CN114990456B

CN114990456B - 高强韧不锈钢及其超高纯度高组织均匀性控制方法

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Publication number: CN114990456B
Application number: CN202210660580.1A
Authority: CN
Inventors: 张军; 蒋世川; 张志宏; 王唐林; 武雪婷; 张健; 郑淮北; 隆文庆; 胡进; 黄博
Original assignee: Chengdu Advanced Metal Materials Industry Technology Research Institute Co Ltd; Pangang Group Jiangyou Changcheng Special Steel Co Ltd
Current assignee: Chengdu Advanced Metal Materials Industry Technology Research Institute Co Ltd; Pangang Group Jiangyou Changcheng Special Steel Co Ltd
Priority date: 2022-06-13
Filing date: 2022-06-13
Publication date: 2023-10-13
Anticipated expiration: 2042-06-13
Also published as: CN114990456A

Abstract

本发明公开了一种高强韧不锈钢的超高纯度高组织均匀性控制方法。高强韧不锈钢的成分体系按质量百分比计包括：C：0.1～0.15％、Cr：10～15％、Co：10～14％、Mo：4～8％、Ni：1.5～3.0％、V：0.5～1.0％、Nb：0.01～0.05％、其余为Fe和其他不可避免的杂质。超纯净化冶炼方法包括以下步骤：(1)原料精选；(2)原料处理；(3)真空感应熔炼；(4)两次真空电弧再熔炼。通过上述方法，可将高强韧不锈钢中有害元素和残余元素稳定控制在极低含量，同时保证钢质纯净，非金属夹杂物高倍评级A、B、C类粗细系均0级，D类粗细系≤0.5级，低倍组织暗斑、白斑、径向偏析、环状花样全部A级，解决了高强韧不锈钢超高纯度高组织均匀性的问题。本发明还公开了一种通过上述方法冶炼而成的高强韧不锈钢。

Description

高强韧不锈钢及其超高纯度高组织均匀性控制方法

技术领域

本发明属于冶金领域，具体涉及一种高强韧不锈钢的超高纯度高组织均匀性控制方法以及由此冶炼出的高强韧不锈钢。

背景技术

高强韧不锈钢要求具备耐高温、高的硬度、高的耐磨性、高的接触疲劳强度、高的弹性极限、良好的冲击韧性、良好的断裂韧度、良好的尺寸稳定性、良好的耐腐蚀性能和良好的冷热加工性能等。一般而言，满足以下条件的不锈钢被认为是高强韧不锈钢：屈服强度≥1350Mpa、抗拉强度≥1700Mpa、Ak_u≥60J、HRC≥48。因此，要求材料达到超高纯度，即所谓“纯净钢”，基本接近于“不含非金属夹杂物”，不锈钢材料有害元素分量及总量低(O≤0.0005％、N≤0.0005％、P≤0.0015％、S≤0.0005％、H≤0.00005％，O+N+P+S+H≤0.0030％)、残余元素低(Ti≤0.0005％、As+Sn+Pb+Sb+Bi≤0.0020％)和钢质纯净(夹杂物高倍A、B、C粗细系均0级，D粗细系≤0.5级)。另外获得高组织均匀的铸锭，材料致密度高，可大大提高材料的综合性能。

目前我国虽然在钢液纯净度方面取得了长足进步，在冶炼不含Cr或Cr含量较低的高强钢方面实现有害元素O、N、P、S、H控制在10^-6量级，总和≤0.0040％的纯净度水平，但是高强韧不锈钢由于含10～15％的Cr、0.5～1.0％的V、0.01～0.05％的Nb增加了有害元素的带入量和脱出难度，且很难同时将O、N降低到极低水平，目前在高强韧不锈钢超高纯冶炼方面还未形成***的冶炼技术，未见相关技术报道。

目前采用VIM+VAR双真空工艺，将VIM法生产的钢作为VAR的电极，使重熔后其纯净度又一次提高，同时铸锭内部组织结构更均匀，一定程度改善了铸锭致密性；但是由于VIM法生产的电极棒，特别是大锭型电极棒内部组织不均匀且偏析严重，在VAR熔炼过程会遗传到VAR铸锭上，可能导致VAR铸锭局部组织的不均匀。

