CN112501490B - 一种低硅高氮铁素体/马氏体钢坯的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于冶金材料技术领域，涉及一种低硅高氮铁素体/马氏体钢坯的制造方法。所述的制造方法依次包括如下步骤：(1)低硅高氮铁素体/马氏体钢配料真空感应炉冶炼；(2)电渣重熔；(3)重熔锭锻造：采用真空感应加电渣重熔，在冶炼过程中不添加稀土元素，并在铸锭加热后先后进行快锻机锻造、精锻机锻造、锻后退火。利用本发明的低硅高氮铁素体/马氏体钢坯的制造方法，能够得到冲击性能和抗辐照脆化性能更好的铁素体/马氏体钢坯，用于后续快堆堆芯组件用六角形外套管的加工和制造。

Description

一种低硅高氮铁素体/马氏体钢坯的制造方法

技术领域

本发明属于冶金材料技术领域，涉及一种低硅高氮铁素体/马氏体钢坯的制造方法。

背景技术

钠冷快中子反应堆(以下简称快堆)作为第四代核能系统，堆芯燃料组件相比较于重水堆或压水堆，要在更高温度下达到更高的燃耗。

快堆燃料组件中六角管是反应堆堆芯中最重要的部件之一，长期工作在360-600℃温度范围内，受冷却剂钠腐蚀以及100dpa以上高剂量的辐照损伤。随着快堆燃料燃耗的提高，在高辐照剂量下奥氏体不锈钢的抗辐照肿胀性能较差，辐照肿胀将导致材料力学性能下降，并引起组件六角形外套管的变形。外套管的肿胀变形会影响组件拔出，这也是限制组件寿命的因素之一。

铁素体/马氏体钢优点是具有高热导率以及低的热膨胀系数，最突出的优势是由于BCC晶格结构，使材料的抗辐照肿胀性能远远优于奥氏体不锈钢，作为堆芯组件结构材料可以确保在辐照条件下保持较好的几何尺寸稳定性。但这类材料在高温时的力学性能下降严重，特别是高温蠕变性能，限制了其作为堆芯包壳管材料的使用。由于快堆中外套管的温度低于包壳温度，因此铁素体/马氏体钢可以作为组件外套管材料。因此，快堆中第二代的六角形外套管材料基本都采用了抗辐照肿胀性能优异的9％-12％Cr铁素体/马氏体钢，如美国FFTF使用HT9，法国PHENIX和欧洲EFR使用EM10，俄罗斯BN600和BN800使用EP450。

但快堆外套管使用铁素体/马氏体钢带来的一个问题是辐照脆化，且在堆内辐照后DBTT升高，可能达到停堆换料时的温度。如果组件装卸操作温度低于材料韧脆转变温度，将会带来组件破损的风险。

目前国际上对铁素体/马氏体钢成分、热处理工艺开展了广泛的研究，以期提高材料的高温强度和持久性能，降低材料韧脆转变温度。国产快堆堆芯组件用低硅高氮铁素体/马氏体钢(代号CN-FMS)突出特点是添加N，控制Si，微合金化元素(C、Mn、Ni、Cr、Mo、V、W、Nb、Al、Ti等)众多；对钢坯冶炼和锻造制备工艺进行优化，采用真空感应冶炼(VIM)和电渣重熔(ESR)的双联工艺，明确了锻造(快锻和精锻)加热温度、变形比和锻后退火等工艺参数，降低O、S、P等有害元素，同时控制A、B、C、D类非金属夹杂物水平都≤1.0级，TiN夹杂物控制在≤1.0级。通过控制低Si和高N元素含量，增大锻比(≥7)，能够显著提高材料冲击性能和抗辐照脆化性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种低硅高氮铁素体/马氏体钢坯的制造方法，以能够得到冲击性能和抗辐照脆化性能更好的铁素体/马氏体钢坯，用于后续快堆堆芯组件用六角形外套管的加工和制造。

为实现此目的，在基础的实施方案中，本发明提供一种低硅高氮铁素体/马氏体钢坯的制造方法，所述的制造方法依次包括如下步骤：

(1)低硅高氮铁素体/马氏体钢配料真空感应炉冶炼；

(2)电渣重熔；

(3)重熔锭锻造：采用真空感应加电渣重熔，在冶炼过程中不添加稀土元素，并在铸锭加热后先后进行快锻机锻造、精锻机锻造、锻后退火。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种低硅高氮铁素体/马氏体钢坯的制造方法，其中步骤(1)中，所述的真空感应炉冶炼对原材料进行选择，

