CN111876609B - 一种氧化物强化低活化钢、电渣重熔渣系及冶炼方法 - Google Patents

一种氧化物强化低活化钢、电渣重熔渣系及冶炼方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种氧化物强化低活化钢、电渣重熔渣系及冶炼方法，电渣重熔渣系包括A渣和B渣，以质量份数计，所述A渣的组成成分包括：CaF2:40～55份，Y2O3:30～35份，CaO:20～30份；所述B渣的组成成分包括CaF2:55～65份，CaO:30～40份，MgO:2～5份，SiO2:3～7份；冶炼时，从自耗电极的上端端面向内加工出盲孔，在盲孔中填满钇，将自耗电极的上端与假电极焊接，并将自耗电极固定在冶炼位置，向水冷结晶器内加入A渣，起弧造渣；起弧后开始冶炼，冶炼到自耗电极指定位置后，加入B渣，继续冶炼直到结束，所述指定位置为自耗电极上盲孔底部对应的水平位置。本发明的电渣重熔渣系不含Al2O3，冶炼方法能够充分利用本发明的电渣重熔系，提高Y收得率，并得到一种新的氧化物强化低活化钢。

Description

一种氧化物强化低活化钢、电渣重熔渣系及冶炼方法
技术领域
本发明涉及电冶金领域，尤其涉及一种氧化物强化低活化钢、电渣重熔渣系及冶炼方法。
背景技术
低活化钢由于其具有优良的性能被普遍认为是未来聚变示范堆和聚变动力堆的首选结构材料。其采用了低活化的设计，即材料在服役后的放射性需要在100年内下降到可以再循环使用的限制水平(10mSv/h)，因此钢中要避免高活性元素Al、Ni、Cu、Nb、Mo、Sn的存在。为一步提高低活化钢的力学性能，国内外学者通过了大量的试验研究，应用粉末冶金工艺开发了Y2O3氧化物强化的低活化钢。目前，采用粉末冶金方法制备氧化物强化钢过程中氧化物弥散相在母材中的均匀分散问题和材料的低温脆性问题没有得到很好解决，同时工艺和产品重现性差，很难制备出纯净度相同、组织和性能相同的钢。熔炼工艺可以有效的解决以上问题。
目前，国际上广泛采用真空感应熔炼技术+电渣重熔技术来制备低活化钢。真空感应熔炼(Vacuum Induction Melting，VIM)是指在真空条件下利用电磁感应在金属导体内产生涡流加热炉料进行熔炼的方法，便于控制温度和压力，具有熔炼室体积小，抽真空时间和熔炼周期短等优点。电渣重熔是利用电流通过熔渣时产生的电阻热作为热源进行熔炼的方法。其主要目的是提纯金属并获得洁净组织均匀致密的钢锭。经电渣重熔的钢，纯度高、含硫低、非金属夹杂物少、钢锭表面光滑、洁净均匀致密、金相组织和化学成分均匀。同时电渣重熔工艺设备简单、操作方便，工艺的稳定性和可控性较高。
目前电渣重熔常用渣系是以CaF2为主原料，配加A12O3、CaO等氧化物；基础渣系有CaF2-A12O3渣系(70％CaF2-30％A12O3)和CaF2-CaO-A12O3渣系(60％CaF2-20％A12O3-20％CaO和40％CaF2-30％A12O3-30％CaO)两个系列，以上渣系中均含有一定质量分数的A12O3，熔炼过程中A12O3将进入钢液对低活化钢造成污染，造成其活性的升高。同时Y2O3为稀土氧化物，在电渣重熔过程中稀土回收率极低(小于5％)的问题一直没有得到解决。因此急需一种新型不含Al2O3并可提高Y收得率的电渣渣系用于氧化物强化低活化钢的冶炼。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种氧化物强化低活化钢、电渣重熔渣系及冶炼方法，本发明的电渣重熔渣系不含Al2O3，本发明的冶炼方法能够充分利用本发明的电渣重熔系，提高Y收得率，并得到一种新的氧化物强化低活化钢。
本发明采用的技术方案如下：
一种氧化物强化低活化钢用电渣重熔渣系，包括A渣和B渣，以质量份数计，所述A渣的组成成分包括：CaF2:40～55份，Y2O3:30～35份，CaO:20～30份；所述B渣的组成成分包括CaF2:55～65份，CaO:30～40份，MgO:2～5份，SiO2:3～7份；