因此，需要开发一种高强韧不锈钢的超高纯度高组织均匀性控制方法，冶炼出高组织均匀性、氧氮含量极低、残余元素含量极低和非金属夹杂物级别低的高强韧不锈钢以提高不锈钢材料的各项性能；如何实现高强韧不锈钢的超高纯度高组织均匀性控制是目前本领域技术人员迫切需要解决的问题。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种高强韧不锈钢的超高纯度高组织均匀性控制方法，通过该方法能够解决高强韧不锈钢超高纯净度和高组织均匀性的问题。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

根据本发明的一方面，提供了一种高强韧不锈钢的超高纯度高组织均匀性控制方法，所述高强韧不锈钢的成分体系按质量百分比计包括：C：0.1～0.15％、Cr：10～15％、Co：10～14％、Mo：4～8％、Ni：1.5～3.0％、V：0.5～1.0％、Nb：0.01～0.05％、其余为Fe和其他不可避免的杂质，所述超高纯度高组织均匀性控制方法包括以下步骤：

(1)原料精选：通过精选各原料，控制有害元素总带入量以及残余元素总带入量；

(2)原料处理：对精选出的除C和Cr以外的其他原料进行抛丸处理以去除原料表面的氧化物、油污及杂质；

(3)真空感应熔炼：采用分批次装料工艺将原料装炉进行冶炼，冶炼完成后浇铸成电极棒，其中除Nb和V之外的其余原料在熔化期加入，而Nb和V原料在熔化期禁止加入，在精炼期才加入；

(4)真空电弧再熔炼：将浇铸出的电极棒扒皮后进行第一次真空电弧再熔炼，以得到自耗锭，所述自耗锭经锻造、扒皮处理后进行第二次真空电弧再熔炼，以得到超高纯度高组织均匀性的高强韧不锈钢。

根据本发明的一个实施例，在(1)原料精选步骤中，通过精选各原料，将有害元素总带入量控制为：O≤0.0080％、N≤0.0030％、H≤0.00008％、P≤0.0015％、S≤0.0010％，将残余元素总带入量控制为：Ti≤0.0005％、As+Sn+Pb+Sb+Bi≤0.0030％。

根据本发明的一个实施例，在(1)原料精选步骤中，Fe、Cr、V原料选用纯度为＞99.95％的高纯金属，C原料选用含碳量>99.99％的高纯石墨，其余原料选用常规特钢冶炼用金属料。

根据本发明的一个实施例，在(1)原料精选步骤中，选用满足以下条件的Fe原料：O≤0.0010％、N≤0.0015％、H≤0.0002％、P≤0.0010％、S≤0.0010％、Ti≤0.0005％、As+Sn+Pb+Sb+Bi≤0.0040％；选用满足以下条件的Cr原料：O≤0.010％、N≤0.0020％、H≤0.0002％、P≤0.0010％、S≤0.0015％、Ti≤0.0005％、As+Sn+Pb+Sb+Bi≤0.0020％；选用满足以下条件的V原料：O≤0.0035％、N≤0.030％、H≤0.0002％、P≤0.0010％、S≤0.0010％、Ti≤0.0005％、As+Sn+Pb+Sb+Bi≤0.0020％。

根据本发明的一个实施例，在(2)原料处理步骤中，将精选出的除C和Cr以外的其他原料在冶炼前0～2天采用抛丸机进行抛丸处理，每次原料装入量为抛丸机额定装入量的50～70％，抛丸时间为10～15min。

根据本发明的一个实施例，在(3)真空感应熔炼步骤中，装料分四批次进行，其中第一批次按先后顺序装入全部的Ni、Co、Mo、一部分C和一部分Fe原料，第二批次装入一部分Fe原料，第三批次装入剩余的Fe原料，第四批次装入全部的Cr原料，其中下一批次装料在上一批次装料完全熔化后开始。

根据本发明的一个实施例，(3)真空感应熔炼步骤包括：熔化期控制真空度≤0.5Pa，控制熔化期时间6-8h；在熔化期结束后，加入剩余的C原料升到精炼温度进行精炼，精炼期采用二次精炼工艺，控制第一次精炼温度为1600～1650℃，精炼过程采用80KW工频搅拌精炼20～40min，然后停电降温到1540～1590℃，进行第二次精炼，采用80KW工频搅拌精炼20～40min；在精炼结束后，调整合金成分，充Ar 4000～8000Pa，调整钢液温度1520～1540℃加入0.01～0.04％的Al进行沉淀脱氧，80KW工频搅拌10～20min，保温20～30min；然后在1520～1540℃加入0.02～0.03％的Re进行深脱氧、脱硫，保持5～10min，升温到1570～1580℃出钢。

