CN114606442A - 一种高密度纳米氧化物ods钢的制备装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高密度纳米氧化物ODS钢的制备装置和方法，属于金属材料制备领域。该装置包括工作台、结晶器、升降单元、旋转单元和布流器；所述结晶器上端开口并设置在工作台的下方，所述升降单元用于升降结晶器，所述旋转单元用于转动结晶器；所述布流器安装在工作台上且上下开口，其具有多个，位于结晶器的上方并沿结晶器的周向布置；所述布流器的下端开口装有阀门。该方法采用上述装置，通过两种熔体交替形成凝固层，以及多层熔体层铺的方式，在制备大体积ODS钢时，能够大大提升钢中纳米氧化物的密度，且制备过程稳定，制备出的ODS钢的性能均匀，有效地增加了ODS钢的生产效率。

Description

一种高密度纳米氧化物ODS钢的制备装置和方法
技术领域
本发明属于金属材料制备技术领域，更具体地说，涉及一种高密度纳米氧化物ODS钢的制备装置和方法。
背景技术
氧化物弥散强化钢，简称ODS钢，是一种具有优异的高温蠕变性能和抗辐照性能的金属材料。ODS钢中存在大量弥散分布的氧化物强化相，其通过大量纳米尺寸的氧化物弥散强化相钉扎基体中的位错和晶界来阻碍位错的滑移，从而起到强化的作用。另外，这些强化相具有优异的高温稳定性，可以在大量的离子及中子辐照环境下长期保持较高的性能。因此，鉴于其优异的力学性能、高温稳定性及抗辐照性能，ODS钢成为了第四代核反应堆和聚变堆第一壁的理想包壳材料。
传统的ODS钢主要通过粉末冶金的方法制备。该方法首先将纳米尺寸的强化相(一般为Y2O3)粉末加入到合金粉末中，在球磨机中进行机械合金化球磨处理，使Y2O3固溶到合金基体中。接着随着球磨的进行，合金粉末逐渐发生团聚，团聚的粉末颗粒随球磨时间的延长而逐渐细化并转变为尺寸约十几微米的等轴晶粒，此时合金粉末之间达到了冷焊-断裂的动态平衡。最后，球磨后的合金粉体需要通过热挤压或热等静压方法进行热固化成型。然而，这种机械合金化的方法存在一些缺点，如球磨时间过长，生产效率低，容易引入杂质，预合金粉末在较长时间的球磨下会发生一定程度的氧化，并且所添加的元素含量也存在一定的限制。
目前一般采用熔炼方法制备ODS钢，熔炼方法主要为直接熔炼法和氧载体法。
其中，直接熔炼法是通过将Y2O3颗粒直接添加到熔炼钢液中而实现ODS钢的制备。中国科学院固体物理研究所的韩福生研究员团队采用直接铸造技术制备了微米Y2O3强化T91钢和另一种9Cr低活化钢(9Cr-1.5W-0.21V-0.15Ta-0.45Mn-0.1C)。直接铸造法工艺简单，成本低廉，但是由于稀土氧化物与钢液地润湿性极差，在熔炼过程中容易产生团聚，且目前直接熔炼法制备的ODS钢中稀土氧化物多以微米级尺寸析出，暂不能满足氧化物弥散强化钢对于稀土氧化物尺寸的纳米级标准。
氧载体方法技术是通过添加热稳定性低于Y2O3或者熔点低于Y2O3的其他氧化物到钢液中充当氧源并改善氧化物与钢液的润湿性而最终实现ODS钢的制备。目前据文献报导地氧载体主要为Fe2O3和TiO2。伊朗德黑兰大学的Mahmoud Nili-Ahmadabadi团队选择TiO2作为氧载体，通过真空铸造的方式制备了ODS钢。氧载体铸造法很好地解决了润湿性问题，为熔炼法制备ODS钢引出新思路，成功将稀土氧化物通过熔炼法引入基体，但是该方法并不适用于ODS钢的规模化制备，其制备出的大体积的ODS钢性能往往达不到。
中国专利申请号为：CN201610711659.7，公开日为：2017年12月12日的专利文献，公开了一种氧化物弥散强化ODS高熵合金及其制备方法，属于金属结构材料领域。该发明将一定成分配比的纯金属粉末和一定含量的氧化物颗粒混合后通过机械合金化方法制备ODS高熵合金粉末；然后利用放电等离子烧结(SPS)的方法获得最终的ODS高熵合金。制备得到的ODS高熵合金主要由固溶体相(95％以上)及少量均匀弥散分布的纳米氧化物颗粒组成；并具有优异的综合力学性能及良好的热稳定性，其中由面心立方结构(FCC)+体心立方结构(BCC)固溶体相组成的FeCoNiCrAl基ODS高熵合金的抗压强度超过3500MPa，压缩应变可达10％。该方案即是采用机械合金化方法制备ODS合金粉末，因此其制备的合金粉末会存在上述内容中提到的问题。
