CN115491590A - 高放废物储运容器用耐热不锈钢及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高放废物储运容器用耐热不锈钢及其制备方法与应用，耐热不锈钢由以下重量份数范围的化学成分组成：0.08≤C≤0.30、20.0≤Cr≤30.0、19≤Ni≤25、1.0≤Si≤5.0、0.005≤Ce≤0.15、0.5≤Mn≤3.0、0.10≤N≤0.30、44≤Fe≤58、Co元素不高于0.055份、B元素不高于0.002份、Cu元素不高于0.05份、Al元素不高于0.02份、Ti元素不高于0.015份、S元素不高于0.005份、P元素不高于0.010份、O元素不高于0.004份、H元素不高于0.0003份；制备方法：制备电渣锭、制备板坯、制备板材、加工成品；应用：本发明应用于核废物后处理和高温高压容器或设备中。本发明具有优良的室温、高温力学性能及耐高温、抗氧化、抗冲击性能，同时兼具优异的热冷加工性能、焊接性能和机加工性能。

Description

高放废物储运容器用耐热不锈钢及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及金属材料技术领域，尤其涉及一种高放废物储运容器用耐热不锈钢及其制备方法与应用。
背景技术
高放核废物由于具有放射水平高、半衰周期长、生物毒性大等特点，其处理处置已成为世界性关注的问题，我国也已将高放核废物后处理提升到了国家高度。目前，我国对高放核废物治理的工艺路线采用的是“玻璃固化－地质处置”，高放核废料储运容器是第一道安全屏障。高放核废料储运容器的制造，可以填补国内空白，对我国核废物后处理工程的发展具有重要意义。
根据高放核废物储运的技术要求，储运容器要选用具有较高强度、较好韧塑性、耐氧化、抗冲击的金属材料来制造，耐热不锈钢是最佳选择之一。目前国内外标准化的铬镍型耐热不锈钢很多，其在强度、韧塑性、耐热、抗冲击等某些方面也有较好的性能，但在综合平衡合金成本与性能要求，尤其是微量元素设计、有害元素控制等方面，尚不能完全满足高放核废物处理的高技术要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对上述现有技术的缺陷，提供一种高放废物储运容器用耐热不锈钢及其制备方法与应用。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高放废物储运容器用耐热不锈钢，由以下重量份数范围的化学成分组成：0.08≤C≤0.30、20.0≤Cr≤30.0、19≤Ni≤25、1.0≤Si≤5.0、0.005≤Ce≤0.15、0.5≤Mn≤3.0、0.10≤N≤0.30、44≤Fe≤58、Co元素不高于0.055份、B元素不高于0.002份、Cu元素不高于0.05份、Al元素不高于0.02份、Ti元素不高于0.015份、S元素不高于0.005份、P元素不高于0.010份、O元素不高于0.004份、H元素不高于0.0003份。
优选地，耐热不锈钢由以下重量份数范围的化学成分组成：0.08≤C≤0.30、20.0≤Cr≤30.0、19≤Ni≤25、1.0≤Si≤5.0、0.005≤Ce≤0.15、0.5≤Mn≤3.0、0.10≤N≤0.30、0.010＜Co≤0.055、0.0005＜B≤0.002、0.0025＜Cu≤0.05、0.005＜Al≤0.02、0.005＜Ti≤0.015、0.001＜S≤0.005、0.005＜P≤0.010、0.001＜O≤0.004、0.00002＜H≤0.0003、44≤Fe≤58。
优选地，耐热不锈钢由以下重量份数范围的化学成分组成：0.08≤C≤0.25、23.0≤Cr≤27.0、19≤Ni≤23、1.0≤Si≤3.0、0.01≤Ce≤0.10、0.5≤Mn≤2.5、0.10≤N≤0.30、0.015＜Co≤0.05、0.001＜B≤0.002、0.005＜Cu≤0.05、0.007＜Al≤0.02、0.009＜Ti≤0.015、0.002＜S≤0.005、0.006＜P≤0.010、0.0015＜O≤0.004、0.00003＜H≤0.0003、44≤Fe≤55。
优选地，耐热不锈钢由以下重量份数的化学成分组成：C：0.198份、Cr：25.02份、Ni：20.07份、Si：1.32份、Ce：0.01份、Mn：1.91份、N：0.182份、Co：0.018份、B：0.001份、Cu：0.005份、Al：0.008份、Ti：0.009份、S：0.002份、P：0.006份、O：0.002份、H：0.00005份、Fe：51份。
优选地，耐热不锈钢由以下重量份数的化学成分组成：C：0.10份、Cr：24.92份、Ni：19.98份、Si：1.32份、Ce：0.01份、Mn：1.0份、N：0.186份、Co：0.015份、B：0.001份、Cu：0.005份、Al：0.007份、Ti：0.009份、S：0.002份、P：0.007份、O：0.0015份、H：0.00003份、Fe：52.3份。