原材料表面不允许有氧化皮、油渍、水渍、泥砂杂物；

选用低S、P、As、Sn、Sb和Pb含量的精钢材，金属锰中的S含量控制在0.010wt.％以下。

在一种更加优选的实施方案中，本发明提供一种低硅高氮铁素体/马氏体钢坯的制造方法，其中所述的低S、P、As、Sn、Sb和Pb含量的精钢材中S、P、As、Sn、Sb和Pb按重量百分比的含量分别为S≤0.0040，P≤0.010，As≤0.0060，Sn≤0.0065，Sb≤0.0035，Pb≤0.0010。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种低硅高氮铁素体/马氏体钢坯的制造方法，其中步骤(1)中，所述的真空感应炉冶炼包括装炉、熔化期、精炼期、合金化期、浇注和脱模工序，

真空炉冶炼室空炉状态下极限真空≤1.0Pa，冷态漏气率满足自检要求；

冶炼坩埚采用镁质或镁铝质；

装料顺序为：碳、镍板、纯铁、金属钼、硅铁、金属铌、金属铬、钒铁；

真空状态下送电熔化至化清，逐步提高供电功率，送电功率参照真空感应设备进行调整至化清，熔化期末期开展成分分析；

精炼期真空度≤5.0Pa，精炼温度控制在1500-1590℃，并可根据O、N、Si、Al这些关键元素含量调整精炼温度和精炼时间；

合金化期前期真空度≤5.0Pa，合金化期需取样分析成分，并根据N、Si、Al这些元素分析结果进行成分微调，成分调整满足要求后，向炉内通入氩气或其它保护气体，保护气氛的压力满足5000-8000Pa要求，为防止锰的挥发，在氩气气氛下加入金属锰；

根据模具状态调整浇注温度，浇注前钢液目标温度控制在1530-1600℃，浇注方式采用上注法，浇注成的电极真空凝固完全后脱模。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种低硅高氮铁素体/马氏体钢坯的制造方法，其中步骤(2)中，所述的电渣重熔包括电极与结晶器准备、重熔用渣准备和烘烤、电极装配、电渣重熔、脱模和退火工序，

选用1.6-3.5吨容量的电渣炉，选用

结晶器；

电极名义直径Ф340mm，尺寸公差控制在±20mm范围内；电极表面充分修磨，去除起层铁皮、氧化皮、飞翅、结疤、微裂纹这些局部缺陷；电极头尾尺寸均匀，弯曲度不大于6mm/m，锥度不大于10mm/m；

电渣重熔采用CaF₂-CaO-Al₂O₃三元或CaF₂-CaO-Al₂O₃-MgO四元渣系，三元渣系重量配比为60：27：13，四元渣系重量配比为67：15：16：2；渣料使用前600-800℃烘烤4-20小时；渣料捣桶使用，从加热炉内取出到使用不超过15min；

电渣锭的造渣参数为：加渣电流3000A，加渣时间25-40min，精炼电流4500A，精炼时间20-30min，结晶器的出水温度控制在40-60℃，水冷底座出水温度为5-45℃；

当渣料完成精炼，交换金属电极并提升电流即进入熔炼期，其稳态重熔阶段严格控制冶炼电流、电压，每隔30min对参数进行一次记录；稳态重熔时间控制在8.5-10.5h；稳态重熔阶段功率输入应当平稳，电压控制在55-68V，电流控制在9000-14000A；

电渣重熔后铸锭充分冷却时间60-300min，出炉脱模后，电渣重熔铸锭在保护罩内缓冷，时间为48-300h；电渣锭脱罩后3日内进行退火处理，电渣锭入退火炉后，按5-100℃/h升温，680±20℃保温20-100h；然后按5-40℃/h炉冷，温度100-300℃时电渣锭出炉空冷。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种低硅高氮铁素体/马氏体钢坯的制造方法，其中步骤(3)中，所述的铸锭加热包括装炉、预热、加热、均热工序，

装料炉温为100-600℃，入炉后保温3-5h，使铸锭充分均热后再缓慢升温；

以5-100℃/h的速度升温至800±10℃时进行预热，保温时间为3-5h；

铸锭升温到始锻加热温度1080-1170℃，升温速度5-100℃/h；

当加热到始锻温度后，进行均热处理，均热时间3-5h。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种低硅高氮铁素体/马氏体钢坯的制造方法，其中步骤(3)中，所述的快锻机锻造包括锻打钳把、锻造两个阶段，

对于锻打钳把，当锭料加热到始锻加热温度后，均热3-5h，锻打钳把部分，锻后回炉保温1.5-4h；

对于锻造，均热后，快锻机分2-6火次锻造成中间坯料，中间坯料的加热温度为1050-1120℃，锻后回炉保温时间1.5-4h，每火次终锻温度为850-1500℃，最终火次锻成的坯料采用快锻机切除头尾，切除量相对于钢锭而言，切头量为5-10％，切尾量为4-10％。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种低硅高氮铁素体/马氏体钢坯的制造方法，其中步骤(3)中，所述的精锻机锻造包括均温、精锻、切割三个阶段：

