CN109440011A - 一种真空感应炉冶炼低合金含氮焊丝钢及其冶炼方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种含氮结构钢，按质量百分比计，包括≥2％的N和≤5％的Cr。本发明通过采用真空感应炉冶炼，利用温度、氮的分压以及其他动力学因素，来改变氮在钢中溶解度，得到了低合金含氮焊丝钢。本发明实现了在没有高压熔炼设备的情况下工业化制造高氮钢，特别是实现了高纯度的高氮钢的制造。本发明提供的含氮结构钢，满足了第四代先进核能系统的蒸发器的焊接工艺要求和熔覆金属的性能要求。

Description

一种真空感应炉冶炼低合金含氮焊丝钢及其冶炼方法
技术领域
本发明属于第四代核能系统的蒸发器的焊接技术领域，涉及一种含氮结构钢及其冶炼方法，特别涉及一种真空感应炉冶炼低合金含氮焊丝钢及其冶炼方法。
背景技术
TMSR核能系统是指第四代裂变反应堆核能系统，是中科院未来10年先导研究专项之一。计划至2020年之前建成2MW钍基熔盐实验堆，形成支撑未来TMSR核能系统发展的若干技术研发能力，并解决钍铀燃料循环和钍基熔盐堆相关重大技术挑战，研制出工业示范级钍基熔盐堆，实现针对资源的有效使用和核能的综合利用。TMSR核能系统包括：钍铀核燃料的制备、熔盐反应堆、钍基熔盐堆燃料(废料)的后处理。在现阶段，TMSR核能系统还有许多技术需要实现，一是建成2MW钍基熔盐实验堆，掌握相关的关键技术；二是形成支撑未来TMSR核能系统发展的若干技术研发能力。因而，领域内的诸多研究人员都在为此不断的努力探索中。
在领域内，通常把核电站的组成设备称为核电设备。建造核电站的设备主要分为三类：核岛设备、常规岛设备、辅助系统(BOP)。这其中，核岛设备是承担热核反应的主要部分，技术含量最高，对安全设计的要求也最高。而核电蒸汽发生器(steam generator，sg，简称蒸发器)是核岛内的三大设备之一，是压水堆核电厂一回路、二回路的边界，它将反应堆产生的热量传递给蒸汽发生器二次侧，产生的蒸汽经一、二级汽水分离器干燥后推动汽轮发电机发电。作为核电站最为关键的主要设备之一，蒸汽发生器与反应堆压力容器相连，不仅直接影响电站的功率与效率，而且在进行热量交换时，还起着阻隔放射性载热剂的作用，对核电站安全至关重要。因此，蒸汽发生器的一级安全等级、I类抗震类别、一级规范级别和Q1级的质量要求，以及材料和制造的高技术含量均为当代制造业之最。
因而，在制备第四代先进核能系统的蒸发器时，为了保证其安全等级和质量要求，需要采用特种焊丝进行焊接。但是专用焊接焊丝在国内是空白，而且也无法进口，相关的进口或国产替代品也无法满足焊接工艺要求和熔覆金属的性能要求。
因此，如何能够得到一种满足上述第四代先进核能系统的蒸发器的焊接工艺要求和熔覆金属的性能要求的特种焊丝，填补相关领域的空白，已成为业内诸多一线研究人员亟待解决的问题之一。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种含氮结构钢及其冶炼方法，特别是一种真空感应炉冶炼低合金含氮焊丝钢中氮含量的控制方法，本发明采用真空感应炉冶炼，制备得到了高纯度含氮焊丝钢，满足了第四代先进核能系统的蒸发器的焊接工艺要求和熔覆金属的性能要求。
本发明提供了一种含氮结构钢，按质量百分比计，包括：
N：≥0.02％；
Cr：≤5％。
优选的，所述含氮结构钢还包括：
Mn：0.50％～1.20％；
所述含氮结构钢包括含氮焊丝钢。
优选的，所述N为0.02％～0.03％；
所述Cr为2.4％～2.6％；
所述含氮结构钢，按质量百分比计，还包括：
C：0.12％～0.15％；
Si：0.05％～0.12％；
Mn：0.70％～0.80％；
P：≤0.005％；
S：≤0.003％；
Mo：0.98％～1.10％；
Cu：≤0.05％；
Ni：0.10％～0.20％；
Ti：≤0.005％；
Al：0.07％～0.12％；
小于等于0.1％的杂质元素以及余量的Fe；