一种上述高放废物储运容器用耐热不锈钢在核废物后处理中的制备方法，包括以下步骤：
S1、制备电渣锭：称取C单质0.08-0.30份、Si单质1.0-5.0份、Mn单质0.5-3.0份、Cr单质20.0-30.0份、Ni单质19-25份，FeCrN 0.10-0.30份、Fe单质44-58份、Ce单质0.005-0.15份，经过真空熔炼和电渣重熔得到电渣锭；
S2、制备板坯：将S1步骤所得的电渣锭经1150～1200℃加热保温0.5～5h后进行锻造，得到厚度为δ30～200mm的板坯；
S3、制备板材：将S2步骤所得的板坯经1150～1200℃加热保温1～5h后进行热轧，得到厚度为δ7～9mm的板材；
S4、加工成品：将S2步骤所得的板材在1000～1200℃下保温0.3～1.5h进行退火处理，加工制成不锈钢板材成品。
优选地，真空熔炼包括：称取Fe、Cr、Ni单质进行真空熔炼；随后加入C、Si、Mn；充入保护气，加入FeCrN、Ce，进行炉前成分分析；浇铸成直径为Φ100～500mm的电极棒。
优选地，在1500-1600℃进行熔炼，真空度高于20Pa；保护气为氮气；在1700-1800℃下进行浇铸。
优选地，电渣重熔包括：配制电渣并烘烤得到渣液，将电极棒插入渣液进行熔炼，得到直径为Φ150～700mm的电渣锭；所述电渣为五元渣系CaF2-CaO-Al2O3-MgO-SiO2。
优选地，电渣重熔中，渣料为5-135kg，在600-1000℃烘烤4-10h，熔炼电流为3-13kA，电压为40-60V，熔速为8-12kg/min。
一种高放废物储运容器用耐热不锈钢在核废物后处理中的应用。
一种高放废物储运容器用耐热不锈钢在高温高压容器或设备中的应用。
本发明的有益效果：
本发明的高放废物储运容器用耐热不锈钢，对C、Cr、Ni、Si等主元素重新配比并组合，同时添加Ce这一稀土元素，而且对杂质元素的要求更高，尤其是对H、O、Al、Ti的规定。一般的耐热不锈钢如要提高强度往往会损失韧性，但本发明从主体元素Cr、Ni，到微量元素，尤其是Si、C、N，进行协调搭配，使得不锈钢的强度和抗氧化性能更好，同时其韧塑性不会下降。
本发明在高放废物储运容器用耐热不锈钢的制备过程中，添加稀土元素Ce并严格控制用量，同时采用高纯净金属原料，通过真空熔炼控制S、P、H、O等有害杂质元素，电渣重熔进一步去除杂质，极大降低了杂质元素含量，细化晶粒，减少偏析，使得不锈钢满足高强度、高韧性、高热强性的使用要求。
本发明的高放废物储运容器用耐热不锈钢由于具有优良的室温、高温力学性能及耐高温、抗氧化、抗冲击性能，兼具优异的热冷加工性能、焊接性能、机加工性能，可应用在核废物后处理领域以及高温高压容器或设备中。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，下面将结合实施例对本发明做进一步详述，本实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
本发明提供一种高放废物储运容器用耐热不锈钢，由以下重量份数范围的化学成分组成：0.08≤C≤0.30、20.0≤Cr≤30.0、19≤Ni≤25、1.0≤Si≤5.0、0.005≤Ce≤0.15、0.5≤Mn≤3.0、0.10≤N≤0.30、44≤Fe≤58、Co元素不高于0.055份、B元素不高于0.002份、Cu元素不高于0.05份、Al元素不高于0.02份、Ti元素不高于0.015份、S元素不高于0.005份、P元素不高于0.010份、O元素不高于0.004份、H元素不高于0.0003份。
其中，基体元素为Fe，主体元素为Cr、Ni，合金化元素为Si、Mn，微合金化元素为C、N、Ce，有害元素为Co、B、Cu、Al、Ti、S、P、O、H，有害元素为理想控制状态，其含量不高于对应元素的最高值。
作为优选，耐热不锈钢可由以下重量份数范围的化学成分组成：0.08≤C≤0.30、20.0≤Cr≤30.0、19≤Ni≤25、1.0≤Si≤5.0、0.005≤Ce≤0.15、0.5≤Mn≤3.0、0.10≤N≤0.30、0.010＜Co≤0.055、0.0005＜B≤0.002、0.0025＜Cu≤0.05、0.005＜Al≤0.02、0.005＜Ti≤0.015、0.001＜S≤0.005、0.005＜P≤0.010、0.001＜O≤0.004、0.00002＜H≤0.0003、44≤Fe≤58。
更优选地，耐热不锈钢可由以下重量份数范围的化学成分组成：0.08≤C≤0.25、23.0≤Cr≤27.0、19≤Ni≤23、1.0≤Si≤3.0、0.01≤Ce≤0.10、0.5≤Mn≤2.5、0.10≤N≤0.30、0.015＜Co≤0.05、0.001＜B≤0.002、0.005＜Cu≤0.05、0.007＜Al≤0.02、0.009＜Ti≤0.015、0.002＜S≤0.005、0.006＜P≤0.010、0.0015＜O≤0.004、0.00003＜H≤0.0003、44≤Fe≤55。