对于均温，保温温度1050-1100℃，保温时间1.5-4h；

对于精锻，中间锻造坯料经精锻机以镦粗加拔长的方式，锻造至成品棒材尺寸，锻比为7-20；

对于切割，精锻结束后，对棒材热平头尾，并在棒材端面打标识。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种低硅高氮铁素体/马氏体钢坯的制造方法，其中步骤(3)中，所述的锻后退火包括装炉、均热、冷却三个阶段：

对于均热，当加热到退火温度680-860℃后，进行均热处理30-100h；

对于冷却，炉冷至100-300℃后，出炉空冷。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种低硅高氮铁素体/马氏体钢坯的制造方法，其中所述的低硅高氮铁素体/马氏体钢坯按重量百分比的组成为：

Si：0.04％-0.30％；N：0.0040％-0.0700％；C：0.17％-0.22％；Mn：0.40％-0.70％；P：≤0.015％；S：≤0.010％；Ni：0.40％-0.70％；Cr：11.00％-12.50％；Mo：0.80％-1.05％；V：0.25％-0.35％；W：0.40％-0.60％；Nb：≤0.05％；Al：≤0.020％；Ti：≤0.010％；Zr：≤0.010％；Cu：≤0.10％；Sb：≤0.0030％；Sn：≤0.0055％；As：≤0.0050％；Pb：≤0.0010％；Co：≤0.015％；O：≤0.0040％；H：≤0.0005％；其余为Fe。

本发明的有益效果在于，利用本发明的低硅高氮铁素体/马氏体钢坯的制造方法，能够得到冲击性能和抗辐照脆化性能更好的铁素体/马氏体钢坯，用于后续快堆堆芯组件用六角形外套管的加工和制造。

本发明针对现有常规铁素体/马氏体钢合金成分、冶炼和锻造工艺无法满足钠冷快堆组件六角管材料对钢坯中有害元素O、P、S含量，夹杂物水平，组织均匀性和提高抗辐照性能的要求，提出了一种新的快堆堆芯组件六角形外套管用低硅高氮铁素体/马氏体钢坯的制造方法。

本发明的有益效果具体体现在：

(1)本发明通过低硅高氮的成分设计，结合真空感应+电渣重熔的纯净化冶炼工艺，可保证对钢坯极为严格的化学成分控制，非金属夹杂物及TiN水平符合要求；

(2)本发明通过多次镦拔和均热处理的锻造工艺，并加大锻比，可保证获得成分及组织均匀的锻造组织，从而为后续快堆堆芯组件用六角形外套管制备提供符合要求的钢坯。

附图说明

图1为N含量对铁素体/马氏体钢冲击吸收功和韧脆转变温度影响的结果图。

图2为低硅高氮铁素体/马氏体钢辐照前后纳米压痕试验数据依据Nix-Gao模型拟合结果图。

图3为铁素体/马氏体钢样品辐照前后小冲杆测试数图。

具体实施方式

示例性的本发明的低硅高氮铁素体/马氏体钢坯的制造方法依次包括如下步骤(其中设计的低硅高氮铁素体/马氏体钢按重量百分比的组成为：Si：0.04％-0.30％；N：0.0040％-0.0700％；C：0.17％-0.22％；Mn：0.40％-0.70％；P：≤0.015％；S：≤0.010％；Ni：0.40％-0.70％；Cr：11.00％-12.50％；Mo：0.80％-1.05％；V：0.25％-0.35％；W：0.40％-0.60％；Nb：≤0.05％；Al：≤0.020％；Ti：≤0.010％；Zr：≤0.010％；Cu：≤0.10％；Sb：≤0.0030％；Sn：≤0.0055％；As：≤0.0050％；Pb：≤0.0010％；Co：≤0.015％；O：≤0.0040％；H：≤0.0005％；其余为Fe)。

此种铁素体/马氏体钢与ASTM A826M和EN 10302材料相比，Si元素含量更低，添加了N元素，限定了O元素的含量，C、P、S、Mo、Ni、Al等元素的范围更窄，因此，明显改变了材料的性能。铁素体/马氏体钢强化机制主要包括固溶强化、析出强化和晶界强化，其中析出强化主要是依靠分布在亚晶界上的M₂₃C₆(M为Cr、Fe、Mo等金属元素)和在亚晶内的MX(M为Nb、V、Ta等，X为非金属元素C、N)相起作用。M₂₃C₆一般在100-200nm左右，主要在板条界和晶界上析出，从而稳定界面；MX大小为20-80nm左右，主要分布在板条内部，对位错起到强的钉扎作用，阻碍位错滑移，从而降低基体的回复速率。因此，在材料成分设计和试验时，提高N含量，引入了更多的MX相。虽然在常规铁素体/马氏体钢中，高含量的Si可以改善高温力学性能和抗氧化腐蚀行为，但在强辐照使用环境下，它对组织稳定性不利(析出laves相)，辐照还会出现G相(富Si相)。而且，Si元素不起强化，其最主要的作用是冶炼时用来脱氧，降低氧含量。所以在材料成分设计和材料制备时，特地减少了Si含量。同时，通过各元素的含量设计，使成品δ-铁素体含量较低，基本上全是马氏体组织，改善了材料的综合性能。

