CN109778077B - 一种核主泵泵壳材料的冶炼方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及钢水冶炼领域，具体为一种核主泵泵壳材料的冶炼方法。该方法基于材料未固溶基体中铁素体含量比例控制在8～20％设计目的，采用电炉+LF+VOD的冶炼工艺对CAP1400核主泵泵壳材料成分进行稳定控制，最终实现铁素体15～20％的控制，并且将通过熔炼方式将成分中N含量控制在0.015～0.025％，满足核主泵泵壳材料成分要求：按重量百分比计，泵壳材料的化学成分范围如下：C≤0.08％、Mn≤1.5％、Si≤2.0％、P≤0.04％、S≤0.005％、Ni8.0～11％、Cr18～21％、Mo≤0.5％、Al≤0.05％，余量为Fe；同时，也满足基于赫尔等值方程计算结果的铁素体含量要求。
Description
技术领域
本发明涉及钢水冶炼领域，具体为一种核主泵泵壳材料的冶炼方法。
背景技术
CAP1400核主泵泵壳是CAP1400核电机组中核岛内的核一级铸件，材质为ASME SA-351CF8A奥氏体不锈钢(含铁素体8～20％)，属于高温耐腐蚀承压部件。作为核电用关键件，为保证其性能稳定，必须在冶炼过程中对其成分进行稳定控制，因此有必要形成稳定的此钢种的冶炼方式。
发明内容
本发明的目的在于提供一种核主泵泵壳材料的冶炼方法，通过采用电炉+LF+VOD的冶炼工艺，能够稳定满足化学成分范围，也满足基于赫尔等值方程计算结果的铁素体含量要求。
本发明的技术方案是：
一种核主泵泵壳材料的冶炼方法，该冶炼方法采用电炉+LF炉+VOD炉的冶炼工艺，能够稳定满足化学成分范围，按重量百分含量计：C≤0.08％、Mn≤1.5％、Si≤2.0％、P≤0.04％、S≤0.005％、Ni 8.0～11％、Cr 18～21％、Mo≤0.5％、Al≤0.05％，余量为Fe；同时，满足基于赫尔等值方程计算结果的铁素体含量要求；其中，电炉采用双电炉熔炼；LF炉进行脱硫操作，调合金成分；VOD炉进行脱碳操作、控温操作；在VOD炉之后还进行还原操作，控制钢水的纯净度。
所述的核主泵泵壳材料的冶炼方法，电炉熔炼中选择两个电炉，一个电炉采用返回法，将需要的合金Cr、Ni、Mo基本在此炉中熔化；另一个电炉采用氧化法，主要控制钢水中磷的含量，将钢水中的磷含量控制在0.005wt％以下。
所述的核主泵泵壳材料的冶炼方法，第一个电炉钢水量与第二个电炉钢水重量比为2.5～3:1。
所述的核主泵泵壳材料的冶炼方法，电炉出钢后进行铝脱氧，返回法加铝量0.4～0.6kg/t，氧化法出钢时加铝量0.8～1.2kg/t；然后到LF炉进行扩散脱氧，其中SiC与硅铁粉按照1:1.5～2.5的重量比例混合添加，总加入量1.0～2.0kg/t；白渣时间高于20min，然后添加Mn及微调其它合金；钢水温度1610～1630℃、硫含量为0.005wt％以下，其关键成分碳控制在0.2～0.4wt％，硅控制在0.2～0.4wt％后出钢。
所述的核主泵泵壳材料的冶炼方法，LF炉精炼后，钢水进入VOD炉工位时，钢水温度控制在1570～1590℃，吹氧真空度控制在5～30KPa之间，氧枪高度1400～1700mm，底吹氩量保证钢液面翻开直径控制在400～700mm之间，通过实时观察系统微调；吹氧时间控制在20min之内，采用微氧分析仪对VOD中废气进行监控，确保仪器中废气二次峰完毕。
所述的核主泵泵壳材料的冶炼方法，VOD后钢水温度控制到1610～1640℃，利用钢水热量，采用直接添加石灰、硅铁粉、铝块的方式进行还原处理，真空处理时间为10～12min，碳含量≤0.04wt％，N含量0.015～0.025wt％；之后进行钢水软吹，浇注温度控制在1520～1540℃。
所述的核主泵泵壳材料的冶炼方法，经此冶炼方法能够准确将材料所需的冶炼关键成分最佳控制范围为：C 0.03～0.05wt％，Cr 19.5～20.5wt％，Ni 8.6～9.0wt％，满足铁素体含量要求。
所述的核主泵泵壳材料的冶炼方法，核主泵泵壳材料的未固溶基体中，铁素体含量比例控制在8～20wt％，最终实现铁素体含量比例15～20wt％的控制。
本发明的优点及有益效果是：