作为选择，耐热不锈钢可由以下重量份数的化学成分组成：C：0.198份、Cr：25.02份、Ni：20.07份、Si：1.32份、Ce：0.01份、Mn：1.91份、N：0.182份、Co：0.018份、B：0.001份、Cu：0.005份、Al：0.008份、Ti：0.009份、S：0.002份、P：0.006份、O：0.002份、H：0.00005份、Fe：51份。
作为选择，耐热不锈钢可由以下重量份数的化学成分组成：C：0.10份、Cr：24.92份、Ni：19.98份、Si：1.32份、Ce：0.01份、Mn：1.0份、N：0.186份、Co：0.015份、B：0.001份、Cu：0.005份、Al：0.007份、Ti：0.009份、S：0.002份、P：0.007份、O：0.0015份、H：0.00003份、Fe：52.3份。
本发明的高放废物储运容器用耐热不锈钢中各元素的作用如下：
Fe：合金基体元素。
Cr：主体元素，是不锈钢中最重要的元素，由于铬形成的致密、稳定的Cr2O3保护膜，阻止了介质对金属基体的继续渗入腐蚀形成钝化膜。这是“不锈”的基础，同时Cr也是为不锈钢提供强度、抗氧化、抗冲击性能的基础。一般来说，11.7％的铬含量就是构成不锈钢中含铬量的最低界限，而随着腐蚀介质条件的不同，有时钢中的铬含量还要提高，如在氧化性较强的介质中，铬含量要高于16％的钢才会有明显的钝化能力。对于普通不锈钢，C含量低于0.08％，铬含量大多为18％～20％，本发明中铬含量为20.0％～30.0％，配比含量为19.0％～25.0％的镍，同时C含量高于0.08％，既保证了奥氏体基体组织的稳定性，又极大提高不锈钢的强度、耐腐蚀、耐热性能。
Ni：主体元素，最重要的稳定奥氏体元素之一，同时可提高不锈钢的韧塑性、可焊接性、加工性，以及不锈钢的再钝化能力。奥氏体不锈钢在其他奥氏体稳定化元素含量较低的情况下，通常要含有至少8％的镍，本发明的镍含量为19.0％～25.0％，配比含量为20.0％～30.0％的铬，既保证了奥氏体基体组织的稳定性，又极大提高不锈钢的韧塑性、可焊接性、加工性及再钝化能力。
C：碳对于不锈钢的显微组织、力学性能、耐腐蚀性能有很大影响作用。碳是一个强奥氏体形成元素，其作用程度大约是镍的30倍，对于稳定奥氏体基体起到了重要作用，另外碳还能明显提高不锈钢的室温强度和高温强度。普通不锈钢的碳含量通常低于0.08％，而本发明的碳含量为0.08％-0.30％，既提高了本发明材料的强度尤其是高温强度，配合20.0％～30.0％的铬，又保证了本发明材料不易形成贫铬区导致晶界贫铬，仍具有优良的耐蚀性。
Si：高放废物在浇注到储运容器时，温度最高可达1250℃。一般的铬镍型耐热钢不能抵抗这么高的温度。硅元素能使不锈钢表面形成富硅的氧化物保护膜，提高不锈钢在氧化性介质中的耐腐蚀、抗氧化性能和热强性。同时硅作为一种脱氧剂，还可提高不锈钢在冶炼时的脱氧能力，改善其加工性能。通常硅含量为0.75％～1.00％之间，本发明的硅含量为1.0％～5.0％，既充分发挥硅的有益作用，保证基体稳定，又可控制钢种σ、χ等脆性相析出的敏感性，确保本发明材料具有优良的塑性、韧性和耐蚀性。
Ce：净化晶界、改善合金的热加工性能、提高合金的高温性能，尤其是抗蠕变能力。铈作为一种稀土元素，普通耐热不锈钢不含铈，本发明的铈含量为0.005～0.15％。铈非常活泼，冶炼中需在高真空度下迅速添加并予以精确控制。
Mn：奥氏体形成元素，形成和稳定奥氏体的能力相当于镍的1/2，对于提高不锈钢的强度、改善加工性能有一定好处。更重要的是，本发明是一种控氮型耐热不锈钢，随着不锈钢中锰含量的增加，可显著提高氮在钢中的溶解度。另外，锰作为脱氧剂和脱硫剂，对于脱氧和消除硫引起的热脆性也有重要作用。本发明锰含量为0.5％～3.0％，虽与普通不锈钢基本持平，但配合19.0％～25.0％的镍，既充分发挥锰的有益作用，又可避免过高锰含量导致的晶粒粗化，提高材料耐腐蚀、抗氧化性能。
N：强奥氏体形成元素，有利于取代部分的镍，降低合金成本，同时还能稳定奥氏体基体。另外氮可以促进钝化膜的铬的富集，提高钢的钝化能力，降低铬在碳中的活性，抑制钢种铬的碳化物的析出，降低晶间腐蚀敏感性。同时还能提高合金的强度。本发明的氮含量为0.10～0.30％，氮含量与普通不锈钢基本持平。
S、P、Al、Ti、O、H：对合金热冷加工不利，同时会恶化合金的韧塑性，应在不明显增加冶炼难度的条件下严格控制。
Co、B、Cu：在高放射性环境下易于导致辐照脆化，应在不明显增加冶炼难度的条件下严格控制。