所述电渣重熔渣系适用于以下成分的氧化物强化低活化钢的冶炼，以质量百分数计，所述氧化物强化低活化钢的成分包括：C：0.09％～0.12％，Si：0.15％～0.23％，Mn：0.13％～0.18％，Cr：7.5％～8.4％，W：1.7％～2.0％，V：0.18％～0.19％，Ti：0.018％～0.048％，Zr：0.016％～0.04％，Y2O3：0.24％～0.27％，其余为Fe。
一种氧化物强化低活化钢的冶炼方法，包括如下过程：
S1，从自耗电极的上端端面向内加工出盲孔，在盲孔中填满钇，将自耗电极的上端与假电极焊接，并将自耗电极固定在冶炼位置，向水冷结晶器内加入本发明上述的A渣，起弧造渣；
S2，起弧后开始冶炼，冶炼到自耗电极指定位置后，加入本发明上述的B渣，继续冶炼直到结束，所述指定位置为自耗电极上盲孔底部对应的水平位置；
所述自耗电极材质为真空感应冶炼低活化钢；
钇的质量与自耗电极质量比为(0.5～1.5)/100；A渣的用量为自耗电极的下端至盲孔底部这部分质量的8％～10％，B渣的用量为自耗电极总重量的10％～15％；
以质量百分数计，冶炼得到的氧化物强化低活化钢的组成成分包括：C：0.09％～0.12％，Si：0.15％～0.23％，Mn：0.13％～0.18％，Cr：7.5％～8.4％，W：1.7％～2.0％，V：0.18％～0.19％，Ti：0.018％～0.048％，Zr：0.016％～0.04％，Y2O3：0.24％～0.27％，其余为Fe。
优选的，以质量百分数计，所述真空感应冶炼低活化钢的化学成分包括：C：0.10％～0.13％，Si：0.15％～0.25％，Mn：0.15％～0.25％，Cr：7.7％～8.7％，W：1.7％～2.3％，V：0.20％～0.25％，Ti：0.02％～0.06％，Zr：0.02％～0.06％，其余为Fe。
优选的，A渣和B渣在使用前均进行烘烤预处理，烘烤预处理的温度为600～700℃下，时间至少为6小时。
优选的，自耗电极的下端至盲孔底部的距离为自耗电极总长度的1/15～1/10。
优选的，在盲孔中填满钇粉，钇粉的粒径≤35μm。
本发明还提供了一种通过本发明上述的冶炼方法冶炼得到的氧化物强化低活化钢。
优选的，以质量百分数计，所述氧化物强化低活化钢的组成成分包括：C：0.09％～0.12％，Si：0.15％～0.23％，Mn：0.13％～0.18％，Cr：7.5％～8.4％，W：1.7％～2.0％，V：0.18％～0.19％，Ti：0.018％～0.048％，Zr：0.016％～0.04％，Y2O3：0.24％～0.27％，其余为Fe。
本发明具有如下有益效果：
本发明的氧化物强化低活化钢用电渣重熔渣系，主要以低活化钢中不能含有Al元素和提高低活化钢强度为出发点，结合本发明中氧化物强化低活化钢中的氧化物颗粒为Y2O3，将电渣重熔渣系进行了重新设计。由于传统电渣重熔渣系中均含有Al2O3组分，采用该类渣系冶炼，渣中的Al将进入钢液，对钢液造成污染，进而造成钢材的“活性”升高。不能保证其在服役后的放射性在100年内下降到可以再循环使用的限制水平(10mSv/h)，本发明设计的渣系不含有高活性元素Al，可有效避免上述问题的发生，钢中配加Y2O3可以提高Y的收得率，配加部分SiO2和MgO可以降低渣系熔点和改善其流动性。氧化物强化钢中同时引入了Ti、Zr及Y2O3，Ti和Zr的添加可以有效提高钢中MX相的数量，增加第二相强化效果，且含Ti和Zr的MX相熔点较高，可提升钢材的高温力学性能。同时Ti、Zr和Y2O3可以结合生成尺寸更小，性能更稳定的Y-Ti-O、Y-Zr-O及Y-Ti-Zr-O相，起到良好的弥散强化效果，进一步提升钢材力学性能。
本发明氧化物强化低活化钢的冶炼方法，相较于传统冶炼工艺，本发明在冶炼过程中采用分两阶段加渣的方式，第一阶段采用A渣，保证电渣过程中正常起弧造渣，满足冶炼初期的需求，第二阶段中B渣结合自耗电极芯部的金属钇精炼，可在降低钢中氧质量分数的前提下向钢中引入强化相Y2O3。本发明的冶炼方法，金属钇被密封在电极内与空气隔绝，可避免其未与液态电渣渣系接触前的氧化，金属钇脱氧后产物为Y2O3，不会对钢液造成污染，还可以作为强化相进入钢液，进而成为氧化物强化钢的组成。