中国专利申请号为：CN201510808687.6，公开日为：2016年1月27日的专利文献，公开了一种氧化物弥散强化钢的制备方法及一种马氏体钢，所述制备方法在铸模中加入铁的氧化物，向充分脱氧后的钢液中加入适量稀土元素并快速浇铸到铸模中，通过稀土元素与铁的氧化物反应得到氧化物弥散强化钢(ODS钢)；一种马氏体钢，由上述方法制得的ODS钢热锻、热轧、热加工和热处理所得，该发明制备的ODS钢淬透性高，残余奥氏体含量很低，可以得到全马氏体组织。该方案采用熔炼工艺进行ODS钢的制备，虽然能够提高制备的ODS钢的性能，但是在应用于大体积的ODS钢的制备时，由于铸模体积较大，一次性浇铸的钢液过多，会导致稀土元素与铁的氧化物的反应不够充分，制备出的ODS钢的性能不够均匀，达不到理想的使用要求。
因此，目前熔炼法制备ODS钢的主要难题是对ODS钢的生产规模和稀土氧化物的弥散及均匀性做出控制，所以本发明旨在提供一种大规模生产具备良好均匀性及优异性能的ODS钢的方法。
发明内容
1、要解决的问题
针对上述问题，本发明提供一种高密度纳米氧化物ODS钢的制备装置和方法，通过设计出相互配合的装置和制备工艺，在制备大体积ODS钢时，能够大大提升钢中纳米氧化物的密度，且制备过程稳定，制备出的ODS钢的性能均匀，有效地增加了ODS钢的生产效率。
2、技术方案
为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。
一种高密度纳米氧化物ODS钢的制备装置，包括工作台、结晶器、升降单元、旋转单元和布流器；所述结晶器上端开口并设置在工作台的下方，所述升降单元用于升降结晶器，所述旋转单元用于转动结晶器；所述布流器安装在工作台上且上下开口，其具有多个，位于结晶器的上方并沿结晶器的周向布置；所述布流器的下端开口装有阀门。
作为技术方案的进一步改进，所述布流器的个数为双数。
作为技术方案的进一步改进，还包括位于结晶器下方的底座；所述旋转单元包括主轮、副轮、连接杆和用于转动主轮的旋转驱动机构；所述副轮转动安装在底座上，所述主轮和副轮通过链条或皮带传动连接；所述连接杆沿高度方向延伸，其两端分别固定连接结晶器和副轮。
作为技术方案的进一步改进，所述升降单元包括升降杆、旋转杆和用于控制升降杆升降的升降驱动机构；所述升降杆和旋转杆均沿高度方向延伸，旋转杆的上端固定连接结晶器的下端面中心，下端通过轴承连接升降杆的上端；
所述连接杆包括上杆和下杆；所述下杆为上端开口的中空结构，其下端固定连接副轮；所述上杆的上端固定连接结晶器，其下端伸入下杆内。
作为技术方案的进一步改进，所述连接杆具有多个，围绕升降杆并沿结晶器的周向等间隔排列。
作为技术方案的进一步改进，所述结晶器的壁面内设有冷却通道；所述冷却通道其中一端外接冷却介质源，另一端延伸至外部或外接回收装置。
一种高密度纳米氧化物ODS钢的制备方法，采用上述高密度纳米氧化物ODS钢的制备装置，包括以下步骤：
一、在两个容器中加入钢基体并熔炼成熔体，其中一个容器中加入稀土元素并完全溶解；
二、每间隔一个布流器向内加入含稀土元素的熔体，剩下的布流器中加入不含稀土元素的熔体并向其中加入份量一致的氧载体颗粒，此时，每个布流器内的熔体份量基本一致且阀门为关闭状态；
三、开启升降单元和转动单元，使结晶器以固定速率下降和转动；同时，开启其中一个布流器的阀门，当该布流器内的熔体流完后，关闭该阀门，开启沿结晶器转动方向排序的下一个布流器的阀门，重复上述过程，直至结晶器转动一圈且所有布流器的熔体全部流完；
四、重复步骤二和三，直至结晶器内的铸锭制备完成，取出铸锭并进行后续处理。
作为技术方案的进一步改进，所述步骤二中，结晶器转动一圈所形成的一层熔体层厚度为1-10mm。
作为技术方案的进一步改进，所述步骤二中，布流器中稀土元素和氧载体颗粒的物质的量之比为(1:1)～(1:5)。