根据本发明的一个实施例，Nb和V原料在第一次精炼和第二次精炼之间加入。

根据本发明的一个实施例，在(4)真空电弧再熔炼步骤中，第一次真空电弧再熔炼中，控制自耗熔炼过程真空度≤0.1Pa，熔炼阶段熔滴速率51/s，熔化速率2.0kg/min，氦气冷却流量200Pa；第二次真空电弧再熔炼中，控制自耗熔炼过程真空度≤0.1Pa，熔炼阶段熔滴速率5 1/s，熔化速率3.0kg/min，氦气冷却流量300Pa；所述自耗锭在1000～1150℃温度范围内进行锻造，之后进行第二次真空电弧再熔炼。

根据本发明的一个实施例，真空感应熔炼完成后浇铸成的电极棒的直径小于在第一次真空电弧再熔炼后得到的自耗锭的直径并且小于在第二次真空电弧再熔炼后得到的自耗锭的直径。

根据本发明的一个实施例，真空感应熔炼完成后浇铸成φ240mm的电极棒，所述φ240mm的电极棒在第一次真空电弧再熔炼后得到φ305mm的自耗锭，所述φ305mm的自耗锭经锻造、扒皮处理后得到φ360mm的钢棒，所述φ360mm的钢棒在第二次真空电弧再熔炼后得到φ406mm的自耗锭

根据本发明的另一方面，提供了一种高强韧不锈钢，所述高强韧不锈钢通过上述高强韧不锈钢的超高纯度高组织均匀性控制方法冶炼而成，所述高强韧不锈钢的成分体系按质量百分比计包括：0.1～0.15％、Cr：10～15％、Co：10～14％、Mo：4～8％、Ni：1.5～3.0％、V：0.5～1.0％、Nb：0.01～0.05％、其余为Fe和其他不可避免的杂质，其中，所述其他不可避免的杂质中：O≤0.0005％、N≤0.0005％、P≤0.0015％、S≤0.0005％、H≤0.00005％、O+N+P+S+H≤0.0030％、Ti≤0.0005％、As+Sn+Pb+Sb+Bi≤0.0020％。

采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：

开发出一种适用高强韧不锈钢的超高纯度高组织均匀性控制方法，可将有害元素和残余元素稳定控制在极低含量：O≤0.0005％、N≤0.0005％、H≤0.00005％、P≤0.0015％、S≤0.0005％、O+N+P+S+H≤0.0030％、Ti≤0.0005％、As+Sn+Pb+Sb+Bi≤0.0020％；同时保证钢质纯净，非金属夹杂物高倍评级A、B、C类粗细系均0级，D类粗细系≤0.5级，低倍组织暗斑、白斑、径向偏析、环状花样全部A级，有效解决了高强韧不锈钢超高纯度高组织均匀性的问题，生产出来的高强韧不锈钢能够满足特殊环境的服役要求。

附图说明

图1为本发明提供的高强韧不锈钢的超高纯度高组织均匀性控制方法的过程流程图；

图2为实施例1样品低倍组织形貌图；

图3为实施例2样品低倍组织形貌图；

图4为实施例3样品低倍组织形貌图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

根据需要，本发明说明书中公开了本发明的具体实施例；然而，应当理解在此公开的实施例仅为可通过多种、可替代形式实施的本发明的示例。在下文的描述中，在构想的多个实施例中描述了多个操作参数和部件。这些具体的参数和部件在本说明书中仅作为示例而并不意味着限定。

本发明的第一方面提供了一种高强韧不锈钢的超高纯度高组织均匀性控制方法。高强韧不锈钢的成分体系按质量百分比计包括：C：0.1～0.15％、Cr：10～15％、Co：10～14％、Mo：4～8％、Ni：1.5～3.0％、V：0.5～1.0％、Nb：0.01～0.05％、其余为Fe和其他不可避免的杂质。超高纯度高组织均匀性控制方法包括以下步骤：S100原料精选：通过精选各原料，控制有害元素总带入量以及残余元素总带入量；S200原料处理：对精选出的除C和Cr以外的其他原料进行抛丸处理以去除原料表面的氧化物、油污及杂质；S300真空感应熔炼(Vacuum induction melting，简称VIM)：采用分批次装料工艺将原料装炉进行冶炼，冶炼完成后浇铸成电极棒，其中除Nb和V之外的其余原料在熔化期加入，而Nb和V原料在熔化期禁止加入，在精炼期才加入；S400真空电弧再熔炼(Vacuum arc remelting，简称VAR)：将浇铸出的电极棒扒皮后进行第一次真空电弧再熔炼，以得到自耗锭，所述自耗锭经锻造、扒皮处理后进行第二次真空电弧再熔炼，以得到超高纯度高组织均匀性的高强韧不锈钢。