对O、P、S有害元素含量进行严格控制(O≤0.0040％，P≤0.015％、S≤0.010％)，A、B、C、D类非金属夹杂物水平控制在≤1.0级，TiN夹杂物控制在≤1.0级。通过成分和工艺设计以及试验效果，这种低Si高N的纯净化铁素体/马氏体钢能够显著提高材料冲击性能和抗辐照脆化性能。

按照上述材料成分制造铁素体/马氏体钢六角管钢坯，主要制造工艺包括3-6吨级真空感应冶炼(VIM)联合1.6-3.5吨级电渣重熔(ESR)和3吨级锻造工艺。

详细的钢坯制造方法和步骤如下：

1、真空感应冶炼

1)原材料选择

原材料表面不允许有氧化皮、油渍、水渍或泥砂等杂物。为保证产品中S和P含量满足要求，应当选用低S和P含量的精钢材，金属锰中的S含量应当控制在0.010wt.％以下。为保证钢中As、Sn、Sb和Pb含量满足控制要求，应当选用低As、Sn、Sb和Pb含量的精钢材。

2)冶炼条件

真空炉冶炼室空炉状态下极限真空应≤1.0Pa，冷态漏气率满足自检要求。冶炼坩埚推荐采用镁质或镁铝质，采用新坩埚或者前一炉钢种富Ni时，冶炼前需先洗炉，洗炉温度不低于1600℃。坩埚内表应当光滑平整，无明显裂纹、局部剥落和掉块现象。坩埚允许少量修补，修补后进行烘烤或洗炉。红热坩埚与钢液接触的部位不允许修补。

3)装炉

装炉前复验炉料重量，确认无误后装料。

推荐的装料顺序为：碳、镍板、纯铁、金属钼、硅铁、金属铌、金属铬、钒铁。

4)熔化期

真空状态下送电熔化至化清，逐步提高供电功率，送电功率参照真空感应设备进行调整至化清。熔化期末期开展成分分析，为精炼期冶炼操作提供依据。

5)精炼期

精炼期真空度应≤5.0Pa，如果真空度不满足要求，降低功率保温，真空度达到要求后开始精炼计时。精炼温度控制在1500-1590℃，目标控制温度为1530-1570℃。温度稳定并精炼45min以上后取样分析。根据O、N、Si、Al等关键元素含量调整精炼温度和精炼时间。

6)合金化期

精炼期结束后进入合金化期。合金化期前期真空度应≤5.0Pa。合金化期需取样分析成分，并根据N、Si、Al等元素分析结果进行成分微调。成分调整满足要求后，向炉内通入氩气或其它保护气体，保护气氛的压力满足5000-8000Pa要求。为防止锰的挥发，在氩气气氛下加入金属锰。

7)浇注和脱模

根据工模具状态调整浇注温度。浇注前钢液目标温度控制在1530-1600℃。浇注方式采用上注法。浇注成的电极需真空凝固完全后脱模。

2、电渣重熔

电渣重熔选用1.6-3.5吨容量的电渣炉，选用

结晶器。

1)电极与结晶器准备

电极名义直径Ф340mm，尺寸公差控制在±20mm范围内。电极表面充分修磨，去除起层铁皮、氧化皮、飞翅、结疤、微裂纹等局部缺陷。电极头尾尺寸均匀，弯曲度不大于6mm/m，锥度不大于10mm/m。装配前保证电极清洁，避免现场污染。

使用前保证结晶器内壁清洁、干燥、无污染。结晶器各部位装配合理，满足重熔技术要求。

2)重熔用渣准备和烘烤

电渣重熔推荐采用CaF₂-CaO-Al₂O₃三元或CaF₂-CaO-Al₂O₃-MgO四元渣系，推荐的三元渣系配比为60：27：13，推荐的四元渣系配比为67：15：16：2。3吨容量电渣重熔渣系用量推荐值为120-180kg。

渣料使用前必须在600-800℃烘烤不小于4小时。

渣料要捣桶使用，从加热炉内取出到使用不超过15min。

3)电极装配

重熔前，将结晶器底部端面和结晶器内部清扫干净。用抛光砂轮将底水箱上面的紫铜板表面打磨干净，去除粘附物。电极上紧上牢，垂直于地面。

4)电渣重熔

将结晶器放在底座上，保证结晶器与底座密封良好，防止跑渣。底垫与底座接触面积不得少于70％。引弧剂采用50％CaF₂-50％TiO₂，重量为20-35kg。

电渣锭的造渣参数参照如下：加渣电流3000A，加渣时间25-40min，精炼电流4500A，精炼时间20-30min。结晶器的出水温度控制在40-60℃，水冷底座出水温度小于45℃。