1、本发明通过双电炉熔炼的方式及配料的方法，既能够保证材料低磷含量要求，又能够节约成品。此外，配合后续精炼及VOD等工艺，保证钢水中氮含量控制在0.015～0.025％范围，保证基体具有良好的组织(未固溶基体中铁素体含量比例控制在8～20％)，满足材料性能要求。
2、本发明采用LF出钢温度、成分控制，结合后续VOD吹氧、吹氩工艺，保证整个过程中，包括后续还原操作过程都没有进行二次加热，避免碳成分出格，具有较好的工艺稳定性。
3、本发明热处理方法可广泛应用在其它不锈钢钢种的生产。
具体实施方式
在具体实施过程中，本发明核主泵泵壳材料的冶炼方法，采用电炉+LF+VOD的冶炼工艺，能够稳定满足化学成分范围，按重量百分含量计：C≤0.08％、Mn≤1.5％(优选为1.2～1.3％)、Si≤2.0％(优选为1.6～1.8％)、P≤0.04％、S≤0.005％、Ni 8.0～11％、Cr 18～21％、Mo≤0.5％(优选为0.25～0.4％)、Al≤0.05％(优选为0.020～0.04％)，余量为Fe；同时，满足基于赫尔等值方程计算结果的铁素体含量要求；其中，电炉采用双电炉熔炼；LF进行脱硫操作，调合金成分；VOD进行脱碳操作、控温操作；在VOD之后还进行还原操作，控制钢水的纯净度。
电炉熔炼中选择两个电炉，一个电炉采用返回法，将总需要的合金Cr、Ni、Mo在此炉中熔化；另一个电炉采用氧化法，主要控制钢水中磷的含量，将钢水中的磷含量控制在0.005％以下；通过这种方法，可以保证钢水中磷含量要求，又降低生产成本；同时，返回法中Cr含量高，钢水中的N含量吸收率高，经VOD合理工艺处理可使最终N含量达到0.015～0.025％。电炉出钢后进行铝脱氧，返回法加铝量0.4～0.6kg/t，氧化法出钢时加铝量0.8～1.2kg/t；然后到LF进行扩散脱氧，其中SiC与硅铁粉按照1:1.5～2.5的重量比例混合添加，总加入量1.0～2.0kg/t；白渣时间高于20min(优选为20～30min)，然后添加Mn及微调其它合金；钢水温度1610～1630℃、硫含量为0.005％以下，其关键成分碳控制在0.2～0.4％，硅控制在0.2～0.4％后出钢。LF炉精炼后，钢水进入VOD工位时，钢水温度控制在1570～1590℃，吹氧真空度控制在5～30KPa之间，氧枪高度1400～1700mm，底吹氩量保证钢液面翻开直径控制在400～700mm之间，通过实时观察系统微调；吹氧时间控制在20min之内(优选为17～20min)，采用微氧分析仪对VOD中废气进行监控，确保仪器中废气二次峰完毕。VOD后钢水温度控制到1610～1640℃，不需要采用二次电极加热的方式，利用钢水热量，采用直接添加石灰、硅铁粉、铝块的方式进行还原处理，真空处理时间为10～12min，这时的碳含量≤0.04％，N含量0.015～0.025％；之后进行钢水软吹，浇注温度控制在1520～1540℃。
下面，通过实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
本实施例中，根据以上冶炼方法所获得的核主泵泵壳材料成分如下：
根据ASME标准，铁素体含量应为8～20％，根据前面测定的化学成分，按照下列赫尔等值方程，计算铁素体含量为17.61％。
赫尔等值方程：
Creq＝Cr+1.21(Mo)+0.48(Si)-4.99
Nieq＝Ni+0.11(Mn)-0.0086(Mn)2+18.4(N)+24.5(C)+2.77
其中，Creq为铬当量，Nieq为铬当量，
表示铁素体含量(wt％)。
采用双电炉熔炼：第一个电炉为返回法熔炼，将采用低磷高Cr优质返回料，其它Cr、Ni、Mo合金也在此炉熔化，熔化后的钢水中的磷含量为0.03％；第二个电炉为氧化法熔炼，采用优质低磷废钢，熔炼后的钢水中的磷含量为0.005％。第一个电炉钢水量与第二个电炉钢水重量比约为2.85:1。
电炉出钢及LF精炼操作：电炉出钢后进行铝脱氧，返回法加铝量0.5kg/t，氧化法出钢时加铝量1kg/t。然后到LF进行扩散脱氧，其中SiC与硅铁粉按照1:2重量比例混合添加，总加入量1.5kg/t。白渣时间25min，然后添加Mn及微调其它合金。钢水温度1630℃、硫含量为0.003％，其关键成分碳控制在0.3％，硅含量控制在0.28％。