所述含氮结构钢为核能系统的蒸发器焊接用含氮焊丝钢。
优选的，所述杂质元素，按质量百分比计，包括：
O：≤0.004％；
H：≤0.00015％；
Pb：≤0.004％；
Sn：≤0.004％；
As：≤0.005％；
Sb：≤0.004％；
Bi：≤0.001％；
V：≤0.01％；
Nb：≤0.001％；
Co：≤0.05％。
本发明提供了一种如上述技术方案任意一项所述的含氮结构钢的冶炼方法，包括以下步骤：
1)将原料进行真空精炼后，得到精炼后的半成品；
2)在保护气体的条件下，向上述步骤得到的精炼后的半成品中加入氮化铬，进行高压熔炼后，得到高压熔炼后的半成品；
3)将上述步骤得到的高压熔炼后的半成品经过浇注和加压冷却后，得到含氮结构钢。
优选的，所述原料包括单晶硅、金属Cr、氮化铬、金属钼、纯铁、碳块、金属铝和金属锰；
所述真空精炼的绝对压力为小于等于2.7Pa。
优选的，所述真空精炼的具体步骤为：
11)将原料全熔后，然后升温进行高温脱氧脱氮，再进入精炼期，随后充入惰性气体并加入Mn，搅拌调节成分后，得到精炼后的半成品。
优选的，所述全熔的温度为1520～1530℃；
所述高温脱氧脱氮的温度为1630～1650℃；
所述高温脱氧脱氮的时间为15～25分钟；
所述精炼期的温度为1600～1620℃；
所述精炼期的时间为40～60分钟。
优选的，所述氮化铬的加入量与原料总质量的比例为1.5％～1.8％；
所述高压熔炼的压力为30～50KPa；
所述高压熔炼的温度为1600～1620℃；
所述高压熔炼的时间为5～10分钟；
所述浇注具体为浇注成棒材。
优选的，所述棒材的直径为240～360mm；
所述浇注的温度为1600～1620℃；
所述加压冷却的方式为炉冷；
所述加压冷却的压力为20～30KPa；
所述加压冷却的时间为大于等于12小时。
本发明提供了一种含氮结构钢，按质量百分比计，包括≥2％的N和≤5％的Cr。与现有技术相比，本发明针对现有的焊丝不能满足第四代先进核能系统的蒸发器的焊接工艺要求和熔覆金属的性能要求的问题。本发明通过采用真空感应炉冶炼，利用温度、氮的分压以及其他动力学因素，来改变氮在钢中溶解度，得到了低合金含氮焊丝钢。本发明实现了在没有高压熔炼设备的情况下工业化制造高氮钢，特别是实现了高纯度的高氮钢的制造。本发明提供的含氮结构钢，满足了第四代先进核能系统的蒸发器的焊接工艺要求和熔覆金属的性能要求。
实验结果表明，经中国原子能科学研究院对本方法制备的含氮焊丝钢进行评定，满足GYHR-CFR-SG-S-0008《蒸汽发生器结构材料评定总体技术方案》的焊接工艺要求和质量要求。
附图说明
图1为本发明提供的真空感应炉冶炼低合金含氮焊丝钢的真空感应炉冶炼功率曲线图。
具体实施方式
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
本发明所有原料，对其来源没有特别限制，在市场上购买的或按照本领域技术人员熟知的常规方法制备的即可。
本发明所有原料，对其纯度没有特别限制，本发明优选采用工业纯或低合金高氮焊丝钢制备领域使用的常规纯度。
本发明所有原料，其牌号和简称均属于本领域常规牌号和简称，每个牌号和简称在其相关用途的领域内均是清楚明确的，本领域技术人员根据牌号、简称以及相应的用途，能够从市售中购买得到或常规方法制备得到。
本发明所有工艺，其简称均属于本领域的常规简称，每个简称在其相关用途的领域内均是清楚明确的，本领域技术人员根据简称，能够理解其常规的工艺步骤。
在本发明中所述满足第四代先进核能系统的蒸发器的焊接工艺要求和熔覆金属的性能要求，也可以理解为满足美标ASME锅炉及压力容器规范国际性规范II中的相关焊接工艺要求和熔覆金属的性能要求。
本发明提供了一种含氮结构钢，其特征在于，按质量百分比计，包括：
N：≥0.02％；
Cr：≤5％。
