CN111663082B - 一种奥氏体不锈钢精密无缝钢管及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种奥氏体不锈钢精密无缝钢管及其制备方法，一种奥氏体不锈钢精密无缝钢管按重量百分比计，组成为：C0.06‑0.12，Mn1.2‑2.0，Ni9.0‑11.0，Cr17.5‑20.0，P≤0.015，S＜0.005，V≤0.02，B＜0.002，Al＜0.08，Si＜1.0，Co＜0.2，Nb0.15‑0.25，N＜0.06，O＜30ppm，H＜5ppm，余量为Fe及其他不可避免的杂质元素；制备方法：真空冶炼→电渣重熔→加热保温→锻造→轧制→固溶→机加工→探伤→检测→清洗→入库。本发明显著提高奥氏体不锈钢耐高温和力学性能，提高不锈钢表面质量，能使不锈钢延伸率A≥40％。

Description

一种奥氏体不锈钢精密无缝钢管及其制备方法
技术领域
本发明涉及冶金领域，具体为一种奥氏体不锈钢精密无缝钢管及其制备方法。
背景技术
奥氏体不锈钢具有力学性能好、耐腐蚀性强和生产工艺性能良好等特点在电力、化工和核工业等领域得到广泛地应用。其中核工业领域对奥氏体材料要求较高，尤其是空间核动力装置的最核心最关键组件-堆芯本体中的发电元件，目前使用的是在321基础上改良的耐高温321H材质，但是此种材质一方面无法很好地满足发电元件对耐高温性和力学性能的要求；另一方面由于321H中添加Ti，会产生TiO2和TiN等夹杂物，含量高且分布不均，会降低钢的纯净度，使得铸锭表面质量差。
由于堆芯本体温度较高且奥氏体不锈钢精密无缝钢管壁厚仅有0.3mm，故要求奥氏体不锈钢材料有较好的高温强度的同时又还要保持较好的热态塑性，此种材料的制造难度较高，主要包括以下几个方面：1)冶炼纯度的要求高：包括S≤0.005、P≤0.01的控制，五害元素(As+Sb+Bi+Sn+Pb)≤0.015的控制；2)晶粒度的要求：对于锻件及棒材，由于截面尺寸较大，其热加工过程中，在整个截面的变形均匀度控制难度大，晶粒度控制在2个级差很困难；3)力学性能控制：321H在700℃左右是碳化物其析出区间，此温度下提高延伸率有相当大的难度，技术条件要求延伸率A≥40％。因此亟需一种新的技术方案，解决以上问题
发明内容
本发明提供了一种奥氏体不锈钢精密无缝钢管及其制备方法解决了现有不锈钢材料无法满足满足核动力发电元件的耐高温和力学性能的要求、纯净度低、表面质量差、延伸率小于40％的技术难题。
为实现上述目的，本发明提供了一种奥氏体不锈钢精密无缝钢管，按重量百分比计，组成为：C0.06-0.12，Mn1.2-2.0，Ni9.0-11.0，Cr17.5-20.0，P≤0.015，S＜0.005，V≤0.02，B＜0.002，Al＜0.08，Si＜1.0，Co＜0.2，Nb0.15-0.25，N＜0.06，O＜30ppm，H＜5ppm，余量为Fe及其他不可避免的杂质元素。
前述的奥氏体不锈钢精密无缝钢管，所述奥氏体不锈钢精密无缝钢管的延伸率A≥40％。
本发明还提供了一种奥氏体不锈钢精密无缝钢管的制备方法，包括以下步骤：
S1)真空冶炼：将纯铁、镍板、低磷铬铁、锰、硅铁在真空电炉中冶炼后经AOD、LF炉和VD炉精炼，铸成钢锭；
S2)电渣重熔：采用氩气保护对钢锭进行电渣重熔铸成电渣锭，并对电渣锭进行退火处理；
S3)加热保温：将电渣锭在加热炉中加热至1200℃，并保温6个小时；
S4)锻造：将电渣锭经过快锻机锻造为圆钢坯，快锻机锻造的开锻温度不低于1200℃，终锻温度不低于850℃，回炉加热保温时间不小于90分钟；
S5)轧制：对圆钢坯进行轧制，加热温度为1050℃，保温时间为3小时；
S6)固溶：对圆钢坯进行固溶热处理，将圆钢坯加热至1050～1150℃，加热保温时间为1.2min/mm，冷却方式为水冷；
S7)机加工：按图纸对圆钢坯进行机加工，制成无缝钢管；