下面对以上提及的各个步骤作具体说明：

在S100原料精选步骤中，通过精选各原料(即，C原料、Cr原料、Co原料、Mo原料、Ni原料、V原料、Nb原料、Fe原料)，将有害元素总带入量控制为：O≤0.0080％、N≤0.0030％、H≤0.00008％、P≤0.0015％、S≤0.0010％，将残余元素总带入量控制为：Ti≤0.0005％、As+Sn+Pb+Sb+Bi≤0.0030％。本发明中，通过精选各原料控制所有原料有害元素总带入量和残余元素总带入量来实现超高纯度冶炼。如果原料中有害元素及残余元素总带入量过高，这些元素在后续进行真空冶炼过程中难以脱除，将不能够实现超高纯度冶炼。在本发明的一些实施例中，Fe原料、Cr原料、V原料选用市售的纯度为＞99.95％的高纯金属，C原料选用市售的含碳量>99.99％的高纯石墨，其余原料选用市售的满足国家标准的特钢冶炼用金属料。在本发明的一些实施例中，选用满足以下条件的Fe原料：O≤0.0010％、N≤0.0015％、H≤0.0002％、P≤0.0010％、S≤0.0010％、Ti≤0.0005％、As+Sn+Pb+Sb+Bi≤0.0040％；选用满足以下条件的Cr原料：O≤0.010％、N≤0.0020％、H≤0.0002％、P≤0.0010％、S≤0.0015％、Ti≤0.0005％、As+Sn+Pb+Sb+Bi≤0.0020％；选用满足以下条件的V原料：O≤0.0035％、N≤0.030％、H≤0.0002％、P≤0.0010％、S≤0.0010％、Ti≤0.0005％、As+Sn+Pb+Sb+Bi≤0.0020％。这些原料的选择综合考虑了各元素金属料添加量和金属料的有害元素及残余元素含量及波动性的不同，能够保证满足原料有害元素和残余元素总带入量要求。当然，本发明不限于以上给出的具体示例，可以选择不同的原料，只要保证所有原料有害元素和残余元素总带入量满足上述给出的要求即可。

在S200原料处理步骤中，将精选出的除C和Cr以外的其他原料(即，Fe、Ni、Co、Mo、V、Nb等原料)在冶炼前0～2天采用抛丸机进行抛丸处理，每次原料装入量为抛丸机额定装入量的50～70％，抛丸时间为10～15min，保证处理后原料表面具有金属光泽，完全去除原料表面氧化物、油污、杂质等，备用。本发明中，采用抛丸机对原料进行抛丸处理可使原料表面氧化物、油污、杂质等全部去除掉，要求冶炼前0～2天天进行原料处理避免原料再次吸潮、氧化。由于铬具有很高的耐腐蚀性，在空气中，即便是在赤热的状态下，氧化也很慢，所以对于Cr原料，无需进行抛丸处理。