本发明提供的含氮结构钢，更优选是指含氮焊丝钢，更优选为低合金含氮焊丝钢，更优选为用于核能系统的蒸发器焊接用的含氮焊丝钢，按质量百分比组成，所述元素N的质量百分比含量优选大于等于0.02％，更优选大于等于0.025％，更优选大于等于0.028％，具体可以为0.02％～0.03％，也可以为0.022％～0.028％，或者为0.024％～0.026％。所述元素Cr的质量百分比含量优选小于等于5％，更优选小于等于4％，更优选小于等于3％，具体可以为2.4％～2.6％，也可以为2.42％～2.58％，或者为2.45％～2.55％，或者为2.47％～2.53％。
本发明原则上对所述含氮结构钢的其他元素的含量没有特别限制，以本领域技术人员熟知的常规含氮钢丝钢中常规元素的含量控制范围即可，本领域技术人员可以根据实际应用情况、产品要求以及质量要求进行选择和调整，本发明为更好的满足第四代先进核能系统的蒸发器的焊接工艺要求和熔覆金属的性能要求，所述含氮结构钢，按质量百分比计，优选还包括Mn：0.50％～1.20％，更优选为0.60％～1.10％，更优选为0.70％～1.00％，更优选为0.80％～0.90％。
本发明原则上对所述含氮结构钢的其他元素的含量没有特别限制，以本领域技术人员熟知的常规含氮钢丝钢中常规元素的含量控制范围即可，本领域技术人员可以根据实际应用情况、产品要求以及质量要求进行选择和调整，本发明为更好的满足第四代先进核能系统的蒸发器的焊接工艺要求和熔覆金属的性能要求，所述含氮结构钢，按质量百分比计，优选还包括：
C：0.12％～0.15％；
Si：0.05％～0.12％；
Mn：0.70％～0.80％；
P：≤0.005％；
S：≤0.003％；
Mo：0.98％～1.10％；
Cu：≤0.05％；
Ni：0.10％～0.20％；
Ti：≤0.005％；
Al：0.07％～0.12％；
小于等于0.1％的杂质元素以及余量的Fe。
本发明原则上对所述含氮结构钢的其他元素的具体含量没有特别限制，以本领域技术人员熟知的常规含氮钢丝钢中常规元素的含量控制范围即可，本领域技术人员可以根据实际应用情况、产品要求以及质量要求进行选择和调整，本发明为更好的满足第四代先进核能系统的蒸发器的焊接工艺要求和熔覆金属的性能要求，按质量百分比组成，所述元素C的质量百分比含量优选为0.12％～0.15％，更优选为0.125％～0.145％，更优选为0.13％～0.14％。所述元素Si的质量百分比含量优选为0.05％～0.12％，更优选为0.06％～0.11％，更优选为0.07％～0.10％，更优选为0.08％～0.09％。所述元素Mn的质量百分比含量优选为0.70％～0.80％，更优选为0.72％～0.78％，更优选为0.74％～0.76％。所述元素P的质量百分比含量可以≤0.005％，也可以≤0.004％，或者≤0.003％。所述元素S的质量百分比含量可以≤0.003％，也可以≤0.002％，或者≤0.001％。所述元素Mo的质量百分比含量优选为0.98％～1.10％，更优选为1.00％～1.08％，更优选为1.02％～1.06％。所述元素Cu的质量百分比含量可以≤0.05％，也可以≤0.04％，或者≤0.03％。所述元素Ni的质量百分比含量优选为0.10％～0.20％，更优选为0.12％～0.18％，更优选为0.14％～0.16％。所述元素Ti的质量百分比含量可以≤0.005％，也可以≤0.004％，或者≤0.003％。所述元素Al的质量百分比含量优选为0.07％～0.12％，更优选为0.08％～0.11％，更优选为0.09％～0.10％。
本发明原则上对所述含氮结构钢的杂质元素的具体含量没有特别限制，以本领域技术人员熟知的常规含氮钢丝钢中常规的杂质元素含量控制范围即可，本领域技术人员可以根据实际应用情况、产品要求以及质量要求进行选择和调整，上述元素含量中采用小于等于限定的元素也可以认为是杂质元素，本发明为更好的满足第四代先进核能系统的蒸发器的焊接工艺要求和熔覆金属的性能要求，按质量百分比组成，所述元素中除了前述部分元素，还包括小于等于0.1％的杂质元素，更优选小于等于0.08％的杂质元素，更优选小于等于0.06％的杂质元素。本发明所述杂质元素中，按质量百分比计，优选包括：