作为技术方案的进一步改进，所述铸锭的化学成分及质量百分比为：C：0.03～0.13％,Si≦1.00％,Mn≦2.00％,P≦0.045％,S≦0.03％,Cr:9.0～18.0％，Ni:12.0％～15.0％，Mo:2.00％～3.00％，W：2.00％～3.00％，RE:0.01％～0.3％，X:0.01～0.5％，余量为Fe和不可避免的杂质；其中，RE为稀土元素；X为氧载体颗粒中的金属元素。
3、有益效果
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)本发明的制备方法，在多个布流器中按顺序间隔加入A熔体和B熔体，A熔体为含稀土元素的熔体，B熔体为含氧载体颗粒的熔体，接着随着结晶器的转动依次打开各个布流器的阀门，从而在结晶器内形成一层冷却的凝固层，重复操作直至最后形成完整的铸锭；
其中，由于熔体的数量较少，B熔体会迅速凝固，使熔体中的氧载体颗粒只发生部分溶解，形成含未溶解氧载体颗粒和固溶态氧原子的凝固层；同时，当单个布流器中的B熔体流出时，由于其冷却速度较快，这部分B熔体只有边缘部分会向两侧延伸一部分再凝固，从而使其余布流器内的A熔体只有部分与B熔体凝固层的边缘接触，稀土元素只和部分氧原子在前期发生反应，尽可能在铸锭中保留住了未溶解氧载体颗粒；同时，这种方式使B熔体和A熔体能够在结晶器转动过程中形成多层完整均匀的凝固层，并最终得到均匀凝固的大尺寸铸锭，提高铸锭性能，方便后续对铸锭进行轧制和热处理；
含有未溶解氧载体的铸锭在后续热处理过程中，铸锭中过饱和固溶态氧原子会与稀土元素发生发应沉淀析出纳米稀土氧化物，使坯料中的氧浓度大幅度下降，令氧载体颗粒元素与溶解氧的实际浓度积小于平衡溶度积；此时，未溶解的氧载体颗粒开始不断缓慢释放氧原子，使得铸锭中溶解氧与稀土元素的浓度积又大于其平衡溶度积，并进一步以纳米级的形式析出纳米稀土氧化物；
因此，这种在铸锭中储存未溶解氧载体颗粒的方式，使得未溶解氧载体颗粒能够在铸锭的后续热处理过程中逐步释放出氧原子与稀土元素进行反应，最终使氧载体颗粒完全溶解，得到具备数量密度极高(超过1023m-3)的性能优异的纳米稀土氧化物的弥散强化钢，而常规熔炼工艺直接将氧载体颗粒与含稀土元素的熔体反应制备ODS钢时，大量的氧原子与稀土元素直接反应，导致最终制得的ODS钢中的纳米稀土氧化物的密度很难达到极高程度。
(2)本发明的制备方法，结晶器旋转一圈并下降，流出的两种熔体会在结晶器内快速冷却形成一层凝固层，而随着结晶器的持续转动和下降，后面流出的高温熔体会落入到已经冷却的凝固层上，使得已经冷却的凝固层发生部分熔化，熔化过程中与新的高温熔体形成新熔体层并再一次凝固，实现凝固→部分再熔化→再凝固这一持续的交替层铺凝固过程，这种层铺凝固过程能够使底部凝固层发生体积收缩时不断得到液态的补充，不产生分散缩松的倾向，在铸锭最后凝固的部位留下集中缩孔，易于消除，因而补缩性良好；且由于收缩受阻产生的晶间裂纹，容易得到金属液的填充，使裂纹愈合，故铸锭的热裂倾向性小，在充型过程中发生凝固时也有很好的充型能力，可以用于制备尺寸大、精度高的ODS钢。
(3)本发明的制备装置，具备独特的结构，能够很好地满足于本发明的制备方法的实施，制备出具备极高数量密度的性能优异的纳米稀土氧化物的弥散强化钢，其通过结晶器的强制冷却旋转使得熔体能够在结晶器内实现均匀凝固，便于后期对铸锭进行轧制和热处理，使稀土氧化物能够以小尺寸存在与钢中，提高了制备出的ODS钢的整体性能。
附图说明
图1为本发明制备装置的立体图；
图2为本发明制备装置的主视图；
图3为铸锭顶部熔体层形成示意图，其中，A+B混合熔体为半凝固状态，A熔体为刚流出的熔体状态；
图4为本发明制备装置的工作示意图；
图5为实施例1的最终产品的TEM图片；
图6为实施例2的最终产品的TEM图片；
图中：1、工作台；2、结晶器；3、升降单元；31、升降杆；32、旋转杆；33、升降驱动机构；4、旋转单元；41、主轮；42、副轮；43、连接杆；44、旋转驱动机构；5、布流器；6、底座。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明进一步进行描述。