在S300真空感应熔炼步骤中，装料分四批次进行，其中第一批次按先后顺序装入全部的Ni、Co、Mo、一部分C和一部分Fe原料，第二批次装入一部分Fe原料，第三批次装入剩余的Fe原料，第四批次装入全部的Cr原料，其中下一批次装料在上一批次装料完全熔化后开始。采用分批次装料工艺，首先将熔点比较低且真空条件下有利于脱O、降低N的溶解度的全部金属Ni、金属Co装入坩埚底部低温区，然后将高熔点的金属Mo全部装入坩埚中部的高温区，坩埚的中上部再装入高纯石墨、纯铁Fe等，利用熔化过程C在真空条件下的强脱O能力实现高效的脱O、脱N，同时熔化效率高，原料烧损少；后续第二、三批次装入剩余的Fe继续熔化脱O、脱N；金属Cr、金属Nb、金属V这些元素对氮具有较强的亲和力，随其含量增加N的溶解度增大，加入过早不利于熔化期的脱O、脱N，因此，待前三批次炉料经过熔化过程脱O、脱N充分后，再装入不利于熔化期脱O、脱N的金属Cr，继续熔化，熔化期禁止加入金属Nb、金属V。分批次装料保证原料熔化后熔池由浅渐深，CO气泡承受液柱的静压强低，新的金属液面不断裸露出来，非常有利于气体、有害杂质和非金属夹杂物的排除；合理的装料顺序保证熔化期实现高效的去气、去除低熔点有害杂质和非金属夹杂物的能力，是成功同时将不锈钢O、N同时降低到极低水平的措施之一。在本发明的一些实施例中，第一批次装入1/2加入量的高纯石墨和1/3加入量的纯Fe，第二批次加入1/3加入量的纯Fe，第三批次加入剩余的纯Fe。

在一些实施例中，S300真空感应熔炼步骤包括：熔化期控制真空度≤0.5Pa，控制熔化期时间6-8h；在熔化期结束后，加入剩余的C原料升到精炼温度进行精炼，精炼期采用二次精炼工艺，控制第一次精炼温度为1600～1650℃，精炼过程采用80KW工频搅拌精炼20～40min，然后加入金属Nb、金属V合金化，由于金属Nb、金属V提高N在钢液中的溶解度，在熔化期加入不利于钢液的深脱N，因此在第一次高温精炼实现钢液的深脱N后加入可解决深脱N的问题，然后停电降温到1540～1590℃，进行第二次精炼，采用80KW工频搅拌精炼20～40min；在精炼结束后，调整合金成分，充Ar 4000～8000Pa，调整钢液温度1520～1540℃加入0.01～0.04％的Al进行沉淀脱氧，80KW工频搅拌10～20min，保温20min，保证脱氧充分以及脱氧产物充分上浮被坩埚壁吸附；然后在1520～1540℃加入0.02～0.03％的Re进行深脱氧、脱硫，保持5～10min，升温到1570～1580℃出钢。本发明中，通过控制金属Nb、金属V加入时机，利用第一次高温精炼实现钢液的深脱N，然后利用第二次低温精炼实现深脱O，采用二次精炼工艺成功解决同时深脱O、脱N的难题，另外在较高的真空度和精炼温度条件下，利于As、Sn、Pb、Sb、Bi等残余元素的脱除。本发明中，适当的Al、Re加入温度和加入量可实现深脱O、脱S，加入温度过高，Re被大量烧损且Al参与脱O、Re参与脱O、脱S效果不好，加入量过大，容易导致B类、D类非金属夹杂物超标。

在S400真空电弧再熔炼步骤中，第一次真空电弧再熔炼中，控制自耗熔炼过程真空度≤0.1Pa，熔炼阶段熔滴速率5 1/s，熔化速率2.0kg/min，氦气冷却流量200Pa；第二次真空电弧再熔炼中，控制自耗熔炼过程真空度≤0.1Pa，熔炼阶段熔滴速率5 1/s，熔化速率3.0kg/min，氦气冷却流量300Pa；所述自耗锭在1000～1150℃温度范围内进行锻造，之后进行第二次真空电弧再熔炼。本发明中，通过第一次真空电弧再熔炼，使重熔后自耗锭纯净度又一次提高，同时铸锭内部组织结构更均匀、致密；然后经过锻造处理，可使铸态组织破碎，自耗电极组织均匀性更好；最后再经过第二次真空电弧再熔炼，使重熔后自耗锭纯净度再一次提高。由于经过一次自耗和锻造的自耗电极内部组织结构均匀、致密，再进行第二次自耗熔炼过程控制稳定，有效解决铸锭高组织均匀性的问题。

在本发明的一些实施例中，真空感应熔炼完成后浇铸成的电极棒的直径小于在第一次真空电弧再熔炼后得到的自耗锭的直径并且小于在第二次真空电弧再熔炼后得到的自耗锭的直径。例如，在一个具体实施例中，真空感应熔炼完成后浇铸成φ240mm的电极棒，所述φ240mm的电极棒在第一次真空电弧再熔炼后得到φ305mm的自耗锭，所述φ305mm的自耗锭经锻造、扒皮处理后得到φ360mm的钢棒，所述φ360mm的钢棒在第二次真空电弧再熔炼后得到φ406mm的自耗锭。本发明中，采用直径较小的小锭型电极棒作为一次自耗电极，可有效降低电极棒内部组织缺陷和成分偏析，进而使重熔后自耗锭纯净度又一次提高，同时铸锭内部组织结构更均匀、致密。

