤： 

(1)原料钢生产 

按照以下原料钢质量百分比成分冶炼并浇注成钢锭：C≤0.1％，S≤0.005％，P≤0.005％，Si≤0.06％，Mn≤0.40％，W≤1.00％，Mo≤1.00％，Ni≤0.70％，A1≤0.015％； 

包括： 

(a)选用S≤0.004质量％、P≤0.005质量％、Sn≤0.005质量％、Sb、As和Cu小于0.005质量％的合金料； 

(b)EAF电弧炉熔炼 

在炉料全熔后分4-6批加入石灰，每批15-20kg／吨，吹氧进行氧化处理，并进行脱P操作，控制钢液温度1540-1570℃，直至S≤0.020％、P≤0.002％；然后吹氧升温至T≥1650℃，扒渣100％；在还原阶段，采用2-7kg/吨电石作为脱氧剂脱氧还原；在出钢前配入金属铬，确保全熔；当钢中S≤0.010％，且T≥1650℃时，扒掉部分还原渣，在钢包内加铝锭1.3-1.7kg／吨；出钢成分控制为：C≤0.06％，S≤0.006％，P≤0.004％，Cr：4.80-7.00％； 

(c)LFV精炼 

在钢包到位后，切换氩气，根据钢包中渣的颜色情况调整炉渣，加入还原剂进行还原，加热时间≥10分钟且保持T≥1600℃，待渣颜色转变时取样分析；继续根据渣的颜色情况进行炉渣调整；加入第二批还原剂继续还原，加热时间≥6分钟，然后进行脱气，脱气温度T≥1660℃，真空度达到极限真空度30-40Pa，保持时间≥15分钟，真空完毕后取样分析；吊包温度为熔点温度以上50-60℃； 

(d)模铸浇注 

在模铸过程中，使用保护渣并氩气保护浇注，结束浇铸后加发热剂以 及碳化稻谷保温，保温1-2小时后起吊，热送初轧生产线； 

(2)原料钢的初轧 

(a)均热炉加热所述原料钢钢锭 

钢锭的入炉温度为600-650℃，保温90-120分钟；然后以60-80℃／小时的速度升温至1180-1200℃，保温210-240分钟，钢锭阴阳面温度差≤20℃，钢锭出均热炉后进入初轧机热加工轧制； 

(b)初轧机轧制 

初轧机的轧辊预热至150-250℃，钢锭开轧温度≥1130℃，终轧温度≥950℃；1-3火次轧制，共39-45个压下道次完成； 

(3)真空感应炉熔炼 

将初轧并剪切的原料钢与纯金属料按所述汽轮机叶片用钢的化学成分进行配比后进行熔炼，并在1580-1600℃精炼，然后放入真空感应炉的坩锅中，进行预热；当真空度≤2.7MPa时开始熔化，补加锰和氮化铬铁至最终成分，并在1570-1590℃出钢，进行浇注； 

(4)电渣重熔熔炼 

将浇注的汽轮机叶片用钢电极棒进行表面剥皮、涂覆Al粉，然后进行电渣重熔，以得到成分均匀的电渣锭。 

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的合金料包括纯铁或返回废钢。 

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤(c)中所用的还原剂为由生石灰10-30kg／吨、萤石5-10kg／吨和铝2-4kg／吨构成。 

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，第二批还原剂由生石灰5-10kg／吨和铝2-4kg／吨构成。 

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在初轧机轧制的39-45个压下道次中，第一阶段，压下道次为15-24道，轧辊速度控制在10-20转／分，压下量为20-30mm；第二阶段，压下量为30-50mm，且快速轧制。 

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，初轧后轧坯的规格是100×100到140×140mm²。 

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，初轧后的轧坯再热剪切成1000-1300mm长，进行堆冷后送真空感应炉生产线以备汽轮机叶片用钢熔 炼使用。 

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，真空感应炉熔炼中，所述纯金属料是Ni≥99.9％的纯镍、Cr≥99.9％的纯铬、Mo≥99.95％的纯钼、W≥99.9％的纯钨、V≥99.9％纯钒和／或Nb≥99.9％的纯铌。 

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，熔炼中，熔化功率为400-800kW，熔化期间控制真空度≤6MPa；全熔后以900-1000kW功率升温，8-12分钟后降至250-300kW，进行保温。 

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，浇注的锭型规格为φ290-520mm的电极棒。 

11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，电渣重熔中，采用直径D与电极d满足d=(0.4-0.85)D的结晶器；渣量配比是CaF₂：Al₂O₃：MgO=(60-65)：(35-30)：5；渣量w与电渣钢锭重量W满足w=(4-5％)W。 

12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，电渣重熔中，电渣时采用同钢种引锭板，先进行化渣，当渣料熔化完后开始电渣，加电流过程缓慢上升至规定值后，转入正常电渣重熔冶炼。 

13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，化渣制度为：电压50-55V、电流2000-5000A、时间≥40分钟。 

14.如权利要求1所述的方法，其特征在于，电渣重熔冶炼的用电制度为：电压58-64V、电流13000-14000A。 

15.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在电渣重熔冶炼的后期封顶阶段，逐渐降电流，每次降电流500-1000A，采用间断给电流封顶，封顶时间≥40分钟，封顶完毕后冷却60-80分钟后脱模。 

16.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所得电渣锭直径为φ500-700mm。 

17.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括对电渣锭缓冷，缓冷时间控制在20-60分钟。 

18.如权利要求1所述的方法，其特征在于，电渣重熔冶炼完成后脱模，脱膜的锭子马上进退火炉进行热装退火。 

19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，脱模后20分钟内进退火炉进行热装退火。 

20.如权利要求18或19所述的方法，其特征在于，退火的工艺制度：温度650-720℃，保温时间≥4小时。 

21.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述汽轮机叶片用钢的横截面低倍组织类别满足：一般疏松≤1级，中心疏松≤1级，锭型偏析≤1级；非金属夹杂物类别满足：A细≤1级，A粗≤1级，B细≤1级，B粗≤0.5级，C细≤1级，C粗≤1级，D细≤1级，D粗≤1级；δ铁素体体积百分含量≤2％；晶粒度≥6级。 

22.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述汽轮机叶片用钢的横截面低倍组织类别满足：一般疏松≤0.5级，中心疏松≤0.5级，无锭型偏析；非金属夹杂物类别满足：A细≤0.5级，A粗0级，B细≤0.5级，B粗≤0.5级，C细0级，C粗0级，D细≤0.5级，D粗≤0.5级；δ铁素体体积百分含量≤2％；晶粒度≥7级。 

23.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述汽轮机叶片用钢的抗拉强度Rm为900-930MPa，屈服强度Rp0.2为760-780MPa，延伸率A％≥18％，断面收缩率Z≥64％，冲击功Akv≥55J。