ODS钢是一种具有优异的高温蠕变性能和抗辐照性能的金属材料，其中存在大量弥散分布的氧化物强化相，其通过大量纳米尺寸的氧化物弥散强化相钉扎基体中的位错和晶界来阻碍位错的滑移，从而起到强化的作用。但是，传统现有技术在制备ODS钢尤其是大尺寸ODS钢时，很难保证钢中稀土氧化物的小尺寸和高密度，导致最终制得的ODS钢的性能达不到使用要求。
申请人曾申请过一件名称为：一种高密度氧化物弥散强化钢的制备方法，申请号为：CN202011129659.9的专利。该专利的技术方案虽然能够制备出具备极高数量密度纳米稀土氧化物的ODS钢，但是其整体制备过程并不稳定，原因在于：该方法在制备大体积ODS钢时，需要一次性制备出较多的含未溶解氧载体颗粒的熔体，而这些熔体由于体积较大，难以实现自身的快速冷却凝固形成料锭，导致其内的氧载体颗粒往往容易发生迅速溶解，制备出的料锭含有的未溶解氧载体颗粒满足不了使用要求。同理，将含有未溶解氧载体颗粒的料锭加入含稀土元素的钢液中进行熔炼时，很难对熔炼时间进行一个很好地掌握，使料锭溶解的同时其内的氧载体颗粒不发生全部溶解，导致最终制备的铸锭满足不了使用要求。一次制备过程中，这两个步骤只要有一个控制不好或发生意外，都会对最终制备的ODS钢的性能造成极大影响，因此该方案的制备过程并不稳定。
针对于此，本发明设计了一种高密度纳米氧化物ODS钢的制备方法，以及适用于该方法的具备独特结构的装置，很好地解决了上述方案中最终制备的铸锭含有的未溶解氧载体颗粒满足不了要求的问题，下面对该装置和方法进行详细描述。
如图1所示，该装置包括工作台1、结晶器2、升降单元3、旋转单元4和布流器5。其中，工作台1下方具有用于支撑工作台1的立柱，使工作台1下方具有一定空间。结晶器2上端开口并设置在工作台1的下方，升降单元3用于升降结晶器2，旋转单元4用于转动结晶器2。布流器5安装在工作台1上且上下开口，其下端开口伸出工作台1下方一定距离。布流器5具有多个，位于结晶器2的上方并沿结晶器2的周向等间隔布置，即形成如图1所示的一圈布流器5，布流器5的下端开口装有用于控制其开关的阀门。需要说明的是，为了保证后续铸锭制备时每一层凝固层的均匀冷却，布流器5一般为双数，使两种熔体装入的布流器5数量一致，且每个布流器5的容量以及下端开口的流速应尽量保持一致。为了方便说明，本实施方式中的布流器5限定为四个，阀门通过外部中控设备控制进行开关。
下面对升降单元3和旋转单元4的具体结构和布置方式进行详细描述。如图2所示，工作台1下方设有底座6，底座6为升降单元3和旋转单元4的安装基座，同时，结晶器2也通过升降单元3和旋转单元4安装在底座6上。
具体的，升降单元3包括升降杆31、旋转杆32和用于控制升降杆31升降的升降驱动机构33，旋转单元4包括主轮41、副轮42、连接杆43和用于转动主轮41的旋转驱动机构44。其中，升降杆31和旋转杆32均沿高度方向延伸，旋转杆32的上端固定连接结晶器2的下端面中心，下端通过轴承连接升降杆31的上端，升降杆31的下端则与升降驱动机构33传动连接。升降驱动机构33可以为设置在底座6上液压缸或电机，当采用电机时，电机的输出轴上套有齿轮，升降杆31上设置与齿轮相啮合的齿轮，该处采用液压缸作为升降驱动机构33。
旋转驱动机构44采用电机，电机固定安装在底座6上且其输出轴向上布置，主轮41与输出轴传动连接。副轮42通过轴承、转动轴等结构转动安装在底座6上，能够实现沿自身中心自转，其中部具有上下贯通的供升降杆31升降的通孔，即升降杆31下端穿过通孔与升降驱动机构33连接。例如，当采用转动轴时，转动轴为设置在底座6上方的外径较大的中空结构，转动轴上下方的副轮42和底座6上设置供升降杆31升降的通孔。主轮41和副轮42根据实际情况采用链带或皮带进行传动连接形成带轮结构，电机驱动主动41转动带动副轮42转动。连接杆43沿高度方向延伸，分为上杆和下杆。下杆为上端开口的中空结构，其下端固定连接副轮42；上杆的上端固定连接结晶器2，其下端伸入下杆内。为了保证副轮42能够带动结晶器2更好地转动，连接杆43具有多个，围绕升降杆31并沿结晶器2的周向等间隔排列，该处为两个，对称布置在升降杆31的两侧。