O：≤0.004％；
H：≤0.00015％；
Pb：≤0.004％；
Sn：≤0.004％；
As：≤0.005％；
Sb：≤0.004％；
Bi：≤0.001％；
V：≤0.01％；
Nb：≤0.001％；
Co：≤0.05％。
本发明原则上对所述含氮结构钢的上述杂质元素的具体含量没有特别限制，以本领域技术人员熟知的常规含氮钢丝钢中常规元素的含量控制范围即可，本领域技术人员可以根据实际应用情况、产品要求以及质量要求进行选择和调整，本发明为更好的满足第四代先进核能系统的蒸发器的焊接工艺要求和熔覆金属的性能要求，按质量百分比组成，所述元素O的质量百分比含量可以≤0.004％，也可以≤0.003％，或者≤0.002％。所述元素H的质量百分比含量可以≤0.00015％，也可以≤0.00013％，或者≤0.0001％。所述元素Pb的质量百分比含量可以≤0.004％，也可以≤0.003％，或者≤0.002％。所述元素Sn的质量百分比含量可以≤0.004％，也可以≤0.003％，或者≤0.002％。所述元素As的质量百分比含量可以≤0.005％，也可以≤0.004％，或者≤0.003％。所述元素Sb的质量百分比含量可以≤0.004％，也可以≤0.003％，或者≤0.002％。所述元素Bi的质量百分比含量可以≤0.001％，也可以≤0.0008％，或者≤0.0005％。所述元素V的质量百分比含量可以≤0.01％，也可以≤0.008％，或者≤0.005％。所述元素Nb的质量百分比含量可以≤0.001％，也可以≤0.0008％，或者≤0.0005％。所述元素Co的质量百分比含量可以≤0.05％，也可以≤0.04％，或者≤0.03％。
本发明上述步骤提供的含氮结构钢，是一种低合金含氮焊丝钢，该焊丝钢原则上属于牌号为F8P2-EB3-B3低合金钢焊丝或EB3R低合金钢焊丝。本发明为了更好的满足第四代先进核能系统的蒸发器的焊接工艺要求和熔覆金属的性能要求，完整和细化焊丝配方，上述含氮结构钢按照其属类，具体可以参见表1和表2。表1和表2为本发明提供的含氮结构钢化学元素含量。
表1wt％
牌号：F8P2-EB3-B3
表2wt％
牌号：EB3R
本发明还提供了一种如上述技术方案任意一项所述的含氮结构钢的冶炼方法，包括以下步骤：
1)将原料进行真空精炼后，得到精炼后的半成品；
2)在保护气体的条件下，向上述步骤得到的精炼后的半成品中加入氮化铬，进行高压熔炼后，得到高压熔炼后的半成品；
3)将上述步骤得到的高压熔炼后的半成品经过浇注和加压冷却后，得到含氮结构钢。
本发明对上述冶炼方法中所需原料和产品的比例和选择，以及相应的优选原则，与前述含氮结构钢中所对应原料的比例和选择，以及相应的优选原则均可以进行对应，在此不再一一赘述。
本发明首先将原料进行真空精炼后，得到精炼后的半成品。
本发明原则上对所述原料的具体选择没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际生产情况、产品要求以及质量要求进行选择和调整，本发明为更好的满足第四代先进核能系统的蒸发器的焊接工艺要求和熔覆金属的性能要求，所述原料优选包括单晶硅、金属Cr、氮化铬、金属钼、纯铁、碳块、金属铝和金属锰。
本发明原则上对所述真空精炼的具体工艺参数没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际生产情况、产品要求以及质量要求进行选择和调整，本发明为更好的满足第四代先进核能系统的蒸发器的焊接工艺要求和熔覆金属的性能要求，所述真空精炼的绝对压力优选小于等于2.7Pa，更优选小于等于2.0Pa，更优选小于等于1.5Pa。本发明为进一步保证产品的性能，完整和细化工艺过程，所述真空精炼的具体步骤，即步骤1)优选为：
11)将原料全熔后，然后升温进行高温脱氧脱氮，再进入精炼期，随后充入惰性气体并加入Mn，搅拌调节成分后，得到精炼后的半成品。