本发明中，通过上述各个步骤的有机配合，可稳定控制高强韧不锈钢中有害元素和残余元素在极低含量：O≤0.0005％、N≤0.0005％、H≤0.00005％、P≤0.0015％、S≤0.0005％、O+N+P+S+H≤0.0030％、Ti≤0.0005％、As+Sn+Pb+Sb+Bi≤0.0020％；同时保证钢质纯净，非金属夹杂物高倍评级A、B、C类粗细系均0级，D类粗细系≤0.5级，低倍组织暗斑、白斑、径向偏析、环状花样全部A级，有效解决了高强韧不锈钢超高纯度高组织均匀性的问题，生产出来的不锈钢能够满足特殊环境服役要求。

本发明的第二方面提供了一种通过上述高强韧不锈钢的超高纯度高组织均匀性控制方法冶炼得到的高强韧不锈钢。该高强韧不锈钢的成分体系按质量百分比计包括：0.1～0.15％、Cr：10～15％、Co：10～14％、Mo：4～8％、Ni：1.5～3.0％、V：0.5～1.0％、Nb：0.01～0.05％、其余为Fe和其他不可避免的杂质。该高强韧不锈钢中有害元素和残余元素控制在极低含量：O≤0.0005％、N≤0.0005％、H≤0.00005％、P≤0.0015％、S≤0.0005％，O+N+P+S+H≤0.0030％，Ti≤0.0005％、As+Sn+Pb+Sb+Bi≤0.0020％；同时钢质纯净，非金属夹杂物高倍评级A、B、C类粗细系均0级，D类粗细系≤0.5级，低倍组织暗斑、白斑、径向偏析、环状花样全部A级。

下面通过具体的实施例对本发明进行具体的说明。

实施例1

该实施例是运用本发明提供的高强韧不锈钢的超高纯度高组织均匀性控制方法，生产超高纯度高组织均匀性不锈钢。

①原料精选：选用市售的高纯金属Fe、金属Cr、金属V为原料，其余金属料为市售的常规特钢冶炼用金属料；控制所有原料有害元素总带入量为：O：0.0080％、N：0.0030％、H：0.00008％、P：0.0015％、S：0.0010％，残余元素总带入量为：Ti：0.0005％、As+Sn+Pb+Sb+Bi：0.0030％。

②原料处理：将Fe、Ni、Co、Mo、V、Nb等原料冶炼前1天采用抛丸机全部进行抛丸处理，每次原料装入量未抛丸机额定装入量的60％，抛丸时间15min保证处理后原料表面具有金属光泽，完全去除原料表面氧化物、油污、杂质等，备用。

③VIM熔炼：将精选配好且经过表面处理的原料装炉进行冶炼，装料分4批次装料，其中第一批次按先后顺序装入全部的金属Ni、金属Co、金属Mo、1/2加入量的高纯石墨和1/3加入量的纯Fe，第二批次加入1/3加入量的纯Fe，第三批次加入剩余的纯Fe、第四批次加入全部的金属Cr，熔化期禁止加入Nb、V。

熔化期控制真空度≤0.5Pa，控制熔化期时间8h，熔化期结束后，加入1/2加入量的高纯石墨，升到精炼温度进行精炼，精炼期采用二次精炼工艺，控制第一次精炼温度1650℃，精炼过程采用80KW工频搅拌精炼30min，然后加入金属Nb、金属V合金化。然后停电降温到1590℃，进行第二次精炼，采用80KW工频搅拌精炼30min。

精炼结束后调整合金成分，充Ar 5000Pa，调整钢液温度1540℃加入0.04％的Al进行沉淀脱氧，80KW工频搅拌10min，保温20min；然后在1540℃加入0.03％的Re进行深脱氧、脱硫，保持10min。升温到1580℃出钢，真空条件下浇铸成直径φ240mm的铸锭。