本发明的高放废物储运容器用耐热不锈钢，对C、Cr、Ni、Si等主元素重新配比并组合，同时添加Ce这一稀土元素，而且对杂质元素的要求更高，尤其是对H、O、Al、Ti的规定。一般的耐热不锈钢如要提高强度往往会损失韧性，但本发明从主体元素Cr、Ni，到微量元素，尤其是Si、C、N，进行协调搭配，使得不锈钢的强度和抗氧化性能更好，同时其韧塑性不会下降。
本发明还提供一种上述高放废物储运容器用耐热不锈钢在核废物后处理中的制备方法，包括以下步骤：
S1、制备电渣锭：
S1.1、真空熔炼：称取Fe单质44-58份、Cr单质20.0-30.0份、Ni单质19-25份，在真空感应炉上1500-1600℃进行熔炼，真空度优选高于20Pa，此处真空度指真空表的读数，且真空度＞20Pa即可，不对其进行限定；随后加入C单质0.08-0.30份、Si单质1.0-5.0份、Mn单质0.5-3.0份；充入保护气氮气，加入FeCrN0.10-0.30份、Ce单质0.005-0.15份，进行炉前成分分析；在1700-1800℃下进行浇铸，得到直径为Φ100～500mm的电极棒；
S1.2、电渣重熔：配制五元渣系CaF2-CaO-Al2O3-MgO-SiO2，称取5-135kg渣料在600-1000℃烘烤4-10h，得到渣液；将电极棒清理氧化皮后插入渣液进行熔炼，熔炼电流为3-13kA，电压为40-60V，熔速为8-12kg/min，得到直径为Φ150～700mm的电渣锭。
S2、制备板坯：将S1步骤所得的电渣锭经1150～1200℃加热保温0.5～5h后进行锻造，得到厚度为δ30～200mm的板坯，再经过超声探伤、下料、表面精整等工序后制得热轧板坯；
S3、制备板材：将S2步骤所得的热轧板坯经1150～1200℃加热保温1～5h后进行热轧，得到厚度为δ7～9mm的板材；
S4、加工成品：将S2步骤所得的板材在1000～1200℃下保温0.3～1.5h进行固溶退火处理，再水冷、酸洗、下料成目标规格的板材，经无损检验、性能检测后，得到耐热不锈钢板材成品。
本发明在高放废物储运容器用耐热不锈钢的制备过程中，添加稀土元素Ce并严格控制用量，同时极大降低S、P、H、O等有害杂质元素，细化晶粒，减少偏析，使得不锈钢能够满足高强度、高韧性、高热强性的使用要求。
本发明的高放废物储运容器用耐热不锈钢是一种铬镍型奥氏体耐热不锈钢，具有良好的室温、高温力学性能以及耐高温、抗氧化、抗冲击性能，同时兼具优异的热冷加工性能、焊接性能和机加工性能，特别是在平衡合金成本与性能要求、微量元素优化、有害元素控制等方面进行了独特设计，因此在核废物后处理领域以及高温高压容器或设备中具有广泛的推广应用前景。
以下通过具体实施例进行说明：
实施例1
一种高放废物储运容器用耐热不锈钢，由以下重量份数的化学成分组成：C：0.198份、Cr：25.02份、Ni：20.07份、Si：1.32份、Ce：0.01份、Mn：1.91份、N：0.182份、Co：0.018份、B：0.001份、Cu：0.005份、Al：0.008份、Ti：0.009份、S：0.002份、P：0.006份、O：0.002份、H：0.00005份、Fe：51份。
本发明还提供一种上述高放废物储运容器用耐热不锈钢在核废物后处理中的制备方法，包括以下步骤：
S1、制备电渣锭：
S1.1、真空熔炼：按照上述重量份数称取Fe、Cr、Ni单质，在50kg真空感应炉上1540℃进行熔炼，真空度高于20Pa；随后加入C、Si、Mn单质；充入氮气，加入FeCrN、Ce单质，进行炉前成分分析；在1740℃下进行浇铸，得到直径为Φ110mm的电极棒；
S1.2、电渣重熔：配制五元渣系CaF2-CaO-Al2O3-MgO-SiO2，称取7kg渣料在800℃烘烤7h，得到渣液；将电极棒清理氧化皮后插入渣液进行熔炼，熔炼电流为3.5kA，电压为45V，熔速为10kg/min，得到直径为Φ160mm的电渣锭；
S2、制备板坯：将S1步骤所得的电渣锭经1170℃加热保温1h后进行锻造，得到厚度为δ40mm的板坯，再经过超声探伤、下料、表面精整等工序后制得热轧板坯；
S3、制备板材：将S2步骤所得的热轧板坯经1170℃加热保温1.5h后进行热轧，得到厚度为δ8mm的板材；
S4、加工成品：将S2步骤所得的板材在1100℃下保温1h进行固溶退火处理，再水冷、酸洗、下料成目标规格的板材，经无损检验、性能检测后，得到耐热不锈钢板材成品。
本发明还提供一种高放废物储运容器用耐热不锈钢在核废物后处理中的应用，具体地，将该耐热不锈钢加工制成不锈钢板材。
本发明还提供一种高放废物储运容器用耐热不锈钢在高温高压容器或设备中的应用，具体地，将该耐热不锈钢加工制成高温高压容器。
实施例2
一种高放废物储运容器用耐热不锈钢，由以下重量份数的化学成分组成：C：0.10份、Cr：24.92份、Ni：19.98份、Si：1.32份、Ce：0.01份、Mn：1.0份、N：0.186份、Co：0.015份、B：0.001份、Cu：0.005份、Al：0.007份、Ti：0.009份、S：0.002份、P：0.007份、O：0.0015份、H：0.00003份、Fe：52.3份。