本发明原则上对所述原料全熔的具体工艺参数没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际生产情况、产品要求以及质量要求进行选择和调整，本发明为更好的满足第四代先进核能系统的蒸发器的焊接工艺要求和熔覆金属的性能要求，所述全熔的温度优选为1520～1530℃，更优选为1522～1528℃，更优选为1524～1526℃。
本发明原则上对所述高温脱氧脱氮的具体工艺参数没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际生产情况、产品要求以及质量要求进行选择和调整，本发明为更好的满足第四代先进核能系统的蒸发器的焊接工艺要求和熔覆金属的性能要求，所述高温脱氧脱氮的温度优选为1630～1650℃，更优选为1632～1648℃，更优选为1635～1645℃，更优选为1638～1642℃。所述高温脱氧脱氮的时间优选为15～25分钟，更优选为17～23分钟，更优选为19～21分钟。
本发明原则上对所述高温脱氧脱氮的具体工艺参数没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际生产情况、产品要求以及质量要求进行选择和调整，本发明为更好的满足第四代先进核能系统的蒸发器的焊接工艺要求和熔覆金属的性能要求，所述高温脱氧脱氮的温度优选为1630～1650℃，更优选为1632～1648℃，更优选为1635～1645℃，更优选为1638～1642℃。所述高温脱氧脱氮的时间优选为15～25分钟，更优选为17～23分钟，更优选为19～21分钟。
本发明原则上对所述精炼期的具体工艺参数没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际生产情况、产品要求以及质量要求进行选择和调整，本发明为更好的满足第四代先进核能系统的蒸发器的焊接工艺要求和熔覆金属的性能要求，所述精炼期的温度优选为1600～1620℃，更优选为1603～1618℃，更优选为1605～1615℃，更优选为1608～1612℃。所述精炼期的时间优选为40～60分钟，更优选为42～58分钟，更优选为45～55分钟，更优选为47～53分钟。
本发明对所述惰性气体的选择和压力没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际生产情况、产品要求以及质量要求进行选择和调整，本发明所述惰性气体优选为氩气。所述惰性气体的压力优选为30～50KPa，更优选为32～48KPa，更优选为35～45KPa，更优选为37～43KPa。
本发明通过上述优选的特定的真空精炼步骤，并且在加入Mn元素时采用充压的半真空状态加入，再充分调节成分的配比，使得除氮以外的所有成分满足要求后进入后续高压熔炼步骤。本发明随后在保护气体的条件下，向上述步骤得到的精炼后的半成品中加入氮化铬，进行高压熔炼后，得到高压熔炼后的半成品。
本发明原则上对所述氮化铬的加入量没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际生产情况、产品要求以及质量要求进行选择和调整，本发明为更好的满足第四代先进核能系统的蒸发器的焊接工艺要求和熔覆金属的性能要求，所述氮化铬的加入量与原料总质量的比例优选为1.5％～1.8％，更优选为1.55％～1.75％，更优选为1.6％～1.7％。
本发明对所述保护气体没有特别限制，以本领域技术人员熟知的常规的保护气体即可，本领域技术人员可以根据实际生产情况、产品要求以及质量要求进行选择和调整，本发明所述保护气体优选为惰性气体，更优选为氩气。
本发明原则上对所述高压熔炼的工艺参数没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际生产情况、产品要求以及质量要求进行选择和调整，本发明为更好的满足第四代先进核能系统的蒸发器的焊接工艺要求和熔覆金属的性能要求，所述高压熔炼的压力特别优选为30～50KPa，更优选为33～48KPa，更优选为35～45KPa，更优选为37～43KPa。所述高压熔炼的温度优选为1600～1620℃，更优选为1603～1618℃，更优选为1605～1615℃，更优选为1608～1612℃。所述高压熔炼的时间优选为5～10分钟，更优选为6～9分钟，更优选为7～8分钟。