④两次VAR熔炼：将φ240mm的电极棒扒皮后进行VAR一次熔炼，得到φ305mm的自耗锭，控制自耗熔炼过程真空度≤0.1Pa，熔炼阶段熔滴速率5 1/s，熔化速率2.0kg/min，氦气冷却流量200Pa。然后将一次VAR熔炼获得的φ305mm的自耗锭，在1000～1150℃温度范围内进行锻造、扒皮处理，得到直径φ360mm的高强韧不锈钢棒自耗电极。将经过锻造、扒皮处理的自耗电极进行VAR二次熔炼，得到φ406mm的自耗锭；控制自耗熔炼过程真空度≤0.1Pa，熔炼阶段熔滴速率5 1/s，熔化速率3.0kg/min，氦气冷却流量300Pa，得到高组织均匀性、极低的氧氮含量、残余元素含量和低级别的非金属夹杂物的高强韧不锈钢。

对采用该工艺生产的高强韧不锈钢进行有害元素和残余元素分析检测，其结果如表3所示；在自耗锭上取样进行低倍组织检查，低倍组织暗斑、白斑、径向偏析、环状花样全部A级，如图2所示。经过锻造轧制后制备金相试样按GB/T10561-2000标准A法进行非金属夹杂物评定A、B、C类粗细系均为O级，D类粗系0级，细系0.5级，其结果如表4所示。

实施例2

①原料精选：选用市售的高纯金属Fe、金属Cr、金属V为原料，其余金属料为市售的常规特钢冶炼用金属料；控制所有原料有害元素总带入量为：O：0.0045％、N：0.0020％、H：0.00008％、P：0.0009％、S：0.0007％，残余元素总带入量为：Ti：0.0003％、As+Sn+Pb+Sb+Bi：0.0023％。

②原料处理：将Fe、Ni、Co、Mo、V、Nb等原料冶炼前2天采用抛丸机全部进行抛丸处理，每次原料装入量未抛丸机额定装入量的60％，抛丸时间13min保证处理后原料表面具有金属光泽，完全去除原料表面氧化物、油污、杂质等，备用。

③VIM熔炼：将精选配好且经过表面处理的原料装炉进行冶炼，装料分4批次装料，其中第一批次按先后顺序装入全部的金属Ni、金属Co、金属Mo、1/2加入量的高纯石墨和1/3加入量的纯Fe，第二批次加入1/3加入量的纯Fe，第三批次加入剩余的纯Fe、第四批次加入全部的金属Cr，熔化期禁止加入Nb、V。熔化期控制真空度≤0.5Pa，控制熔化期时间7h，熔化期结束后，加入1/2加入量的高纯石墨，升到精炼温度进行精炼，精炼期采用二次精炼工艺，控制第一次精炼温度1630℃，精炼过程采用80KW工频搅拌精炼20min，然后加入金属Nb、金属V合金化。然后停电降温到1560℃，进行第二次精炼，采用80KW工频搅拌精炼40min。

精炼结束后调整合金成分，充Ar 4000Pa，调整钢液温度1520℃加入0.02％的Al进行沉淀脱氧，80KW工频搅拌10min，保温20min；然后在1520℃加入0.025％的Re进行深脱氧、脱硫，保持5min。升温到1580℃出钢，真空条件下浇铸成直径φ240mm的铸锭。

对采用该工艺生产的高强韧不锈钢进行有害元素和残余元素分析检测，其结果如表3所示；在自耗锭上取样进行低倍组织检查，低倍组织暗斑、白斑、径向偏析、环状花样全部A级，如图3所示。经过锻造轧制后制备金相试样按GB/T10561-2000标准A法进行非金属夹杂物评定A、B、C类粗细系均为O级，D类粗系0级，细系0.5级，其结果如表4所示。

实施例3

①原料精选：选用高纯金属Fe、金属Cr、金属V为原料，其余金属料为常规特钢冶炼用金属料；控制所有原料有害元素总带入量为：O：0.0030％、N：0.0015％、H：0.00008％、P：0.00085％、S：0.00055％，残余元素总带入量为：Ti：0.0003％、As+Sn+Pb+Sb+Bi：0.0020％。

②原料处理：将Fe、Ni、Co、Mo、V、Nb等原料冶炼前1天采用抛丸机全部进行抛丸处理，每次原料装入量未抛丸机额定装入量的60％，抛丸时间10min保证处理后原料表面具有金属光泽，完全去除原料表面氧化物、油污、杂质等，备用。