本发明还提供一种上述高放废物储运容器用耐热不锈钢在核废物后处理中的制备方法，包括以下步骤：
S1、制备电渣锭：
S1.1、真空熔炼：按照上述重量份数称取Fe、Cr、Ni单质，在3000kg真空感应炉上1560℃进行熔炼，真空度高于20Pa；随后加入C、Si、Mn单质；充入氮气，加入FeCrN、Ce单质，进行炉前成分分析；在1760℃下进行浇铸，得到直径为Φ400mm的电极棒。
S1.2、电渣重熔：配制五元渣系CaF2-CaO-Al2O3-MgO-SiO2，称取130kg渣料在800℃烘烤8h，得到渣液；将电极棒清理氧化皮后插入渣液进行熔炼，熔炼电流为12kA，电压为56V，熔速为10kg/min，得到直径为Φ600mm的电渣锭；
S2、制备板坯：将S1步骤所得的电渣锭经1170℃加热保温3h后进行锻造，得到δ170×850×Lmm板坯，再经过超声探伤、下料、表面精整等工序后制得热轧板坯；
S3、制备板材：将S2步骤所得的热轧板坯经1180℃加热保温3h后进行热轧，得到δ7.5×1390×Lmm板材；
S4、加工成品：将S2步骤所得的板材在1100℃下保温0.5h进行固溶退火处理，再水冷、酸洗、下料成目标规格的板材，经无损检验、性能检测后，得到耐热不锈钢板材成品。
本发明还提供一种高放废物储运容器用耐热不锈钢在核废物后处理中的应用，具体地，将该耐热不锈钢加工制成不锈钢板材。
本发明还提供一种高放废物储运容器用耐热不锈钢在高温高压容器或设备中的应用，具体地，将该耐热不锈钢加工制成高温高压容器。
实施例3
一种高放废物储运容器用耐热不锈钢，由以下重量份数的化学成分组成：C：0.08份、Cr：20.0份、Ni：19.0份、Si：1.0份、Ce：0.005份、Mn：0.5份、N：0.10份、Co：0.010份、B：0.0005份、Cu：0.0025份、Al：0.005份、Ti：0.005份、S：0.001份、P：0.005份、O：0.001份、H：0.00002份、Fe：44份。
本发明还提供一种上述高放废物储运容器用耐热不锈钢在核废物后处理中的制备方法，包括以下步骤：
S1、制备电渣锭：
S1.1、真空熔炼：按照上述重量份数称取Fe、Cr、Ni单质，在50kg真空感应炉上1500℃进行熔炼，真空度高于20Pa；随后加入C、Si、Mn单质；充入氮气，加入FeCrN、Ce单质，进行炉前成分分析；在1700℃下进行浇铸，得到直径为Φ100mm的电极棒；
S1.2、电渣重熔：配制五元渣系CaF2-CaO-Al2O3-MgO-SiO2，称取5kg渣料在600℃烘烤10h，得到渣液；将电极棒清理氧化皮后插入渣液进行熔炼，熔炼电流为3kA，电压为60V，熔速为8kg/min，得到直径为Φ150mm的电渣锭；
S2、制备板坯：将S1步骤所得的电渣锭经1150℃加热保温5h后进行锻造，得到δ30mm板坯，再经过超声探伤、下料、表面精整等工序后制得热轧板坯；
S3、制备板材：将S2步骤所得的热轧板坯经1150℃加热保温5h后进行热轧，得到厚度为δ7mm板材；
S4、加工成品：将S2步骤所得的板材在1000℃下保温1.5h进行固溶退火处理，再水冷、酸洗、下料成目标规格的板材，经无损检验、性能检测后，得到耐热不锈钢板材成品。
本发明还提供一种高放废物储运容器用耐热不锈钢在核废物后处理中的应用，具体地，将该耐热不锈钢加工制成不锈钢板材。
本发明还提供一种高放废物储运容器用耐热不锈钢在高温高压容器或设备中的应用，具体地，将该耐热不锈钢加工制成高温高压容器。
实施例4
一种高放废物储运容器用耐热不锈钢，由以下重量份数的化学成分组成：C：0.08份、Cr：23.0份、Ni：19.0份、Si：1.0份、Ce：0.01份、Mn：0.5份、N：0.10份、Co：0.015份、B：0.001份、Cu：0.005份、Al：0.007份、Ti：0.009份、S：0.002份、P：0.006份、O：0.0015份、H：0.00003份、Fe：44份。
本发明还提供一种上述高放废物储运容器用耐热不锈钢在核废物后处理中的制备方法，包括以下步骤：
S1、制备电渣锭：
S1.1、真空熔炼：按照上述重量份数称取Fe、Cr、Ni单质，在50kg真空感应炉上1520℃进行熔炼，真空度高于20Pa；随后加入C、Si、Mn单质；充入氮气，加入FeCrN、Ce单质，进行炉前成分分析；在1720℃下进行浇铸，得到直径为Φ200mm的电极棒；
S1.2、电渣重熔：配制五元渣系CaF2-CaO-Al2O3-MgO-SiO2，称取40kg渣料在700℃烘烤10h，得到渣液；将电极棒清理氧化皮后插入渣液进行熔炼，熔炼电流为6kA，电压为50V，熔速为9kg/min，得到直径为Φ200mm的电渣锭；
S2、制备板坯：将S1步骤所得的电渣锭经1160℃加热保温2h后进行锻造，得到δ80mm板坯，再经过超声探伤、下料、表面精整等工序后制得热轧板坯；