本发明最后将上述步骤得到的高压熔炼后的半成品经过浇注和加压冷却后，得到含氮结构钢。
本发明原则上对所述浇注的工艺参数没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际生产情况、产品要求以及质量要求进行选择和调整，本发明为更好的满足第四代先进核能系统的蒸发器的焊接工艺要求和熔覆金属的性能要求，所述浇注的温度优选为1600～1620℃，更优选为1603～1618℃，更优选为1605～1615℃，更优选为1608～1612℃。所述浇注具体优选为浇注成棒材。所述棒材的直径为240～360mm，更优选为260～340mm，更优选为280～320mm。
本发明原则上对所述加压冷却的工艺参数没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际生产情况、产品要求以及质量要求进行选择和调整，本发明为更好的满足第四代先进核能系统的蒸发器的焊接工艺要求和熔覆金属的性能要求，所述加压冷却的压力优选为20～30KPa，更优选为22～28KPa，更优选为24～26KPa。所述加压冷却的时间优选大于等于12小时，更优选大于等于15小时，更优选大于等于20小时。
本发明通过上述特定压力下的增压熔炼步骤，结合温度和时间的控制，最大程度的提高了含氮结构钢中的氮含量，得到了低合金含氮焊丝钢。本发明为了更好的满足第四代先进核能系统的蒸发器的焊接工艺要求和熔覆金属的性能要求，完整和细化整体生产工艺过程，上述含氮结构钢的具体生产步骤，可以为以下步骤：
1、原材料：单晶硅、金属Cr、氮化铬、金属钼、纯铁、碳块、金属铝、金属锰，原料成分准确无误、清洁、干燥、无油、无锈。
2、设备能力：极限真空度≤1Pa，最大加压能力≥30000Pa。
3、工艺要求：真空度≤2.7Pa，开始装料。
全熔后升温至沸腾脱氧氮保持20分钟取样。进入精炼期温度控制1600～1620℃，保持并搅拌。调成分充分搅拌充氩加Mn，稳定后取成品样，样回后调成分。
4、除氮以外的所有成分满足要求后转高压熔炼。本钢要求炉中压力20000～30000Pa；
增压方式：充氩气达到压力要求。温度控制1600～1620℃。一次加入氮化铬。
5、浇注：φ360mm电极棒，浇注温度1600～1620℃。
6、冷却：铸锭后炉冷，保持压力20000～30000Pa小时后允许破空，电极棒模冷时间≥12小时。
参见图1，图1为本发明提供的真空感应炉冶炼低合金含氮焊丝钢的真空感应炉冶炼功率曲线图。
本发明上述步骤提供了一种真空感应炉冶炼低合金含氮焊丝钢及其冶炼方法，本发明通过采用真空感应炉冶炼，利用温度、氮的分压以及其他动力学因素，来改变氮在钢中溶解度，得到了低合金含氮焊丝钢。本发明通过优选的特定的真空精炼步骤，并且在加入Mn元素时采用充压的半真空状态加入，再充分调节成分的配比，使得除氮以外的所有成分满足要求后进入后续高压熔炼步骤；再通过上述特定压力下的增压熔炼步骤，结合温度和时间的控制，最大程度的提高了含氮结构钢中的氮含量，得到了低合金含氮焊丝钢，最终实现了在没有高压熔炼设备的情况下工业化制造高氮钢，特别是实现了高纯度的高氮钢的制造。本发明提供的含氮结构钢，满足了第四代先进核能系统的蒸发器的焊接工艺要求和熔覆金属的性能要求，而且通过本方法制备的含氮焊丝钢，氮成分的非常稳定，工艺简单可靠。
实验结果表明，经中国原子能科学研究院对本方法制备的含氮焊丝钢进行评定，满足GYHR-CFR-SG-S-0008《蒸汽发生器结构材料评定总体技术方案》的焊接工艺要求和质量要求。
为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的一种含氮结构钢及其冶炼方法进行详细描述，但是应当理解，这些实施例是在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制，本发明的保护范围也不限于下述的实施例。