当升降单元3和旋转单元4工作时，启动升降驱动机构33和旋转驱动机构44。此时，主轮41带动副轮42转动，副轮42通过连接杆43带动结晶器2转动，结晶器2带动与其固定连接的旋转杆32相对升降杆31转动，而升降杆31不发生转动。同时，升降杆31下降，带动与之连接的旋转杆32下降，进一步带动结晶器2下降，结晶器2再带动与之连接的连接杆43的上杆下降伸入下杆内。通过这种方式，能够很好地实现结晶器2的同步旋转下降，升降单元3和旋转单元4之间的工作互不干扰。此外，上杆和下杆之间还能够设置限位结构，即上杆的顶端设置具有通孔的顶盖，下杆的下端设置直径大于通孔的挡板，从而使得上杆不会从下杆中脱离出来，保证旋转单元4的正常工作。
另外，为了保证熔体在结晶器2内能够实现快速冷却，结晶器2的侧壁和下部壁面内设有冷却通道，冷却通道围绕侧壁环绕布置，并在下部壁面内蛇形迂回布置或环形布置。同时，结晶器2的侧壁上设有冷却通道的进口和出口，进口外接冷却介质供应装置，出口则直接将冷却介质排放到外部或通过管道外接回收装置。具体的，冷却介质可以采用冷却气体或冷却水。
该制备方法以下步骤：
一、在两个容器中加入钢基体并熔炼成熔体，其中一个容器中加入稀土元素并完全溶解。
二、每间隔一个布流器5向内加入含稀土元素的熔体，剩下的布流器5中加入不含稀土元素的熔体并向其中加入份量一致的氧载体颗粒，此时，每个布流器5内的熔体份量基本一致且阀门为关闭状态。该步骤中，设含稀土元素的熔体为A熔体，含氧载体颗粒的熔体为B熔体，则单个布流器5中的A熔体和B熔体，稀土元素和氧载体颗粒的物质的量之比为(1:1)～(1:5)。
三、开启升降单元3和转动单元4，使结晶器2以固定速率下降和转动。同时，开启其中一个布流器5的阀门，当该布流器5内的熔体流完后，关闭该阀门，开启沿结晶器2转动方向排序的下一个布流器5的阀门，重复上述过程，如图4所示，直至结晶器2转动一圈且所有布流器5的熔体全部流完，在结晶器2内冷却成一层凝固层。
需要注意的是，为了保证凝固层的厚度均匀，布流器5的熔体流速应尽量保持一致。同时，当结晶器2转动一圈后，其下降的距离与一层凝固层的厚度基本一致，结晶器2转动一圈所形成的一层熔体层厚度一般为1-10mm。。
四、重复步骤二和三，直至结晶器2内的铸锭制备完成，取出铸锭并进行后续轧制、锻造以及热处理，最终成型的铸锭的化学成分及质量百分比为：C：0.03～0.13％,Si≦1.00％,Mn≦2.00％,P≦0.045％,S≦0.03％,Cr:9.0～18.0％，Ni:12.0％～15.0％，Mo:2.00％～3.00％，W：2.00％～3.00％，RE:0.01％～0.3％，X:0.01～0.5％，余量为Fe和不可避免的杂质。
制备过程中，由于熔体的数量较少，B熔体会迅速凝固，使熔体中的氧载体颗粒只发生部分溶解，形成含未溶解氧载体颗粒和固溶态氧原子的凝固层。同时，如图3所示，当单个布流器5中的B熔体流出时，由于其冷却速度较快，这部分B熔体只有边缘部分会向两侧延伸一部分再凝固，从而使其余布流器5内的A熔体只有部分与B熔体凝固层的边缘接触，稀土元素只和部分氧原子在前期发生反应，尽可能在铸锭中保留住了未溶解氧载体颗粒。同时，这种方式使B熔体和A熔体能够在结晶器转动过程中形成多层完整均匀的凝固层，并最终得到均匀凝固的大尺寸铸锭，提高铸锭性能，方便后续对铸锭进行轧制和热处理。
含有未溶解氧载体的铸锭在后续热处理过程中，铸锭中过饱和固溶态氧原子会与稀土元素发生发应沉淀析出纳米稀土氧化物，使坯料中的氧浓度大幅度下降，令氧载体颗粒元素与溶解氧的实际浓度积小于平衡溶度积。此时，未溶解的氧载体颗粒开始不断缓慢释放氧原子，使得铸锭中溶解氧与稀土元素的浓度积又大于其平衡溶度积，并进一步以纳米级的形式析出纳米稀土氧化物。而本发明则通过独特设计的装置以及方法，能够最大限度的保留成型的铸锭内的未溶解氧载体颗粒的数量，整体制备过程极为稳定，从而为后续的轧制和热处理提供了良好的条件。