VOD工位操作：入VOD工位时钢水温度控制在1585℃，吹氧真空度初期控制在20～30KPa，后期控制在5～20KPa之间，氧枪高度初期在1500～1700mm，后期调整到1400～1500mm。底吹氩量保证钢液面翻开直径约控制在650mm，通过实时观察系统微调。吹氧时间控制在18min，采用微氧分析仪对VOD中废气进行监控，确保仪器中废气二次峰完毕。
VOD后处理操作：钢水温度达到1630℃，不需要采用二次电极加热的方式，利用钢水热量，采用直接添加石灰、硅铁粉、铝块的方式进行还原处理，真空处理时间为10min，这时的碳含量0.04％，N含量0.018％。之后进行钢水软吹，浇注温度达到1530℃，铝含量为0.03％。
实施例结果表明，材料经热处理后，满足材料性能要求。
实施例2
本实施例中，根据以上冶炼方法所获得的核主泵泵壳材料成分如下：
| 元素 | 含量(wt％) |
| C | 0.043 |
| Mn | 1.22 |
| Si | 1.71 |
| P | 0.024 |
| S | 0.002 |
| Ni | 8.94 |
| Cr | 19.77 |
| Mo | 0.33 |
| Al | 0.025 |
| Fe | 余量 |
根据ASME标准，铁素体含量应为8～20％，根据前面测定的化学成分，按照下列赫尔等值方程，计算铁素体含量为19.77％。
赫尔等值方程:
Creq＝Cr+1.21(Mo)+0.48(Si)-4.99
Nieq＝Ni+0.11(Mn)-0.0086(Mn)2+18.4(N)+24.5(C)+2.77
其中，Creq为铬当量，Nieq为铬当量，
表示铁素体含量(wt％)。
采用双电炉熔炼：第一个电炉为返回法熔炼，将采用低磷高Cr优质返回料，其它Cr、Ni、Mo合金也在此炉熔化，熔化后的钢水中的磷含量为0.03％；第二个电炉为氧化法熔炼，采用优质低磷废钢，熔炼后的钢水中的磷含量为0.003％。第一个电炉钢水量与第二个电炉钢水重量比约为2.8:1。
电炉出钢及LF精炼操作：电炉出钢后进行铝脱氧，返回法加铝量0.5kg/t，氧化法出钢时加铝量1kg/t。然后到LF进行扩散脱氧，其中SiC与硅铁粉按照1:2重量比例混合添加，总加入量1.5kg/t。白渣时间35min，然后添加Mn及微调其它合金。钢水温度1630℃、硫含量为0.003％，其关键成分碳控制在0.35％，硅含量控制在0.35％。
VOD工位操作：入VOD工位时钢水温度控制在1575℃，吹氧真空度初期控制在20～30KPa，后期控制在5～20KPa之间，氧枪高度初期在1500～1700mm，后期调整到1400～1500mm。底吹氩量保证钢液面翻开直径约控制在450mm，通过实时观察系统微调。吹氧时间控制在19min，采用微氧分析仪对VOD中废气进行监控，确保仪器中废气二次峰完毕。
VOD后处理操作：钢水温度达到1635℃，不需要采用二次电极加热的方式，利用钢水热量，采用直接添加石灰、硅铁粉、铝块的方式进行还原处理，真空处理时间为12min，这时的碳含量0.043％，N含量0.022％。之后进行钢水软吹，浇注温度达到1525℃，铝含量为0.025％。
实施例结果表明，材料经热处理后，满足材料性能要求。
实施例3
本实施例中，根据以上冶炼方法所获得的核主泵泵壳材料成分如下：
| 元素 | 含量(wt％) |
| C | 0.031 |
| Mn | 1.16 |
| Si | 1.71 |
| P | 0.025 |
| S | 0.001 |
| Ni | 8.86 |
| Cr | 19.97 |
| Mo | 0.33 |
| Al | 0.02 |
| Fe | 余量 |
根据ASME标准，铁素体含量应为8～20％，根据前面测定的化学成分，按照下列赫尔等值方程，计算铁素体含量为18.51％。
赫尔等值方程:
Creq＝Cr+1.21(Mo)+0.48(Si)-4.99
Nieq＝Ni+0.11(Mn)-0.0086(Mn)2+18.4(N)+24.5(C)+2.77
其中，Creq为铬当量，Nieq为铬当量，
表示铁素体含量(wt％)。