实施例1
参照表1中的各元素范围进行原料配比。
原材料：单晶硅、金属Cr、氮化铬、金属钼、纯铁、碳块、金属铝、金属锰，原料成分准确无误、清洁、干燥、无油、无锈。
设备能力：极限真空度≤1Pa，最大加压能力≥30000Pa
工艺要求：真空度≤2.7Pa，开始装料。
全熔后升温1650℃沸腾脱氧保持20分钟取样。进入精炼期温度控制1600～1620℃，保持时间大于40分钟(包括搅拌时间)。调成分充分搅拌充氩加Mn，稳定后取成品样，样回后调成分。
除氮以外的所有成分满足要求后转高压熔炼。本钢要求炉中压力30000Pa
增压方式：充氩气达到压力要求。温度控制1600～1620℃。一次或分批加入氮化铬。
浇注：电极棒，浇注温度1600～1620℃。
冷却：铸锭后炉冷，保持压力20000～30000Pa小时后允许破空，电极棒模冷时间≥12小时。
对本发明实施例1制备的电极棒进行检验。
参见表3，表3为本发明实施例1制备的真空感应炉冶炼低合金含氮焊丝钢的化学成分化验结果。
表3
牌号F8P2-EB3-B3
元素 C Si Mn P S Cr Mo Cu Ni Ti Al
含量 0.13 0.10 0.74 0.003 0.003 2.59 1.05 0.005 0.16 0.005 0.08
元素 O H N Pb Sn As Sb Bi V Nb Co
含量 0.0018 0.00005 0.025 0.0005 0.002 0.001 0.0005 0.0001 0.005 0.0003 0.005
对本发明实施例1制备的电极棒进行检测。
电极棒头部锯切20mm厚度是样片，气体式样车制成φ5mm×30mm圆柱试样，其他成分制成粉末试样。采用：
检测化学成分。
结果表明，本发明实施例1制备的电极棒在性能上完全满足ASME锅炉及压力容器规范国际性规范Ⅱ的要求。
实施例2
参照表2中的各元素范围进行原料配比。
原材料：单晶硅、金属Cr、氮化铬、金属钼、纯铁、碳块、金属铝、金属锰，原料成分准确无误、清洁、干燥、无油、无锈。
设备能力：极限真空度≤1Pa，最大加压能力≥30000Pa
工艺要求：真空度≤2.7Pa，开始装料。
全熔后升温1650℃沸腾脱氧保持20分钟取样。进入精炼期温度控制1600～1620℃，保持时间大于40分钟(包括搅拌时间)。调成分充分搅拌充氩加Mn，稳定后取成品样，样回后调成分。
除氮以外的所有成分满足要求后转高压熔炼。本钢要求炉中压力30000Pa
增压方式：充氩气达到压力要求。温度控制1600～1620℃。一次或分批加入氮化铬。
浇注：电极棒，浇注温度1600～1620℃。
冷却：铸锭后炉冷，保持压力20000～30000Pa小时后允许破空，电极棒模冷时间≥12小时。
对本发明实施例2制备的电极棒进行检验。
参见表4，表4为本发明实施例2制备的真空感应炉冶炼低合金含氮焊丝钢的化学成分化验结果。
表4
牌号EB3R
元素 C Si Mn P S Cr Mo Cu Ni Ti Al
含量 0.13 0.09 0.68 0.003 0.003 2.51 1.05 0.005 0.16 0.005 0.08
元素 O H N Pb Sn As Sb Bi V Nb Co
含量 0.0011 0.00005 0.024 0.0005 0.002 0.001 0.0005 0.0001 0.005 0.0003 0.005
对本发明实施例1制备的电极棒进行检测。
电极棒头部锯切20mm厚度是样片，气体式样车制成φ5mm×30mm圆柱试样，其他成分制成粉末试样。采用：
检测化学成分。
结果表明，本发明实施例1制备的电极棒在性能上完全满足ASME锅炉及压力容器规范国际性规范Ⅱ的要求。