因此，这种在铸锭中储存未溶解氧载体颗粒的方式，使得未溶解氧载体颗粒能够在铸锭的后续热处理过程中逐步释放出氧原子与稀土元素进行反应，最终使氧载体颗粒完全溶解，得到具备数量密度极高(超过1023m-3)的性能优异的纳米稀土氧化物的弥散强化钢，而常规熔炼工艺直接将氧载体颗粒与含稀土元素的熔体反应制备ODS钢时，大量的氧原子与稀土元素直接反应，导致最终制得的ODS钢中的纳米稀土氧化物的密度很难达到极高程度。
另外，结晶器2旋转一圈并下降，流出的两种熔体会在结晶器2内快速冷却形成一层凝固层。而随着结晶器2的持续转动和下降，后面流出的高温熔体会落入到已经冷却的凝固层上，使得已经冷却的凝固层发生部分熔化，熔化过程中与新的高温熔体形成新熔体层并再一次凝固，实现凝固→部分再熔化→再凝固这一持续的交替层铺凝固过程。这种层铺凝固过程能够使底部凝固层发生体积收缩时不断得到液态的补充，不产生分散缩松的倾向，在铸锭最后凝固的部位留下集中缩孔，易于消除，因而补缩性良好。且由于收缩受阻产生的晶间裂纹，容易得到金属液的填充，使裂纹愈合，故铸锭的热裂倾向性小，在充型过程中发生凝固时也有很好的充型能力，可以用于制备尺寸大、精度高的ODS钢。
下面给出具体制备过程的实施例。
实施例1
选择使用316L作为钢基体，TiO2作为氧载体颗粒，稀土选择Y块，熔炼+固态反应合成316L-ODS钢的铸锭，布流器5数量为4个。
铸锭的化学成分及质量百分比为:C:0.03％,Si:1.00％,Mn:2.00％,P:0.045％,S:0.03％,Cr:16.0％,Ni:12.0％,Mo:2.00％,Y:0.2％,Ti:0.25％,余量为Fe和不可避免的杂质。
具体操作步骤如下：
一、将等量的316L置于两个坩埚中，对炉腔进行抽真空，低真空条件下洗气两次，再抽高真空，抽到5×10-3Pa，再反充氩气至0.05MPa，形成保护性气氛。打开熔炼电源，调节电流大小，观察熔炼情况，熔炼温度为1500℃左右，熔炼时间为1～5分钟，待坩埚中原料完全熔化后得到钢液。此时，向其中一个坩埚中加入稀土Y块，继续熔炼1～5min至Y块完全溶解于钢液中，形成A熔体。
二、每间隔一个布流器5向内加入A熔体，剩下的布流器5中加入不含稀土元素的熔体并向其中加入份量一致的5mm氧载体颗粒TiO2形成B熔体，此时，布流器5内的熔体沿结晶器2的转动方向依次为A、B、A、B，每个布流器5内的熔体份量基本一致且阀门为关闭状态。单个布流器5中的A熔体和B熔体，稀土元素和氧载体颗粒的物质的量之比为1:1。
三、开启升降单元3和转动单元4，使结晶器2以固定速率下降和转动。同时，开启其中一个布流器5的阀门，当该布流器5内的熔体流完后，关闭该阀门，开启沿结晶器2转动方向排序的下一个布流器5的阀门，重复上述过程，如图4所示，直至结晶器2转动一圈且所有布流器5的熔体全部流完，在结晶器2内冷却成一层厚度为1mm的凝固层。
四、重复步骤二和三，直至结晶器2内的铸锭制备完成，取出铸锭。该步骤中，当一个布流器5中的熔体流完后，立刻向其中添加对应的熔体，结晶器2则保持转动和下降，从而使制备过程不会间断。
接着对铸锭进行轧制，轧制量在50％。最后对轧制后的铸锭热处理，工艺为退火800℃，10h，在这个过程中，未熔的氧载体颗粒TiO2逐步释放O原子，与钢中的Y元素结合，析出大量弥散分布的纳米Y2O3，直至TiO2被消耗完全，最终得到数量密度超过1023m-3性能优异的纳米稀土氧化物弥散强化钢。
实施例2
选择使用纯铁作为基体，TiO2作为氧载体颗粒，稀土选择Er块，熔炼+固态反应合成ODS钢的铸锭，布流器5数量为6个。
铸锭的化学成分及质量百分比为:C:0.03％,Si:1.00％,Mn:2.00％,P:0.045％,S:0.03％,Cr:16.0％,Ni:12.0％,Mo:2.00％,Er:0.2％,Ti:0.25％,余量为Fe和不可避免的杂质。
具体操作步骤如下：