采用双电炉熔炼：第一个电炉为返回法熔炼，将采用低磷高Cr优质返回料，其它Cr、Ni、Mo合金也在此炉熔化，熔化后的钢水中的磷含量为0.031％；第二个电炉为氧化法熔炼，采用优质低磷废钢，熔炼后的钢水中的磷含量为0.005％。第一个电炉钢水量与第二个电炉钢水重量比约为2.9:1。
电炉出钢及LF精炼操作：电炉出钢后进行铝脱氧，返回法加铝量0.5kg/t，氧化法出钢时加铝量1kg/t。然后到LF进行扩散脱氧，其中SiC与硅铁粉按照1:2重量比例混合添加，总加入量1.5kg/t。白渣时间25min，然后添加Mn及微调其它合金。钢水温度1630℃、硫含量为0.001％，其关键成分碳控制在0.4％，硅含量控制在0.24％。
VOD工位操作：入VOD工位时钢水温度控制在1580℃，吹氧真空度初期控制在20～30KPa，后期控制在5～20KPa之间，氧枪高度初期在1500～1700mm，后期调整到1400～1500mm。底吹氩量保证钢液面翻开直径约控制在550mm，通过实时观察系统微调。吹氧时间控制在20min，采用微氧分析仪对VOD中废气进行监控，确保仪器中废气二次峰完毕。
VOD后处理操作：钢水温度达到1630℃，不需要采用二次电极加热的方式，利用钢水热量，采用直接添加石灰、硅铁粉、铝块的方式进行还原处理，真空处理时间为12min，这时的碳含量0.031％，N含量0.018％。之后进行钢水软吹，浇注温度达到1535℃，铝含量为0.02％。
实施例结果表明，材料经热处理后，满足材料性能要求。
Claims (5)
1.一种核主泵泵壳材料的冶炼方法，其特征在于，该冶炼方法采用电炉+LF炉+VOD炉的冶炼工艺，能够稳定满足化学成分范围，按重量百分含量计：C ≤0.08%、Mn ≤1.5%、Si ≤2.0%、P≤0.04%、S≤0.005%、Ni 8.0～11%、Cr 18～21%、Mo≤ 0.5%、Al≤0.05%，余量为Fe；同时，满足基于赫尔等值方程计算结果的铁素体含量要求；其中，电炉采用双电炉熔炼；LF炉进行脱硫操作，调合金成分；VOD炉进行脱碳操作、控温操作；在VOD炉之后还进行还原操作，控制钢水的纯净度；
电炉出钢后进行铝脱氧，返回法加铝量0.4～0.6kg/t，氧化法出钢时加铝量0.8～1.2kg/t；然后到LF炉进行扩散脱氧，其中SiC与硅铁粉按照1:1.5～2.5的重量比例混合添加，总加入量1.0～2.0kg/t；白渣时间高于20min，然后添加Mn及微调其它合金；钢水温度1610～1630℃、硫含量为0.005wt%以下，其关键成分碳控制在0.2～0.4wt%，硅控制在0.2～0.4wt%后出钢；
LF炉精炼后，钢水进入VOD炉工位时，钢水温度控制在1570～1590℃，吹氧真空度控制在5～30KPa之间，氧枪高度1400～1700mm，底吹氩量保证钢液面翻开直径控制在400～700mm之间，通过实时观察系统微调；吹氧时间控制在20min之内，采用微氧分析仪对VOD中废气进行监控，确保仪器中废气二次峰完毕；
VOD后钢水温度控制到1610～1640℃，利用钢水热量，采用直接添加石灰、硅铁粉、铝块的方式进行还原处理，真空处理时间为10～12min，碳含量≤0.04wt%，N含量0.015～0.025wt%；之后进行钢水软吹，浇注温度控制在1520～1540℃。
2.根据权利要求1所述的核主泵泵壳材料的冶炼方法，其特征在于，电炉熔炼中选择两个电炉，一个电炉采用返回法，将需要的合金Cr、Ni、Mo基本在此炉中熔化；另一个电炉采用氧化法，主要控制钢水中磷的含量，将钢水中的磷含量控制在0.005wt%以下。
3.根据权利要求2所述的核主泵泵壳材料的冶炼方法，其特征在于，第一个电炉钢水量与第二个电炉钢水重量比为2.5～3:1。
4.根据权利要求1至3之一所述的核主泵泵壳材料的冶炼方法，其特征在于，经此冶炼方法能够准确将材料所需的冶炼关键成分最佳控制范围为：C 0.03～0.05wt%，Cr 19.5～20.5wt%，Ni 8.6～9.0wt%，满足铁素体含量要求。
5.根据权利要求4所述的核主泵泵壳材料的冶炼方法，其特征在于，核主泵泵壳材料的未固溶基体中，铁素体含量比例控制在8～20wt%，最终实现铁素体含量比例15～20wt%的控制。
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