S3、制备板材：将S2步骤所得的热轧板坯经1160℃加热保温2h后进行热轧，得到厚度为δ8mm板材；
S4、加工成品：将S2步骤所得的板材在1100℃下保温0.6h进行固溶退火处理，再水冷、酸洗、下料成目标规格的板材，经无损检验、性能检测后，得到耐热不锈钢板材成品。
本发明还提供一种高放废物储运容器用耐热不锈钢在核废物后处理中的应用，具体地，将该耐热不锈钢加工制成不锈钢板材。
本发明还提供一种高放废物储运容器用耐热不锈钢在高温高压容器或设备中的应用，具体地，将该耐热不锈钢加工制成高温高压容器。
实施例5
一种高放废物储运容器用耐热不锈钢，由以下重量份数的化学成分组成：C：0.08份、Cr：23.0份、Ni：19.0份、Si：1.0份、Ce：0.01份、Mn：0.5份、N：0.10份、Co：0.015份、B：0.001份、Cu：0.005份、Al：0.007份、Ti：0.009份、S：0.002份、P：0.006份、O：0.0015份、H：0.00003份、Fe：44份。
本发明还提供一种上述高放废物储运容器用耐热不锈钢在核废物后处理中的制备方法，包括以下步骤：
S1、制备电渣锭：
S1.1、真空熔炼：按照上述重量份数称取Fe、Cr、Ni单质，在3000kg真空感应炉上1530℃进行熔炼，真空度高于20Pa；随后加入C、Si、Mn单质；充入氮气，加入FeCrN、Ce单质，进行炉前成分分析；在1730℃下进行浇铸，得到直径为Φ300mm的电极棒；
S1.2、电渣重熔：配制五元渣系CaF2-CaO-Al2O3-MgO-SiO2，称取60kg渣料在900℃烘烤9h，得到渣液；将电极棒清理氧化皮后插入渣液进行熔炼，熔炼电流为8kA，电压为48V，熔速为9kg/min，得到直径为Φ400mm的电渣锭；
S2、制备板坯：将S1步骤所得的电渣锭经1170℃加热保温3h后进行锻造，得到δ100mm板坯，再经过超声探伤、下料、表面精整等工序后制得热轧板坯；
S3、制备板材：将S2步骤所得的热轧板坯经1170℃加热保温3h后进行热轧，得到厚度为δ8mm板材；
S4、加工成品：将S2步骤所得的板材在1080℃下保温1.2h进行固溶退火处理，再水冷、酸洗、下料成目标规格的板材，经无损检验、性能检测后，得到耐热不锈钢板材成品。
本发明还提供一种高放废物储运容器用耐热不锈钢在核废物后处理中的应用，具体地，将该耐热不锈钢加工制成不锈钢板材。
本发明还提供一种高放废物储运容器用耐热不锈钢在高温高压容器或设备中的应用，具体地，将该耐热不锈钢加工制成高温高压容器。
实施例6
一种高放废物储运容器用耐热不锈钢，由以下重量份数的化学成分组成：C：0.25份、Cr：27.0份、Ni：23.0份、Si：3.0份、Ce：0.10份、Mn：2.5份、N：0.30份、Co：0.05份、B：0.002份、Cu：0.05份、Al：0.02份、Ti：0.015份、S：0.005份、P：0.010份、O：0.004份、H：0.0003份、Fe：55份。
本发明还提供一种上述高放废物储运容器用耐热不锈钢在核废物后处理中的制备方法，包括以下步骤：
S1、制备电渣锭：
S1.1、真空熔炼：按照上述重量份数称取Fe、Cr、Ni单质，在3000kg真空感应炉上1580℃进行熔炼，真空度高于20Pa；随后加入C、Si、Mn单质；充入氮气，加入FeCrN、Ce单质，进行炉前成分分析；在1780℃下进行浇铸，得到直径为Φ450mm的电极棒；
S1.2、电渣重熔：配制五元渣系CaF2-CaO-Al2O3-MgO-SiO2，称取100kg渣料在900℃烘烤5h，得到渣液；将电极棒清理氧化皮后插入渣液进行熔炼，熔炼电流为10kA，电压为45V，熔速为11kg/min，得到直径为Φ500mm的电渣锭；
S2、制备板坯：将S1步骤所得的电渣锭经1180℃加热保温2h后进行锻造，得到δ180mm板坯，再经过超声探伤、下料、表面精整等工序后制得热轧板坯；
S3、制备板材：将S2步骤所得的热轧板坯经1180℃加热保温2h后进行热轧，得到厚度为δ8.5mm板材；
S4、加工成品：将S2步骤所得的板材在1180℃下保温0.6h进行固溶退火处理，再水冷、酸洗、下料成目标规格的板材，经无损检验、性能检测后，得到耐热不锈钢板材成品。
本发明还提供一种高放废物储运容器用耐热不锈钢在核废物后处理中的应用，具体地，将该耐热不锈钢加工制成不锈钢板材。
本发明还提供一种高放废物储运容器用耐热不锈钢在高温高压容器或设备中的应用，具体地，将该耐热不锈钢加工制成高温高压容器。
实施例7
一种高放废物储运容器用耐热不锈钢，由以下重量份数的化学成分组成：C：0.30份、Cr：30.0份、Ni：25份、Si：5.0份、Ce：0.15份、Mn：3.0份、N：0.30份、Co：0.055份、B：0.002份、Cu：0.05份、Al：0.02份、Ti：0.015份、S：0.005份、P：0.010份、O：0.004份、H：0.0003份、Fe：58份。