一、将等量的纯铁置于两个坩埚中，对炉腔进行抽真空，低真空条件下洗气两次，再抽高真空，抽到5×10-3Pa，再反充氩气至0.05MPa，形成保护性气氛。打开熔炼电源，调节电流大小，观察熔炼情况，熔炼温度为1600℃左右，熔炼时间为1～5分钟，待坩埚中原料完全熔化后得到钢液。此时，向其中一个坩埚中加入稀土Er块，继续熔炼1～5min至Er块完全溶解于钢液中，形成A熔体。
二、每间隔一个布流器5向内加入A熔体，剩下的布流器5中加入不含稀土元素的熔体并向其中加入份量一致的5mm氧载体颗粒TiO2形成B熔体，此时，布流器5内的熔体沿结晶器2的转动方向依次为A、B、A、B、A、B，每个布流器5内的熔体份量基本一致且阀门为关闭状态。单个布流器5中的A熔体和B熔体，稀土元素和氧载体颗粒的物质的量之比为1:3。
三、开启升降单元3和转动单元4，使结晶器2以固定速率下降和转动。同时，开启其中一个布流器5的阀门，当该布流器5内的熔体流完后，关闭该阀门，开启沿结晶器2转动方向排序的下一个布流器5的阀门，重复上述过程，如图4所示，直至结晶器2转动一圈且所有布流器5的熔体全部流完，在结晶器2内冷却成一层厚度为5mm的凝固层。
四、重复步骤二和三，直至结晶器2内的铸锭制备完成，取出铸锭。该步骤中，当一个布流器5中的熔体流完后，立刻向其中添加对应的熔体，结晶器2则保持转动和下降，从而使制备过程不会间断。
接着对铸锭进行轧制，轧制量在50％。最后对轧制后的铸锭热处理，工艺为退火800℃，10h，在这个过程中，未熔的氧载体颗粒TiO2逐步释放O原子，与钢中的Er元素结合，析出大量弥散分布的纳米Er2O3，直至TiO2被消耗完全，最终得到数量密度超过1023m-3性能优异的纳米稀土氧化物弥散强化钢。
实施例3
选择使用9Cr铁素体钢作为基体，TiO2作为氧载体颗粒，稀土选择Y块，熔炼+固态反应合成9Cr-ODS钢的铸锭，布流器5数量为4个。
铸锭的化学成分及质量百分比为:C:0.13％,Si:1.00％,Mn:2.00％,P:0.045％,S:0.03％,Cr:9％,Ni:12.0％,Mo:2.00％,Y:0.2％,Ti:0.25％,余量为Fe和不可避免的杂质。
具体操作步骤如下：
一、将等量的9Cr铁素体钢置于两个坩埚中，对炉腔进行抽真空，低真空条件下洗气两次，再抽高真空，抽到5×10-3Pa，再反充氩气至0.05MPa，形成保护性气氛。打开熔炼电源，调节电流大小，观察熔炼情况，熔炼温度为1600℃左右，熔炼时间为1～5分钟，待坩埚中原料完全熔化后得到钢液。此时，向其中一个坩埚中加入稀土Y块，继续熔炼1～5min至Y块完全溶解于钢液中，形成A熔体。
二、每间隔一个布流器5向内加入A熔体，剩下的布流器5中加入不含稀土元素的熔体并向其中加入份量一致的5mm氧载体颗粒TiO2形成B熔体，此时，布流器5内的熔体沿结晶器2的转动方向依次为A、B、A、B、A、B，每个布流器5内的熔体份量基本一致且阀门为关闭状态。单个布流器5中的A熔体和B熔体，稀土元素和氧载体颗粒的物质的量之比为1:5。
三、开启升降单元3和转动单元4，使结晶器2以固定速率下降和转动。同时，开启其中一个布流器5的阀门，当该布流器5内的熔体流完后，关闭该阀门，开启沿结晶器2转动方向排序的下一个布流器5的阀门，重复上述过程，如图4所示，直至结晶器2转动一圈且所有布流器5的熔体全部流完，在结晶器2内冷却成一层厚度为10mm的凝固层。
四、重复步骤二和三，直至结晶器2内的铸锭制备完成，取出铸锭。该步骤中，当一个布流器5中的熔体流完后，立刻向其中添加对应的熔体，结晶器2则保持转动和下降，从而使制备过程不会间断。
接着对铸锭进行轧制，轧制量在50％。最后对轧制后的铸锭热处理，工艺为退火800℃，10h，在这个过程中，未熔的氧载体颗粒TiO2逐步释放O原子，与钢中的Y元素结合，析出大量弥散分布的纳米Y2O3，直至TiO2被消耗完全，最终得到数量密度超过1023m-3性能优异的纳米稀土氧化物弥散强化钢。