S8)探伤：对无缝钢管内外表面进行超声波探伤；
S9)检测：对无缝钢管进行力学性能和组织检测；
S10)清洗：对无缝钢管进行清洗；
S11)入库：对无缝钢管进行包装并标识后入库。
前述的制备方法，所述步骤1之前需配料，采用新料法及适当的返回料法，原材料采用低磷、低铜的清洁废钢及原材料，并浇铸两支电极，充分浇满。
前述的制备方法，所述步骤1中包含有步骤取样，并且在出钢前拉清还原渣，确保无渣出钢，所述取样、拉渣和出钢温度范围为：取样温度≥1600℃，拉渣温度≥1660℃，出钢温度≥1630℃。
前述的制备方法，所述步骤1和步骤2中，控制As、Sb、Bi、Sn、Pb的含量，按重量百分比计，范围为As＜0.005，Sb＜0.001，Bi＜0.005，Sn＜0.002，Pb＜0.001。
前述的制备方法，步骤4中快锻的处理包含以下步骤：
S41)第一火拔长至200～300方，视温度情回炉加热温度1050±10℃，保温时间：≥90分钟；
S42)按5％左右热切电渣锭尾部，不热切电渣锭头部；
S43)探伤标示和记录内部缺陷情况；若需增加火次，回炉加热温度1050±10℃，保温时间：≥90分钟。
本发明的有益效果：1)奥氏体不锈钢精密无缝钢管具有更好的高温力学性能，耐高热性更好，高温强度更大，热态塑性及加工性能更好，表面质量更佳；2)冶炼的纯度较高；2)晶粒度控制在2个级差以内；3)奥氏体不锈钢精密无缝钢管的延伸率能达到40％以上。
附图说明
图1为本发明实施例中奥氏体不锈钢精密无缝钢管的制备方法的实施流程图。
具体实施方式
本发明提供了一种奥氏体不锈钢精密无缝钢管，按重量百分比计，组成为：C0.06-0.12，Mn1.2-2.0，Ni9.0-11.0，Cr17.5-20.0，P≤0.015，S＜0.005，V≤0.02，B＜0.002，Al＜0.08，Si＜1.0，Co＜0.2，Nb0.15-0.25，N＜0.06，0＜30ppm，H＜5ppm，余量为Fe及其他不可避免的杂质元素。
本发明的奥氏体不锈钢密无缝钢管的各元素按照上述比例进行组合之
后各元素之间具有协同效果，具体如下：
碳是强奥氏体元素，能提高强度，与氮、锰等其它元素一起作用可确保得到单相奥氏体组织，提高奥氏体不锈钢的高温强度，在本发明中，碳含量为0.06-0.12％，显著提高奥氏体不锈钢的强度。
锰是一种性价较高的奥氏体稳定化元素，能够提高氮元素在奥氏体不锈钢中的溶解度，能够降低钢的临界淬火速度，在冷却时增加奥氏体的稳定性，并且可以改善不锈钢材料的耐高温强度，在本发明中，锰含量为1.2-2.0％，能够使氮元素融入奥氏体，保证奥氏体稳定形成的同时不会增加材料的脆性。
镍是强烈稳定奥氏体并且扩大奥氏体相区的元素，但是镍会降低碳在奥氏体不锈钢中的溶解度，增强碳化物析出倾向。在本发明中，将镍的含量控制在9.0-11.0％，既可以稳定奥氏体并且扩大奥氏体相区，又能够避免碳在奥氏体不锈钢中的溶解度降低，避免碳化物析出。
铬是奥氏体不锈钢中主要的合金元素，能够使奥氏体钢具有不锈性和耐腐蚀性，但是铬同时又是铁素体形成元素。在本发明中，将铬的含量控制在17.5-20.0％，从而固溶于钢中的铬可显著提高氮含量，同时又能够避免形成铁素体，保证了单相奥氏体组织的形成。
钒能细化钢的组织和晶粒，提高晶粒粗化温度，从而降低过热敏感性，并提高钢的强度和韧性，另一方便过量地含有钒元素则效果饱和，增加成本。在本发明中，钒的含量不大于0.02，避免效果饱和。
硼能改善奥氏体不锈钢的热态塑性，只需微量的硼就能达到效果。在本发明中，硼的含量小于0.002。
铝能使钢脱氧，并且少量的铝可以细化晶粒，提高冲击韧性，但是过多的铝会影响奥氏体不锈钢的热加工性能。在本发明中，铝的含量小于0.08。
硅能使钢脱氧且可以提高奥氏体不锈钢的高温力学性能，但是硅同时又是铁素体形成元素。在本发明中，硅的含量小于1％，既可以确保提高奥氏体
不锈钢的高温力学性能，又能够避免形成铁素体，保证了奥氏体组织的形成。