当渣料完成精炼，交换金属电极并提升电流即进入熔炼期。稳态重熔阶段，严格控制冶炼电流、电压等工艺参数，每隔30min对参数进行一次记录。稳态重熔时间控制在8.5-10.5h。稳态重熔阶段功率输入应当平稳，电压控制在55-68V，电流控制在9000-14000A。

5)脱模和退火

电渣重熔后铸锭充分冷却，冷却时间不少于60min。出炉脱模后，电渣重熔铸锭在保护罩内缓冷，缓冷时间不少于48h。

电渣锭脱罩后3日内进行退火处理。电渣锭入退火炉后，按≤100℃/h升温，680±20℃保温≥20h。然后按≤40℃/h炉冷，温度≤300℃时电渣锭出炉空冷。

3、重熔锭锻造

1)铸锭冶炼和尺寸

采用真空感应+电渣重熔，在冶炼过程中禁止添加稀土元素。铸锭名义直径为610mm，表面的缺陷应予打磨或车削掉，方可投入锻造。

2)设备

加热设备：采用煤气或天然气加热炉。

锻造设备：2000T以上液压快锻机，1000T以上精锻机。

3)铸锭加热

装炉：装料炉温应低于600℃，入炉后应保温3-5h，使铸锭充分均热后再缓慢升温。

预热：以≤100℃/h的速度升至800±10℃时进行预热，保温时间为3-5h。

加热：铸锭升温到始锻加热温度1080-1170℃，升温速度≤100℃/h。

均热：当加热到始锻温度后(即料温和炉温一致时)，进行均热处理，均热时间3-5h。

4)快锻机锻造

锻打钳把：当锭料加热到始锻加热温度后，均热时间3-5h，锻打钳把部分。一般选择锻打位置为锭料的底垫端，锻后回炉保温时间1.5-4h。

锻造：均热后，快锻机分2-6火次锻造成中间坯料。中间坯料的加热温度为1050-1120℃，锻后回炉保温时间1.5-4h。每火次终锻温度大于850℃。最终火次锻成的坯料采用快锻机切除头尾，切除量相对于钢锭而言，推荐切头量大于5％，切尾量大于4％。

5)精锻机锻造

均温：用于精锻的坯料返回加热炉，保温温度1050-1100℃，保温时间1.5-4h。

精锻：中间锻造坯料经精锻机以镦粗+拔长的方式，锻造至成品棒材尺寸。为了提高钢锭的冲击性能(降低韧脆转变温度DBTT)，要求锻比≥7。

切割：精锻结束后，对棒材热平头尾，并在棒材端面打标识。

6)锻后退火

装炉：红送退火。

均热：当加热到退火温度(680-860℃)后(即料温和炉温一致时)，进行均热处理，推荐的均热时间≥30h。

冷却方式：炉冷至≤300℃后，出炉空冷。

7)锻造成品

该工艺步骤所得到的成品具有如下特征：

(1)锻造棒材直径：≤280mm

(2)直径公差：±1.0mm

(3)长度：1000-6500mm

(4)弯曲度：锻棒允许最大弯曲度4mm/m，全长(L)弯曲度不超过0.4％L

(5)不圆度：锻棒允许最大不圆度不超尺寸公差的75％

(6)锻棒端头平直，无毛刺，无马蹄形、弯头等变形

(7)对横向低倍组织进行试验与评级，棒材的横截面酸浸低倍或断口试片上不得有肉眼可见的缩孔、气泡、裂纹、夹杂、翻皮及白点。低倍组织中心疏松、一般疏松及偏析合格级别满足≤1.0级要求。

(8)非金属夹杂物：按照GB/T 10561标准A法进行棒材纵向非金属夹杂物检验。A、B、C、D类非金属夹杂物水平分别控制在≤1.0级，TiN夹杂物控制在≤1.0级。

(9)晶粒度：按GB/T 6394标准进行晶粒度评级，要求原始奥氏体晶粒度不小于3.0级，并均匀分布。

(10)金相组织：按照YB/T4402检测锻造棒材中δ-铁素体含量。锻造棒材中的δ-铁素体平均含量不得超过5％，最差视场不得超过8％(面积百分比)。

(11)超声检验：按照GB/T4162-2008标准规定的方法对锻造棒材逐支全长进行超声波检测，验收级别为B级(单点缺陷采用Φ2.0mm平底孔进行验收)。

(12)表面质量：棒材车光后应完好，不允许有折叠、发纹、裂纹、结疤、夹渣、刻痕或有损于使用的其他缺陷，应保证表面的粗糙度(Ra)不应超过3.2μm。

上述示例性的本发明的低硅高氮铁素体/马氏体钢坯的制造方法的举例如下。

实施例1：低硅高氮铁素体/马氏体钢坯的制造和检验(一)