以上对本发明提供的一种真空感应炉冶炼低合金含氮焊丝钢及其冶炼方法进行了详细的介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，包括最佳方式，并且也使得本领域的任何技术人员都能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，和实施任何结合的方法。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。本发明专利保护的范围通过权利要求来限定，并可包括本领域技术人员能够想到的其他实施例。如果这些其他实施例具有不是不同于权利要求文字表述的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的文字表述无实质差异的等同结构要素，那么这些其他实施例也应包含在权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种含氮结构钢，其特征在于，按质量百分比计，包括：
N：≥0.02％；
Cr：≤5％。
2.根据权利要求1所述的含氮结构钢，其特征在于，所述含氮结构钢还包括：
Mn：0.50％～1.20％；
所述含氮结构钢包括含氮焊丝钢。
3.根据权利要求1所述的含氮结构钢，其特征在于，所述N为0.02％～0.03％；
所述Cr为2.4％～2.6％；
所述含氮结构钢，按质量百分比计，还包括：
C：0.12％～0.15％；
Si：0.05％～0.12％；
Mn：0.70％～0.80％；
P：≤0.005％；
S：≤0.003％；
Mo：0.98％～1.10％；
Cu：≤0.05％；
Ni：0.10％～0.20％；
Ti：≤0.005％；
Al：0.07％～0.12％；
小于等于0.1％的杂质元素以及余量的Fe；
所述含氮结构钢为核能系统的蒸发器焊接用含氮焊丝钢。
4.根据权利要求3所述的含氮结构钢，其特征在于，所述杂质元素，按质量百分比计，包括：
O：≤0.004％；
H：≤0.00015％；
Pb：≤0.004％；
Sn：≤0.004％；
As：≤0.005％；
Sb：≤0.004％；
Bi：≤0.001％；
V：≤0.01％；
Nb：≤0.001％；
Co：≤0.05％。
5.一种如权利要求1～4任意一项所述的含氮结构钢的冶炼方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将原料进行真空精炼后，得到精炼后的半成品；
2)在保护气体的条件下，向上述步骤得到的精炼后的半成品中加入氮化铬，进行高压熔炼后，得到高压熔炼后的半成品；
3)将上述步骤得到的高压熔炼后的半成品经过浇注和加压冷却后，得到含氮结构钢。
6.根据权利要求5所述的冶炼方法，其特征在于，所述原料包括单晶硅、金属Cr、氮化铬、金属钼、纯铁、碳块、金属铝和金属锰；
所述真空精炼的绝对压力为小于等于2.7Pa。
7.根据权利要求5所述的冶炼方法，其特征在于，所述真空精炼的具体步骤为：
11)将原料全熔后，然后升温进行高温脱氧脱氮，再进入精炼期，随后充入惰性气体并加入Mn，搅拌调节成分后，得到精炼后的半成品。
8.根据权利要求7所述的冶炼方法，其特征在于，所述全熔的温度为1520～1530℃；
所述高温脱氧脱氮的温度为1630～1650℃；
所述高温脱氧脱氮的时间为15～25分钟；
所述精炼期的温度为1600～1620℃；
所述精炼期的时间为40～60分钟。
9.根据权利要求5所述的冶炼方法，其特征在于，所述氮化铬的加入量与原料总质量的比例为1.5％～1.8％；
所述高压熔炼的压力为30～50KPa；
所述高压熔炼的温度为1600～1620℃；
所述高压熔炼的时间为5～10分钟；
所述浇注具体为浇注成棒材。
10.根据权利要求9所述的冶炼方法，其特征在于，所述棒材的直径为240～360mm；
所述浇注的温度为1600～1620℃；
所述加压冷却的方式为炉冷；
所述加压冷却的压力为20～30KPa；
所述加压冷却的时间为大于等于12小时。
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