钴是稀有贵重金属，在奥氏体不锈钢中加入少量的钴能够显著提高钢的耐高热性。在本发明中，钴的含量小于0.2。
铌是重要的弥散强化和固溶强化元素，在本发明中，铌的含量为9.0-11.0％，可以防止晶间腐蚀，提升奥氏体不锈钢的室温及高温力学性能。
氮是重要的固溶强化元素，能够稳定和扩大奥氏体相区，但是过量的氮元素会形成粗大的氮化物，影响奥氏体不锈钢的性能。在本发明中，氮的含量上限为0.06，既能确保氮固溶于奥氏体不锈钢的晶格中，提高奥氏体不锈钢的稳定性，同时又不会降低塑韧性。
磷、硫是不锈钢中的有害元素，会降低奥氏体不锈钢的韧性。在本发明中，磷的含量不大于0.015％，硫的含量小于0.005％，可有效避免不利影响。
本实施方式的奥氏体不锈钢精密无缝钢管的化学组成的余量为Fe及杂质，此处，杂质是指在制造钢时，由作为原料的矿石和废料混入的元素，或从制造过程的环境等混入的元素。
本发明的用于堆芯本体发电元件的奥氏体不锈钢精密无缝管中，碳含量相对较高，并且添加了微合金强化元素铌，用来代替321H材质中的钛，能有效防止晶间腐蚀的同时也不会影响奥氏体不锈钢的纯净度，同时添加钴能够显著提高钢的耐高热性，并且添加微量的硼改善奥氏体不锈钢的热态塑性，因此比现有321H奥氏体不锈钢有更好的高温力学性能，耐高热性更好，高温强度更大，热态塑性及加工性能更好，表面质量更佳。
本发明还提供了一种奥氏体不锈钢精密无缝钢管的制备方法，包括以下步骤：
1)真空冶炼：将纯铁、镍板、低磷铬铁、锰、硅铁在真空电炉中冶炼后经AOD、LF炉和VD炉精炼，铸成钢锭；
2)电渣重熔：采用氩气保护对钢锭进行电渣重熔铸成电渣锭，并对最终的电渣锭进行退火处理；
3)加热保温：将电渣锭在加热炉中加热至1200℃，并保温6个小时；
4)锻造：将电渣锭经过快锻机锻造为圆钢坯，所述快锻机锻造的开锻温度不低于1200℃，终锻温度不低于850℃，回炉加热保温时间不小于90分钟，优选的，快锻步骤如下：
5)轧制：对圆钢坯进行轧制，加热温度为1050℃，保温时间为3小时。
6)固溶：对圆钢坯进行固溶热处理，将圆钢坯加热至1050～1150℃，加热保温时间为1.2min/mm，冷却方式为水冷；
7)机加工：按图纸对圆钢坯进行机加工，制成无缝钢管；
8)探伤：对无缝钢管内外表面进行超声波探伤；
9)检测：对无缝钢管进行力学性能和组织检测；
10)清洗：对无缝钢管进行清洗；
11)入库：对无缝钢管进行包装并标识后入库。
步骤1中包含有步骤取样，并且在出钢前拉清还原渣(简称拉渣)，确保无渣出钢，所述取样、拉渣和出钢温度范围为：取样温度≥1600℃，拉渣温度≥1660℃，出钢温度≥1630℃，电炉取样温度不宜低于1600℃，低于1600℃时电炉中的钢液氧化不充分，取样分析没有效果，电炉冶炼需要拉渣后出钢，出钢温度不宜低于1630℃，否则影响钢液的流动性，而拉渣温度应比出钢温度大30℃。
步骤2在电渣重熔时，控制五害元素(As、Sb、Bi、Sn、Pb)的含量，按重量百分比计，范围为As＜0.005，Sb＜0.001，Bi＜0.005，Sn＜0.002，Pb＜0.001，可以将五害元素(As+Sb+Bi+Sn+Pb)总和控制在0.015以内，五害元素对钢危害性较大，会影响铸造质量、影响热加工性能、产生回火脆性、影响钢的塑性和韧性，所以在电渣重熔时就控制五害元素总和在0.015以内，此临界值以下对钢的影响较小。
步骤1之前需配料，采用新料法及适当的返回料法，原材料采用低磷、低铜的清洁废钢及原材料，并浇铸两支电极，充分浇满，使用新料和返回料相结合的方法可以在保证材料的冶炼质量同时降低成本，采用低磷和低铜的清洁钢可以提升奥氏体不锈钢精密无缝钢管的纯净度。
步骤1电炉中使用含有硅质还原剂，能够提高效率和产量。
步骤4中对快锻的处理包含以下步骤：
41)第一火拔长至200～300方，视温度情回炉加热温度1050±10℃，保温时间：≥90分钟；