本实施例制备的钠冷快堆堆芯六角管用低硅高氮铁素体/马氏体钢坯直径为241mm，长度为6000mm，制造过程包括如下步骤。

1)真空感应冶炼

(1)使用6吨真空感应炉进行冶炼，冶炼室空炉状态下抽真空至≤1.0Pa。

(2)原材料装炉。

(3)送电熔化至化清后精炼，精炼真空度控制在≤5.0Pa，精炼温度1560℃。

(4)精炼结束进入合金化期，前期真空度应≤5.0Pa。合金化期温度≤1570℃，根据N、Si、Al等元素分析结果进行成分微调。成分调整满足要求后，向炉内通入氩气或其它保护气体，保护气氛的压力满足5000-8000Pa要求。在氩气气氛下加入金属锰。

(5)合金化期后进行浇注，浇注温度1530℃-1600℃。浇注成的电极需真空凝固完全后脱模。

2)电渣重熔

(1)使用电渣炉进行重熔，电渣重熔采用CaF₂-CaO-Al₂O₃-MgO四元渣系。

(2)电极公称直径Ф340mm，选用Φ610mm结晶器.

(3)

电渣锭的造渣参数：加渣电流3000A，加渣时间25-40min，精炼电流4500A，精炼时间20-30min。

(4)稳态重熔阶段，严格控制冶炼电流、电压等工艺参数，每隔30min对参数进行一次记录。稳态重熔时间控制在8.5-10.5h。稳态重熔阶段功率输入应当平稳，电压控制在55-68V，电流控制在9000-14000A。

(5)电渣重熔后铸锭充分冷却，冷却时间不少于60min。出炉脱模后，电渣重熔铸锭在保护罩内缓冷，缓冷时间不少于48h。

(6)电渣锭脱罩后3日内进行退火处理。电渣锭入退火炉后，按≤100℃/h升温，680±20℃保温≥20h。然后按≤40℃/h炉冷，温度≤300℃时电渣锭出炉空冷。

3)锻造

(1)使用天然气加热炉加热锻造坯料，使用2000T以上液压快锻机及1000T以上精锻机锻造。

(2)加热重熔锭到始锻温度1170℃后，均热时间5h，锻打钳把。

(3)均热后，快锻机分5火次锻造成中间坯料。中间坯料的加热温度为1120℃，锻后回炉保温时间4h。每火次终锻温度大于850℃。最终火次锻成的坯料采用快锻机切除头尾，切头量大于5％，切尾量大于4％。

(4)用于精锻的坯料返回加热炉，保温温度1100℃，保温时间4h。中间锻造坯料经精锻机锻造至成品棒材尺寸。锻比为16。精锻结束后，对棒材热平头尾，并在棒材端面打标识。

(5)锻后退火，当加热到退火温度860℃后(即料温和炉温一致时)，进行均热处理，均热时间≥30h。炉冷至≤300℃后，出炉空冷。

(6)中间锻造坯料经精锻机锻造至成品棒材尺寸。

上述步骤制备的管坯，最终尺寸为248mm×5800mm；A、B、C、D类非金属夹杂物水平分别为1.0、1.0、1.0、1.0级，TiN夹杂物1.0级；晶粒度3-6级；化学成分、其他尺寸及公差、低倍组织、金相组织、超声探伤及表面质量均符合要求。

实施例2：低硅高氮铁素体/马氏体钢坯的制造和检验(二)

对实施例1制备的快堆堆芯六角管用低硅高氮铁素体/马氏体钢坯(直径为241mm，长度为6000mm)，分别取试样进行冲击性能和离子辐照性能测试。

对铁素体/马氏体钢采用标准试样(尺寸为10×10×55mm)对冲击韧性进行测试，测试结果表明：减少Si有助于降低韧脆转变温度(DBTT)；通过纯净化冶炼降低S含量可降低DBTT，但不显著增加冲击高阶能(USE)；采用N合金化有助于增加USE。N含量对铁素体/马氏体钢冲击吸收功和韧脆转变温度影响的结果见图1所示。经正火和回火处理(1050℃/30min+780℃/1.5h，AC)后，0.040-0.070wt.％N的铁素体/马氏体钢高阶能和DBTT均达到最佳值。0.0042-0.02wt.％N的铁素体/马氏体钢DBTT约为-30℃，而0.011wt.％N的铁素体/马氏体钢DBTT约为-25℃。

对铁素体/马氏体钢进行离子辐照测试。采用3.5MeV的Fe¹³⁺离子在常温条件下辐照至2.0×10¹⁶ions/cm²。辐照后进行纳米压痕测试，采用金刚石材质的Berkovich压头和CSM(continuous stiffness measurement)连续刚度测试模式(应变速率-0.05s^-1，频率-45Hz，谐波位移-2.0nm)，最大压痕深度选为2000nm。在样品表面辐照/未辐照区域各选取6个压入点(距离相隔＞50μm)，硬度曲线采用这6组数据的平均值。