进一步的，烘烤预处理的温度为600～700℃下，时间至少为6小时，可以完全去除渣中的自由水和结合水，保证钢液中的氢含量，同时在该温度下烘烤还可以避免CaF2的挥发，造成渣系成分的变化。
进一步的，自耗电极的下端至盲孔底部的距离为自耗电极总长度的1/15～1/10，电渣重熔初期的主要任务是起弧造渣，熔炼结束后，铸锭前段需要切除，所以前段不含钇的部分不易过长，防止造成浪费。钇的性质十分活泼不利于起弧，所以自耗电极前段不含有钇，且不含钇的部分也不易过短，防止起弧造渣失败。
进一步的，在盲孔中填满钇粉，钇粉的粒径≤35μm，能够增大反应速率，并且钇粉容易分散均匀，使得钢的成分也更加均匀，利于反应产物Y2O3均匀弥散分布在钢中，起到弥散强化的效果。
本发明氧化物强化低活化钢，以熔炼的方式制得，氧化物强化相在钢中分散均匀，材料具有很好的低温冲击性能，工艺的重现性及产品的重现性良好，材料纯净度高，力学性能优异，钢中不含有高活性元素铝。
附图说明
图1为本发明自耗电极的示意图。
图中，1-自耗电极，2-盲孔，3-钇。
具体实施方式
下面结合附图和实施例来对本发明做进一步的说明。
本发明氧化物强化低活化钢用电渣重熔渣系包括A渣和B渣，以质量份数计，所述A渣的组成成分包括：CaF2:40～55份，Y2O3:30～35份，CaO:20～30份；所述B渣的组成成分包括CaF2:55～65份，CaO:30～40份，MgO:2～5份，SiO2:3～7份；
本发明的电渣重熔渣系适用于以下成分的氧化物强化低活化钢的冶炼，以质量百分数计，所述氧化物强化低活化钢的成分包括：C：0.09％～0.12％，Si：0.15％～0.23％，Mn：0.13％～0.18％，Cr：7.5％～8.4％，W：1.7％～2.0％，V：0.18％～0.19％，Ti：0.018％～0.048％，Zr：0.016％～0.04％，Y2O3：0.24％～0.27％，其余为Fe。
本发明氧化物强化低活化钢的冶炼方法包括如下步骤：
步骤1，将A渣和B渣在使用前均进行烘烤预处理，烘烤预处理的温度为600～700℃下，时间至少为6小时；
步骤2，如图1所示，从自耗电极的上端端面向内加工出盲孔，在盲孔中填满粒度≤35μm的金属钇粉，该盲孔沿自耗电极轴心从上至下开设，自耗电极的下端至盲孔底部的距离为自耗电极总长度的1/15～1/10；将自耗电极的上端与假电极焊接，并将自耗电极固定在冶炼位置，向水冷结晶器内加入所述的A渣，起弧造渣；
步骤3，起弧后开始冶炼，冶炼到自耗电极指定位置后，加入所述的B渣，继续冶炼直到结束，所述指定位置为自耗电极上盲孔底部对应的水平位置；
其中，所述自耗电极材质为真空感应冶炼低活化钢，以质量百分数计，所述真空感应冶炼低活化钢的化学成分包括：C：0.10％～0.13％、Si：0.15％～0.25％、Mn：0.15％～0.25％、Cr：7.7％～8.7％、W：1.7％～2.3％、V：0.20％～0.25％、Ti：0.02％～0.06％、Zr：0.02％～0.06％、其余为Fe；
钇的质量与自耗电极质量比为(0.5～1.5)/100；A渣的用量为自耗电极的下端至盲孔底部这部分质量的8％～10％，B渣的用量为自耗电极总重量的10％～15％；
通过本发明上述冶炼方法冶炼得到的氧化物强化低活化钢的成分如下，以质量百分数计，包括：C：0.09％～0.12％，Si：0.15％～0.23％，Mn：0.13％～0.18％，Cr：7.5％～8.4％，W：1.7％～2.0％，V：0.18％～0.19％，Ti：0.018％～0.048％，Zr：0.016％～0.04％，Y2O3：0.24％～0.27％，其余为Fe。
实施例1
本实施例电渣重熔渣系中，以质量份数计，所述A渣的组成成分包括：CaF2:40份，Y2O3:33份，CaO:30份；所述B渣的组成成分包括CaF2:65份，CaO:30份，MgO:4份，SiO2:7份；