42)按5％左右热切起弧端，即电渣锭尾部，不热切电渣锭头部；
43)探伤标示和记录内部缺陷情况；若需增加火次，回炉加热温度1050±10℃，保温时间：≥90分钟，经过上述处理可以将晶粒度控制在2个级差以内。
步骤6对圆钢坯进行固溶热处理，将圆钢坯加热至1050～1150℃，加热保温时间为1.2min/mm，冷却方式为水冷，当温度在1050～1150℃之间时，碳化物能够充分溶解，利用水冷进行快速冷却能够抑制冷却过程中第二相的析出，而且此处理结合步骤4中快锻的处理使奥氏体不锈钢精密无缝钢管的延伸率A≥40％。
实施例1
一种奥氏体不锈钢精密无缝钢管，按重量百分比计，组成为：C0.12，Mn2.0，Ni11.0，Cr20.0，P0.01，S0.003，V0.01，B0.0015，A10.07，Si0.9，Co0.1，Nb0.25，N0.04，0＜30ppm，H＜5ppm，余量为Fe及其他不可避免的杂质元素。
一种奥氏体不锈钢精密无缝钢管的制备方法，包括以下步骤：
1)将纯铁、镍板、低磷铬铁、锰、硅铁在真空电炉中冶炼后经AOD、LF炉和VD炉精炼，铸成钢锭，
2)采用氩气保护对钢锭进行电渣重熔铸成电渣锭，并对最终的电渣锭
进行退火处理；
3)将电渣锭在加热炉中加热至1200℃，并保温6个小时；
4)将电渣锭经过快锻机锻造为圆钢坯，快锻机采用40MN、60MN，快锻机锻造的开锻温度1220℃，终锻温度960℃，回炉加热保温时间90分钟；
5)对圆钢坯进行轧制，加热温度为1050℃，保温时间为3小时。
6)对圆钢坯进行固溶热处理，将圆钢坯加热至1150℃，加热保温时间为1.2min/mm，冷却方式为水冷；
7)按图纸对圆钢坯进行机加工，制成无缝钢管；
8)对无缝钢管内外表面进行超声波探伤；
9)对无缝钢管进行力学性能和组织检测；
10)对无缝钢管进行清洗；
11)对无缝钢管进行包装并标识后入库。
实施例2
一种奥氏体不锈钢精密无缝钢管，按重量百分比计，组成为：C0.06，Mn1.2，Ni9.0，Cr17.5，P0.015，S0.004，V0.02，B0.001，A10.06，Si0.8，Co0.15，Nb0.15，N0.05，0＜30ppm，H＜5ppm，余量为Fe及其他不可避免的杂质元素
一种奥氏体不锈钢精密无缝钢管的制备方法，包括以下步骤：
1)将纯铁、镍板、低磷铬铁、锰、硅铁在真空电炉中冶炼后经AOD、LF炉和VD炉精炼，铸成钢锭，
2)采用氩气保护对钢锭进行电渣重熔铸成电渣锭，并对最终的电渣锭进行退火处理；
3)将电渣锭在加热炉中加热至1200℃，并保温6个小时；
4)将电渣锭经过快锻机锻造为圆钢坯，快锻机采用40MN、60MN，快锻机锻造的开锻温度1200℃，终锻温度850℃，回炉加热保温时间90分钟；
5)对圆钢坯进行轧制，加热温度为1050℃，保温时间为3小时。
6)对圆钢坯进行固溶热处理，将圆钢坯加热至1050℃，加热保温时间为1.2min/mm，冷却方式为水冷；
7)按图纸对圆钢坯进行机加工，制成无缝钢管；
8)对无缝钢管内外表面进行超声波探伤；
9)对无缝钢管进行力学性能和组织检测；
10)对无缝钢管进行清洗；
11)对无缝钢管进行包装并标识后入库。
实施例3
一种奥氏体不锈钢精密无缝钢管，按重量百分比计，组成为：C0.10，Mn1.5，Ni10.0，Cr18，P0.012，S0.002，V0.015，B0.001，Al0.05，Si0.7，Co0.16，Nb0.2，N0.03，O＜30ppm，H＜5ppm，余量为Fe及其他不可避免的杂质元素。
一种奥氏体不锈钢精密无缝钢管的制备方法，包括以下步骤：
1)将纯铁、镍板、低磷铬铁、锰、硅铁在真空电炉中冶炼后经AOD、LF炉和VD炉精炼，铸成钢锭，
2)采用氩气保护对钢锭进行电渣重熔铸成电渣锭，并对最终的电渣锭进行退火处理；
3)将电渣锭在加热炉中加热至1200℃，并保温6个小时；