根据Fe离子辐照引起的纳米硬度增量(ΔH₀)和硬度变化百分比(即硬化率(ΔH₀/H₀)×100％)的数据，Fe离子辐照引起低硅高氮铁素体/马氏体钢样品硬化的硬度增量百分比为24.73％，低于同时辐照的T91铁马钢硬度增量百分比(31.41-36.87％)。图2是低硅高氮铁素体/马氏体钢辐照前后纳米压痕试验数据依据Nix-Gao模型拟合结果。

采用高能重离子辐照结合小样品测试技术评估材料的抗辐照脆化性能。辐照前，将铁素体/马氏体钢材料切制矩形样品，进行仔细研磨抛光，随后冲出φ3mm小圆片，厚度控制在110±2μm。利用高能36Ar¹²⁺离子(总动能222MeV)辐照样品至相同剂量7.0x10¹⁴ions/cm²，依据SRIM-2013估算，在样品内部产生的平均位移损伤约0.28dpa。辐照实验过程样品台通过上端冷指由液氮制冷，能够有效抑制高能离子束的加热效应，样品温度在辐照过程保持在-30℃附近。Ar离子束在靶台上的束班约为φ15mm。辐照过程通过匀速旋转铝箔转盘，使得到达样品表面的Ar离子能量连续梯度变化，从而使样品中的位移损伤沿深度方向形成准均匀的分布。根据SRIM-2013(Kinchin-Pease模型，原子离位阈能Ed取40eV)估算，222MeV的Ar¹²⁺离子在铁素体/马氏体钢中的射程约为25μm。离子辐照过程中靶室的真空最高达到2×10^-5Pa。

将高能Ar离子辐照后的样品，在常温低真空柜中保存3个月，待其放射活性降低至安全水平后，与相同厚度的未辐照样品一起进行小冲杆试验。通过上下夹具将直径φ3mm的圆片样品紧固在中间位置，上方放置直径φ1mm的Al₂O₃陶瓷小球，通过程序控制万能实验机采用相同的横梁移动速度推动冲杆向下给小球施压，使样品在中间区域产生塑性变形直至断裂失效，同时在样品下方安装位移延伸计，用于记录样品中央变形位移数据。在小冲杆试验中，未辐照/辐照的铁素体/马氏体钢φ3mm圆片样品的厚度控制在110±2μm范围内，测试温度为室温，位移加载速度为0.012mm/min。图3是铁素体/马氏体钢样品辐照前后小冲杆测试数。通过小冲杆试验加载-位移曲线可以得到样品辐照前后断裂位移变化，并计算出材料的延性损失率，为0.18％，低于同时辐照的T91铁马钢延性损失率(1.15-1.82％)。

因此，从测试结果可以看出，使用本发明制备的快堆堆芯六角管用低硅高氮铁素体/马氏体钢坯，显著提高了材料冲击性能和抗辐照脆化性能。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。上述实施例或实施方式只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。

Claims (5)

1.一种低硅高氮铁素体/马氏体钢坯的制造方法，其特征在于，所述的制造方法依次包括如下步骤：

(1)低硅高氮铁素体/马氏体钢配料真空感应炉冶炼；

(2)电渣重熔；

(3)重熔锭锻造：采用真空感应加电渣重熔，在冶炼过程中不添加稀土元素，并在铸锭加热后先后进行快锻机锻造、精锻机锻造、锻后退火，

其中：

步骤(3)中，所述的铸锭加热包括装炉、预热、加热、均热工序，

装料炉温为100-600℃，入炉后保温3-5h，使铸锭充分均热后再缓慢升温；

以5-100℃/h的速度升温至800±10℃时进行预热，保温时间为3-5h；

铸锭升温到始锻加热温度1080-1170℃，升温速度5-100℃/h；

当加热到始锻温度后，进行均热处理，均热时间3-5h，

步骤(3)中，所述的快锻机锻造包括锻打钳把、锻造两个阶段，

对于锻打钳把，当锭料加热到始锻加热温度后，均热3-5h，锻打钳把部分，锻后回炉保温1.5-4h；

对于锻造，均热后，快锻机分2-6火次锻造成中间坯料，中间坯料的加热温度为1050-1120℃，锻后回炉保温时间1.5-4h，每火次终锻温度为850-1500℃，最终火次锻成的坯料采用快锻机切除头尾，切除量相对于钢锭而言，切头量为5-10％，切尾量为4-10％，