本实施例氧化物强化低活化钢的冶炼方法包括如下步骤：
步骤1，将A渣和B渣在使用前均进行烘烤预处理，烘烤预处理的温度为600℃下，时间为6小时；
步骤2，从自耗电极的上端端面向内加工出盲孔，在盲孔中填满粒度≤35μm的金属钇粉，该盲孔沿自耗电极轴心从上至下开设，自耗电极的下端至盲孔底部的距离为自耗电极总长度的1/15；将自耗电极的上端与假电极焊接，并将自耗电极固定在冶炼位置，向水冷结晶器内加入所述的A渣，起弧造渣；
步骤3，起弧后开始冶炼，冶炼到自耗电极指定位置后，加入所述的B渣，继续冶炼直到结束，所述指定位置为自耗电极上盲孔底部对应的水平位置；
其中，所述自耗电极材质为真空感应冶炼低活化钢，以质量百分数计，真空感应冶炼低活化钢的化学成分包括：C：0.10％，Si：0.25％，Mn：0.2％，Cr：8.7％，W：2.0％，V：0.20％，Ti：0.04％，Zr：0.06％，其余为Fe；
钇的质量与自耗电极质量比为0.5/100；A渣的用量为自耗电极的下端至盲孔底部这部分质量的10％，B渣的用量为自耗电极总重量的12％；
通过本发明上述冶炼方法冶炼得到的氧化物强化低活化钢的成分如下，以质量百分数计，包括C：0.09％，Si：0.23％，Mn：0.18％，Cr：8.3％，W：2.0％，V：0.19％，Ti：0.037％，Zr：0.04％，Y2O3：0.27％，其余为Fe。本实施例Y的收得率为43％。
本实施例冶炼得到的氧化物强化低活化钢的指标如表1所示。
实施例2
本实施例电渣重熔渣系中，以质量份数计，所述A渣的组成成分包括：CaF2:50份，Y2O3:30份，CaO:20份；所述B渣的组成成分包括CaF2:60份，CaO:35份，MgO:2份，SiO2:5份；
本实施例氧化物强化低活化钢的冶炼方法包括如下步骤：
步骤1，将A渣和B渣在使用前均进行烘烤预处理，烘烤预处理的温度为650℃下，时间为8小时；
步骤2，从自耗电极的上端端面向内加工出盲孔，在盲孔中填满粒度≤35μm的金属钇粉，该盲孔沿自耗电极轴心从上至下开设，自耗电极的下端至盲孔底部的距离为自耗电极总长度的1/12；将自耗电极的上端与假电极焊接，并将自耗电极固定在冶炼位置，向水冷结晶器内加入所述的A渣，起弧造渣；
步骤3，起弧后开始冶炼，冶炼到自耗电极指定位置后，加入所述的B渣，继续冶炼直到结束，所述指定位置为自耗电极上盲孔底部对应的水平位置；
其中，所述自耗电极材质为真空感应冶炼低活化钢，以质量百分数计，真空感应冶炼低活化钢的化学成分包括：C：0.12％，Si：0.15％，Mn：0.15％，Cr：7.7％，W：2.3％，V：0.25％，Ti：0.02％，Zr：0.02％，其余为Fe；
钇的质量与自耗电极质量比为1.5/100；A渣的用量为自耗电极的下端至盲孔底部这部分质量的9％，B渣的用量为自耗电极总重量的15％；
通过本发明上述冶炼方法冶炼得到的氧化物强化低活化钢的成分如下，以质量百分数计，包括：C：0.11％，Si：0.15％，Mn：0.13％，Cr：7.5％，W：1.8％，V：0.19％，Ti：0.018％，Zr：0.016％，Y2O3：0.24％，其余为Fe。本实施例Y的收得率为13％。
本实施例冶炼得到的氧化物强化低活化钢的指标如表1所示。
实施例3
本实施例电渣重熔渣系中，以质量份数计，所述A渣的组成成分包括：CaF2:55份，Y2O3:35份，CaO:25份；所述B渣的组成成分包括CaF2:55份，CaO:40份，MgO:5份，SiO2:3份；
本实施例氧化物强化低活化钢的冶炼方法包括如下步骤：
步骤1，将A渣和B渣在使用前均进行烘烤预处理，烘烤预处理的温度为700℃下，时间为10小时；
步骤2，从自耗电极的上端端面向内加工出盲孔，在盲孔中填满粒度≤35μm的金属钇粉，该盲孔沿自耗电极轴心从上至下开设，自耗电极的下端至盲孔底部的距离为自耗电极总长度的1/10；将自耗电极的上端与假电极焊接，并将自耗电极固定在冶炼位置，向水冷结晶器内加入所述的A渣，起弧造渣；