4)将电渣锭经过快锻机锻造为圆钢坯，快锻机采用40MN、60MN，快锻机锻造的开锻温度1210℃，终锻温度900℃，回炉加热保温时间90分钟；
5)对圆钢坯进行轧制，加热温度为1050℃，保温时间为3小时。
6)对圆钢坯进行固溶热处理，将圆钢坯加热至1000℃，加热保温时间为1.2min/mm，冷却方式为水冷；
7)按图纸对圆钢坯进行机加工，制成无缝钢管；
8)对无缝钢管内外表面进行超声波探伤；
9)对无缝钢管进行力学性能和组织检测；
10)对无缝钢管进行清洗；
11)对无缝钢管进行包装并标识后入库。
上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的描述，而并非对实施方式的限定，对于所属领域的技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (6)

1.一种奥氏体不锈钢精密无缝钢管，其特征在于，按重量百分比计，组成为：C0.06-0.12，Mn1.2-2.0，Ni9.0-11.0，Cr17.5-20.0，Co0.1-0.2，Si0.7-1.0，V0.01-0.02，B0.001-0.002，Al0.05-0.08，Nb0.15-0.25，N0.03-0.06，P≤0.015，S＜0.005，O＜30ppm，H＜5ppm，余量为Fe及其他不可避免的杂质元素；
一种奥氏体不锈钢精密无缝钢管的制备方法，包括以下步骤：
S1)真空冶炼：将纯铁、镍板、低磷铬铁、锰、硅铁在真空电炉中冶炼后经AOD、LF炉和VD炉精炼，铸成钢锭；
S2)电渣重熔：采用氩气保护对钢锭进行电渣重熔铸成电渣锭，并对电渣锭进行退火处理；
S3)加热保温：将电渣锭在加热炉中加热至1200℃，并保温6个小时；
S4)锻造：将电渣锭经过快锻机锻造为圆钢坯，快锻机锻造的开锻温度不低于1200℃，终锻温度不低于850℃，回炉加热保温时间不小于90分钟；
S5)轧制：对圆钢坯进行轧制，加热温度为1050℃，保温时间为3小时；
S6)固溶：对圆钢坯进行固溶热处理，将圆钢坯加热至1050～1150℃，加热保温时间为1.2min/mm，冷却方式为水冷；
S7)机加工：按图纸对圆钢坯进行机加工，制成无缝钢管；
S8)探伤：对无缝钢管内外表面进行超声波探伤；
S9)检测：对无缝钢管进行力学性能和组织检测；
S10)清洗：对无缝钢管进行清洗；
S11)入库：对无缝钢管进行包装并标识后入库。
2.根据权利要求1所述的一种奥氏体不锈钢精密无缝钢管，其特征在于，所述奥氏体不锈钢精密无缝钢管的延伸率A≥40％。
3.根据权利要求1所述的一种奥氏体不锈钢精密无缝钢管的制备方法，其特征在于，步骤S1）之前需配料，采用新料法及适当的返回料法，原材料采用低磷、低铜的清洁废钢及原材料，并浇铸两支电极，充分浇满。
4.根据权利要求1所述的一种奥氏体不锈钢精密无缝钢管的制备方法，其特征在于，步骤S1）中包含有步骤取样，并且在出钢前拉清还原渣，确保无渣出钢，取样、拉渣和出钢温度范围为：取样温度≥1600℃，拉渣温度≥1660℃，出钢温度≥1630℃。
5.根据权利要求1所述的一种奥氏体不锈钢精密无缝钢管的制备方法，其特征在于，步骤S2）中控制As、Sb、Bi、Sn、Pb的含量，按重量百分比计，范围为As＜0.005，Sb＜0.001，Bi＜0.005，Sn＜0.002，Pb＜0.001。
6.根据权利要求1所述的一种奥氏体不锈钢精密无缝钢管的制备方法，其特征在于，步骤S4）中快锻的处理包含以下步骤：
S41)第一火拔长至200～300方，回炉加热温度1050±10℃，保温时间：≥90分钟；
S42)按5％左右热切电渣锭尾部，不热切电渣锭头部；
S43)探伤标示和记录内部缺陷情况；若需增加火次，回炉加热温度1050±10℃，保温时间：≥90分钟。
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