步骤(3)中，所述的精锻机锻造包括均温、精锻、切割三个阶段：

对于均温，保温温度1050-1100℃，保温时间1.5-4h；

对于精锻，中间锻造坯料经精锻机以镦粗加拔长的方式，锻造至成品棒材尺寸，锻比为7-20；

对于切割，精锻结束后，对棒材热平头尾，并在棒材端面打标识，

步骤(3)中，所述的锻后退火包括装炉、均热、冷却三个阶段：

对于均热，当加热到退火温度680-860℃后，进行均热处理30-100h；

对于冷却，炉冷至100-300℃后，出炉空冷，

所述的低硅高氮铁素体/马氏体钢坯按重量百分比的组成为：

Si：0.04％-0.30％；N：0.0040％-0.0700％；C：0.17％-0.22％；Mn：0.40％-0.70％；P：≤0.015％；S：≤0.010％；Ni：0.40％-0.70％；Cr：11.00％-12.50％；Mo：0.80％-1.05％；V：0.25％-0.35％；W：0.40％-0.60％；Nb：≤0.05％；Al：≤0.020％；Ti：≤0.010％；Zr：≤0.010％；Cu：≤0.10％；Sb：≤0.0030％；Sn：≤0.0055％；As：≤0.0050％；Pb：≤0.0010％；Co：≤0.015％；O：≤0.0040％；H：≤0.0005％；其余为Fe。

2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：步骤(1)中，所述的真空感应炉冶炼对原材料进行选择，

原材料表面不允许有氧化皮、油渍、水渍、泥砂杂物；

选用低S、P、As、Sn、Sb和Pb含量的精钢材，金属锰中的S含量控制在0.010wt.％以下。

3.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于：所述的低S、P、As、Sn、Sb和Pb含量的精钢材中S、P、As、Sn、Sb和Pb按重量百分比的含量分别为S≤0.0040，P≤0.010，As≤0.0060，Sn≤0.0065，Sb≤0.0035，Pb≤0.0010。

4.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：步骤(1)中，所述的真空感应炉冶炼包括装炉、熔化期、精炼期、合金化期、浇注和脱模工序，

真空炉冶炼室空炉状态下极限真空≤1.0Pa，冷态漏气率满足自检要求；

冶炼坩埚采用镁质或镁铝质；

装料顺序为：碳、镍板、纯铁、金属钼、硅铁、金属铌、金属铬、钒铁；

真空状态下送电熔化至化清，逐步提高供电功率，送电功率参照真空感应设备进行调整至化清，熔化期末期开展成分分析；

精炼期真空度≤5.0Pa，精炼温度控制在1500-1590℃，并可根据O、N、Si、Al这些关键元素含量调整精炼温度和精炼时间；

合金化期前期真空度≤5.0Pa，合金化期需取样分析成分，并根据N、Si、Al这些元素分析结果进行成分微调，成分调整满足要求后，向炉内通入氩气或其它保护气体，保护气氛的压力满足5000-8000Pa要求，为防止锰的挥发，在氩气气氛下加入金属锰；

根据模具状态调整浇注温度，浇注前钢液目标温度控制在1530-1600℃，浇注方式采用上注法，浇注成的电极真空凝固完全后脱模。

5.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：步骤(2)中，所述的电渣重熔包括电极与结晶器准备、重熔用渣准备和烘烤、电极装配、电渣重熔、脱模和退火工序，

选用1.6-3.5吨容量的电渣炉，选用

结晶器；

电极名义直径Ф340mm，尺寸公差控制在±20mm范围内；电极表面充分修磨，去除起层铁皮、氧化皮、飞翅、结疤、微裂纹这些局部缺陷；电极头尾尺寸均匀，弯曲度不大于6mm/m，锥度不大于10mm/m；

电渣重熔采用CaF₂-CaO-Al₂O₃三元或CaF₂-CaO-Al₂O₃-MgO四元渣系，三元渣系重量配比为60：27：13，四元渣系重量配比为67：15：16：2；渣料使用前600-800℃烘烤4-20小时；渣料捣桶使用，从加热炉内取出到使用不超过15min；

电渣锭的造渣参数为：加渣电流3000A，加渣时间25-40min，精炼电流4500A，精炼时间20-30min，结晶器的出水温度控制在40-60℃，水冷底座出水温度为5-45℃；

当渣料完成精炼，交换金属电极并提升电流即进入熔炼期，其稳态重熔阶段严格控制冶炼电流、电压，每隔30min对参数进行一次记录；稳态重熔时间控制在8.5-10.5h；稳态重熔阶段功率输入应当平稳，电压控制在55-68V，电流控制在9000-14000A；

电渣重熔后铸锭充分冷却时间60-300min，出炉脱模后，电渣重熔铸锭在保护罩内缓冷，时间为48-300h；电渣锭脱罩后3日内进行退火处理，电渣锭入退火炉后，按5-100℃/h升温，680±20℃保温20-100h；然后按5-40℃/h炉冷，温度100-300℃时电渣锭出炉空冷。

Images