步骤3，起弧后开始冶炼，冶炼到自耗电极指定位置后，加入所述的B渣，继续冶炼直到结束，所述指定位置为自耗电极上盲孔底部对应的水平位置；
其中，所述自耗电极材质为真空感应冶炼低活化钢，以质量百分数计，真空感应冶炼低活化钢的化学成分包括：C：0.13％，Si：0.20％，Mn：0.25％，Cr：8.5％，W：1.7％，V：0.22％，Ti：0.06％，Zr：0.04％，其余为Fe；
钇的质量与自耗电极质量比为1/100；A渣的用量为自耗电极的下端至盲孔底部这部分质量的10％，B渣的用量为自耗电极总重量的10％；
通过本发明上述冶炼方法冶炼得到的氧化物强化低活化钢的成分如下，以质量百分数计，包括：C：0.12％，Si：0.18％，Mn：0.17％，Cr：8.4％，W：1.7％，V：0.18％，Ti：0.048％，Zr：0.035％，Y2O3：0.25％，其余为Fe。本实施例Y的收得率为20％。
本实施例冶炼得到的氧化物强化低活化钢的指标如表1所示。
表1
Figure BDA0002608716770000091
由表1可以看出，实验钢的室温屈服强度为678～689MPa，350℃屈服强度为516～532MPa，550℃屈服强度为434～471MPa，650℃屈服强度为351～361MPa，DBTT为-93～-101℃，Y的回收率13％～43％。通过本发明的实施，很好的解决了采用粉末冶金方法制备氧化物强化钢过程中氧化物弥散相在母材中的均匀分散问题和材料的低温脆性问题，同时实现了无Al2O3电渣冶炼，提高了稀土Y的回收率。

Claims (5)

1.一种氧化物强化低活化钢的冶炼方法，其特征在于，包括如下过程：
S1，从自耗电极的上端端面向内加工出盲孔，在盲孔中填满钇，将自耗电极的上端与假电极焊接，并将自耗电极固定在冶炼位置，向水冷结晶器内加入A渣，起弧造渣；
S2，起弧后开始冶炼，冶炼到自耗电极指定位置后，加入B渣，继续冶炼直到结束，所述指定位置为自耗电极上盲孔底部对应的水平位置；
所述自耗电极材质为真空感应冶炼低活化钢；
钇的质量与自耗电极质量比为（0.5~1.5）/100；A渣的用量为自耗电极的下端至盲孔底部这部分质量的8%~10%，B渣的用量为自耗电极总重量的10%~15%；
以质量百分数计，冶炼得到的氧化物强化低活化钢的组成成分包括：C：0.09%~0.12%，Si：0.15%~0.23%，Mn：0.13%~0.18%，Cr：7.5%~8.4%，W：1.7%~2.0%，V：0.18%~0.19%，Ti：0.018%~0.048%，Zr：0.016%~0.04%，Y2O3：0.24%~0.27%，其余为Fe;
以质量份数计，所述A渣的组成成分包括：CaF2: 40~55份，Y2O3: 30~35份，CaO: 20~30份；所述B渣的组成成分包括CaF2: 55~65份，CaO:30~40份，MgO: 2~5份，SiO2: 3~7份。
2.根据权利要求1所述的一种氧化物强化低活化钢的冶炼方法，其特征在于，以质量百分数计，所述真空感应冶炼低活化钢的化学成分包括：C：0.10%~0.13%，Si：0.15%~0.25%，Mn：0.15%~0.25%，Cr：7.7%~8.7%，W：1.7%~2.3%，V：0.20%~0.25%，Ti：0.02%~0.06%，Zr：0.02%~0.06%，其余为Fe。
3.根据权利要求1所述的一种氧化物强化低活化钢的冶炼方法，其特征在于，A渣和B渣在使用前均进行烘烤预处理，烘烤预处理的温度为600~700℃下，时间至少为6小时。
4.根据权利要求1所述的一种氧化物强化低活化钢的冶炼方法，其特征在于，自耗电极的下端至盲孔底部的距离为自耗电极总长度的1/15~1/10。
5.根据权利要求1所述的一种氧化物强化低活化钢的冶炼方法，其特征在于，在盲孔中填满钇粉，钇粉的粒径≤35μm。
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