本发明所述实例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高密度纳米氧化物ODS钢的制备装置，其特征在于：包括工作台(1)、结晶器(2)、升降单元(3)、旋转单元(4)和布流器(5)；所述结晶器(2)上端开口并设置在工作台(1)的下方，所述升降单元(3)用于升降结晶器(2)，所述旋转单元(4)用于转动结晶器(2)；所述布流器(5)安装在工作台(1)上且上下开口，其具有多个，位于结晶器(2)的上方并沿结晶器(2)的周向布置；所述布流器(5)的下端开口装有阀门。
2.根据权利要求1所述的一种高密度纳米氧化物ODS钢的制备装置，其特征在于：所述布流器(5)的个数为双数。
3.根据权利要求1所述的一种高密度纳米氧化物ODS钢的制备装置，其特征在于：还包括位于结晶器(2)下方的底座(6)；所述旋转单元(4)包括主轮(41)、副轮(42)、连接杆(43)和用于转动主轮(41)的旋转驱动机构(44)；所述副轮(42)转动安装在底座(6)上，所述主轮(41)和副轮(42)通过链条或皮带传动连接；所述连接杆(43)沿高度方向延伸，其两端分别固定连接结晶器(2)和副轮(42)。
4.根据权利要求3所述的一种高密度纳米氧化物ODS钢的制备装置，其特征在于：所述升降单元(3)包括升降杆(31)、旋转杆(32)和用于控制升降杆(31)升降的升降驱动机构(33)；所述升降杆(31)和旋转杆(32)均沿高度方向延伸，旋转杆(32)的上端固定连接结晶器(2)的下端面中心，下端通过轴承连接升降杆(31)的上端；
所述连接杆(43)包括上杆和下杆；所述下杆为上端开口的中空结构，其下端固定连接副轮(42)；所述上杆的上端固定连接结晶器(2)，其下端伸入下杆内。
5.根据权利要求4所述的一种高密度纳米氧化物ODS钢的制备装置，其特征在于：所述连接杆(43)具有多个，围绕升降杆(31)并沿结晶器(2)的周向等间隔排列。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的一种高密度纳米氧化物ODS钢的制备装置，其特征在于：所述结晶器(2)的壁面内设有冷却通道；所述冷却通道其中一端外接冷却介质源，另一端延伸至外部或外接回收装置。
7.一种高密度纳米氧化物ODS钢的制备方法，其特征在于：采用权利要求1-6中任意一项所述的一种高密度纳米氧化物ODS钢的制备装置，包括以下步骤：
一、在两个容器中加入钢基体并熔炼成熔体，其中一个容器中加入稀土元素并完全溶解；
二、每间隔一个布流器(5)向内加入含稀土元素的熔体，剩下的布流器(5)中加入不含稀土元素的熔体并向其中加入份量一致的氧载体颗粒，此时，每个布流器(5)内的熔体份量基本一致且阀门为关闭状态；
三、开启升降单元(3)和转动单元(4)，使结晶器(2)以固定速率下降和转动；同时，开启其中一个布流器(5)的阀门，当该布流器(5)内的熔体流完后，关闭该阀门，开启沿结晶器(2)转动方向排序的下一个布流器(5)的阀门，重复上述过程，直至结晶器(2)转动一圈且所有布流器(5)的熔体全部流完；
四、重复步骤二和三，直至结晶器(2)内的铸锭制备完成，取出铸锭并进行后续处理。
8.根据权利要求7所述的一种高密度纳米氧化物ODS钢的制备方法，其特征在于：所述步骤三中，结晶器(2)转动一圈所形成的一层熔体层厚度为1-10mm。
9.根据权利要求8所述的一种高密度纳米氧化物ODS钢的制备方法，其特征在于：所述步骤二中，布流器(5)中稀土元素和氧载体颗粒的物质的量之比为(1:1)～(1:5)。
10.根据权利要求9所述的一种高密度纳米氧化物ODS钢的制备方法，其特征在于：所述铸锭的化学成分及质量百分比为：C：0.03～0.13％,Si≦1.00％,Mn≦2.00％,P≦0.045％,S≦0.03％,Cr:9.0～18.0％，Ni:12.0％～15.0％，Mo:2.00％～3.00％，W：2.00％～3.00％，RE:0.01％～0.3％，X:0.01～0.5％，余量为Fe和不可避免的杂质。
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