本发明还提供一种上述高放废物储运容器用耐热不锈钢在核废物后处理中的制备方法，包括以下步骤：
S1、制备电渣锭：
S1.1、真空熔炼：按照上述重量份数称取Fe、Cr、Ni单质，在3000kg真空感应炉上1600℃进行熔炼，真空度高于20Pa；随后加入C、Si、Mn单质；充入氮气，加入FeCrN、Ce单质，进行炉前成分分析；在1800℃下进行浇铸，得到直径为Φ500mm的电极棒；
S1.2、电渣重熔：配制五元渣系CaF2-CaO-Al2O3-MgO-SiO2，称取135kg渣料在1000℃烘烤4h，得到渣液；将电极棒清理氧化皮后插入渣液进行熔炼，熔炼电流为13kA，电压为40V，熔速为12kg/min，得到直径为Φ700mm的电渣锭；
S2、制备板坯：将S1步骤所得的电渣锭经1200℃加热保温0.5h后进行锻造，得到δ200mm板坯，再经过超声探伤、下料、表面精整等工序后制得热轧板坯；
S3、制备板材：将S2步骤所得的热轧板坯经1200℃加热保温1h后进行热轧，得到厚度为δ9mm板材；
S4、加工成品：将S2步骤所得的板材在1200℃下保温0.3h进行固溶退火处理，再水冷、酸洗、下料成目标规格的板材，经无损检验、性能检测后，得到耐热不锈钢板材成品。
本发明还提供一种高放废物储运容器用耐热不锈钢在核废物后处理中的应用，具体地，将该耐热不锈钢加工制成不锈钢板材。
本发明还提供一种高放废物储运容器用耐热不锈钢在高温高压容器或设备中的应用，具体地，将该耐热不锈钢加工制成高温高压容器。
对比试验：
将本发明的实施例1、实施例2与目前常用于高放废物储运容器的耐热不锈钢X6CrNi23-13、X6CrNi25-20的性能进行对比，不锈钢X6CrNi23-13、X6CrNi25-20的化学成分如表1所示，该两种不锈钢与本发明的区别在于，没有添加Ce元素，且未要求控制和检测Fe、Co、B、Cu、Al、Ti、O、H元素。
表1不锈钢X6CrNi23-13、X6CrNi25-20的化学成分
Figure BDA0003822280480000181
一、拉伸试验
1、常温拉伸试验
试验仪器：CMT5305电子万能试验机(705)
试验步骤：将实施例1、实施例2的高放废物储运容器用耐热不锈钢加工制成δ6.0×1150×210mm板材。
2、高温拉伸试验
试验仪器：AGS-X-300KN电子万能试验机(1000-A)
试验步骤：将实施例1、实施例2的高放废物储运容器用耐热不锈钢加工制成δ6.0×1150×210mm板材。
二、冲击试验：
试验仪器：ZBC-2302-1摆锤冲击试验机
试验步骤：将实施例1、实施例2的高放废物储运容器用耐热不锈钢加工制成10×10×55mm冲击试样。
试验结果如表2所示，其中，不锈钢X6CrNi23-13、X6CrNi25-20的指标为欧洲标准：BS EN 10028-7，由于现有的耐热不锈钢的使用温度通常不高于600℃，即不锈钢很少用于超高温环境，因此，欧标也未对不锈钢X6CrNi23-13、X6CrNi25-20进行超高温性能检测。
表2实施例1、实施例2与不锈钢X6CrNi23-13、X6CrNi25-20的性能对比
Figure BDA0003822280480000191
由表2的试验结果可知，在常温和高温600℃、1000℃下，本发明的不锈钢的抗拉强度、屈服强度和断后延伸率都有较大的提升，室温下抗拉强度和屈服强度分别可达到812MPa、431MPa，冲击韧性甚至提升了一倍，达到200J。另外，本发明的耐热不锈钢的布氏硬度达到218，晶粒度为7.0级，达到细化晶粒，减少偏析，而且在1050℃下的氧化失重率最低可达0.66g/m2·h。因此，本发明的耐热不锈钢具有优良的力学性能、抗冲击性能、耐高温与抗氧化性能，同时兼具优异的热冷加工性能(含焊接性能和机加工性能)，能够满足高放废物后处理对材料的高强度、高韧性、高热强性的使用要求。因此，本发明的耐热不锈钢对我国核废物后处理工程发展具有重要意义，同时还可以推广应用于其他核废物处理领域，具有显著的社会效益和经济效益。
此外，将本发明的耐热不锈钢加工制成高温高压储运容器，对其进行性能试验。试验发现，将该储运容器浇注92％容积的1115℃玻璃熔液并冷却后，其变形率小于1％，表明本发明的不锈钢能够耐受超高温；将储运容器浇灌92％容积的玻璃熔液后从9米高、30°倾角滚落撞击，不发生可见裂纹，且经受玻璃浇注热循环后其冲击韧性仍可达到120J，具有优越的超高温性能。因此，本发明的耐热不锈钢可应用在需要耐受高温高压的容器或设备。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (12)

1.一种高放废物储运容器用耐热不锈钢，其特征在于，由以下重量份数范围的化学成分组成：0.08≤C≤0.30、20.0≤Cr≤30.0、19≤Ni≤25、1.0≤Si≤5.0、0.005≤Ce≤0.15、0.5≤Mn≤3.0、0.10≤N≤0.30、44≤Fe≤58、Co元素不高于0.055份、B元素不高于0.002份、Cu元素不高于0.05份、Al元素不高于0.02份、Ti元素不高于0.015份、S元素不高于0.005份、P元素不高于0.010份、O元素不高于0.004份、H元素不高于0.0003份。
2.根据权利要求1所述的高放废物储运容器用耐热不锈钢，其特征在于，由以下重量份数范围的化学成分组成：0.08≤C≤0.30、20.0≤Cr≤30.0、19≤Ni≤25、1.0≤Si≤5.0、0.005≤Ce≤0.15、0.5≤Mn≤3.0、0.10≤N≤0.30、0.010＜Co≤0.055、0.0005＜B≤0.002、0.0025＜Cu≤0.05、0.005＜Al≤0.02、0.005＜Ti≤0.015、0.001＜S≤0.005、0.005＜P≤0.010、0.001＜O≤0.004、0.00002＜H≤0.0003、44≤Fe≤58。
3.根据权利要求2所述的高放废物储运容器用耐热不锈钢，其特征在于，由以下重量份数范围的化学成分组成：0.08≤C≤0.25、23.0≤Cr≤27.0、19≤Ni≤23、1.0≤Si≤3.0、0.01≤Ce≤0.10、0.5≤Mn≤2.5、0.10≤N≤0.30、0.015＜Co≤0.05、0.001＜B≤0.002、0.005＜Cu≤0.05、0.007＜Al≤0.02、0.009＜Ti≤0.015、0.002＜S≤0.005、0.006＜P≤0.010、0.0015＜O≤0.004、0.00003＜H≤0.0003、44≤Fe≤55。
4.根据权利要求1所述的高放废物储运容器用耐热不锈钢，其特征在于，由以下重量份数的化学成分组成：C：0.198份、Cr：25.02份、Ni：20.07份、Si：1.32份、Ce：0.01份、Mn：1.91份、N：0.182份、Co：0.018份、B：0.001份、Cu：0.005份、Al：0.008份、Ti：0.009份、S：0.002份、P：0.006份、O：0.002份、H：0.00005份、Fe：51份。
5.根据权利要求1所述的高放废物储运容器用耐热不锈钢，其特征在于，由以下重量份数的化学成分组成：C：0.10份、Cr：24.92份、Ni：19.98份、Si：1.32份、Ce：0.01份、Mn：1.0份、N：0.186份、Co：0.015份、B：0.001份、Cu：0.005份、Al：0.007份、Ti：0.009份、S：0.002份、P：0.007份、O：0.0015份、H：0.00003份、Fe：52.3份。
6.一种高放废物储运容器用耐热不锈钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、制备电渣锭：称取C单质0.08-0.30份、Si单质1.0-5.0份、Mn单质0.5-3.0份、Cr单质20.0-30.0份、Ni单质19-25份，FeCrN0.10-0.30份、Fe单质44-58份、Ce单质0.005-0.15份，经过真空熔炼和电渣重熔得到电渣锭；
S2、制备板坯：将S1步骤所得的电渣锭经1150～1200℃加热保温0.5～5h后进行锻造，得到厚度为δ30～200mm的板坯；
S3、制备板材：将S2步骤所得的板坯经1150～1200℃加热保温1～5h后进行热轧，得到厚度为δ7～9mm的板材；
S4、加工成品：将S2步骤所得的板材在1000～1200℃下保温0.3～1.5h进行退火处理，加工制成不锈钢板材成品。
7.根据权利要求6所述的高放废物储运容器用耐热不锈钢的制备方法，其特征在于，所述真空熔炼包括：称取Fe、Cr、Ni单质进行真空熔炼；随后加入C、Si、Mn；充入保护气，加入FeCrN、Ce，进行炉前成分分析；浇铸成直径为Φ100～500mm的电极棒。
8.根据权利要求7所述的高放废物储运容器用耐热不锈钢的制备方法，其特征在于，在1500-1600℃进行熔炼，真空度高于20Pa；保护气为氮气；在1700-1800℃下进行浇铸。
9.根据权利要求7所述的高放废物储运容器用耐热不锈钢的制备方法，其特征在于，所述电渣重熔包括：配制电渣并烘烤得到渣液，将电极棒插入渣液进行熔炼，得到直径为Φ150～700mm的电渣锭；所述电渣为五元渣系CaF2-CaO-Al2O3-MgO-SiO2。
10.根据权利要求8所述的高放废物储运容器用耐热不锈钢的制备方法，其特征在于，称取5-135kg电渣渣料在600-1000℃下烘烤4-10h；熔炼电流为3-13kA，电压为40-60V，熔速为8-12kg/min。
11.一种高放废物储运容器用耐热不锈钢在核废物后处理中的应用。
12.一种高放废物储运容器用耐热不锈钢在高温高压容器或设备中的应用。
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