③VIM熔炼：将精选配好且经过表面处理的原料装炉进行冶炼，装料分4批次装料，其中第一批次按先后顺序装入全部的金属Ni、金属Co、金属Mo、1/2加入量的高纯石墨和1/3加入量的纯Fe，第二批次加入1/3加入量的纯Fe，第三批次加入剩余的纯Fe、第四批次加入全部的金属Cr，熔化期禁止加入Nb、V。熔化期控制真空度≤0.1Pa，控制熔化期时间6h，熔化期结束后，加入1/2加入量的高纯石墨，升到精炼温度进行精炼，精炼期采用二次精炼工艺，控制第一次精炼温度1600℃，精炼过程采用80KW工频搅拌精炼40min，然后加入金属Nb、金属V合金化。然后停电降温到1540℃，进行第二次精炼，采用80KW工频搅拌精炼20min。

精炼结束后调整合金成分，充Ar 8000Pa，调整钢液温度1530℃加入0.01％的Al进行沉淀脱氧，80KW工频搅拌10min，保温30min，保证脱氧充分以及脱氧产物充分上浮被坩埚壁吸附；然后在1530℃加入0.02％的Re进行深脱氧、脱硫，保持8min。升温到1570℃出钢，真空条件下浇铸成直径φ240mm的铸锭。

对采用该工艺生产的高强韧不锈钢进行有害元素和残余元素分析检测，其结果如表3所示；在自耗锭上取样进行低倍组织检查，低倍组织暗斑、白斑、径向偏析、环状花样全部A级，如图4所示。经过锻造轧制后制备金相试样按GB/T10561-2000标准A法进行非金属夹杂物评定A、B、C类粗细系均为O级，D类粗系0级，细系0.5级，其结果如表4所示。

为清楚起见，下面在表1中列出了上述实施例1-3中各步骤的详细工艺参数，并且在表2中列出了上述实施例1-3所生产出来的超高纯度高强韧不锈钢的主要成分。

表1各实施例的工艺参数表

表2各实施例生产的超高纯度高强韧不锈钢的主要成分表(单位％)

实施例	C	Cr	Co	Mo	Ni	V	Nb	Fe和其他杂质
									实施例1	0.10	15	14	4	1.5	0.5	0.01	余量
实施例2	0.13	13	12	6	2.0	0.8	0.03	余量
									实施例3	0.15	10	10	8	3.0	1.0	0.05	余量

表3各实施例生产的超高纯度高强韧不锈钢的有害元素和残余元素成分表(单位％)

表4各实施例生产的超高纯度高强韧不锈钢的非金属夹杂物评级表

从以上表3和表4可以看出：运用本发明提供的高强韧不锈钢的超高纯度高组织均匀性控制方法，能够生产出超高纯度高强韧不锈钢，有害元素和残余元素控制在极低含量：O≤0.0005％、N≤0.0005％、H≤0.00005％、P≤0.0015％、S≤0.0005％，O+N+P+S+H≤0.0030％，Ti≤0.0005％、As+Sn+Pb+Sb+Bi≤0.0020％；同时保证钢质纯净，非金属夹杂物高倍评级A、B、C类粗细系均0级，D类粗细系≤0.5级，低倍组织暗斑、白斑、径向偏析、环状花样全部A级。

Claims

1.一种高强韧不锈钢的超高纯度高组织均匀性控制方法，其特征在于，所述高强韧不锈钢的成分体系按质量百分比计包括：C：0.1~0.15%、Cr：10~15%、Co：10~14%、Mo：4~8%、Ni：1.5~3.0%、V：0.5~1.0%、Nb：0.01~0.05%、其余为Fe和其他不可避免的杂质，所述超高纯度高组织均匀性控制方法包括以下步骤：

（1）原料精选：通过精选各原料，控制有害元素总带入量以及残余元素总带入量，将有害元素总带入量控制为：O≤0.0080%、N≤0.0030%、H≤0.00008%、P≤0.0015%、S≤0.0010%，将残余元素总带入量控制为：Ti≤0.0005%、As+Sn+Pb+Sb+Bi≤0.0030%；

（2）原料处理：对精选出的除C和Cr以外的其他原料进行抛丸处理以去除原料表面的氧化物、油污及杂质；

（3）真空感应熔炼：采用分批次装料工艺将原料装炉进行冶炼，装料分四批次进行，其中第一批次按先后顺序装入全部的Ni、Co、Mo、一部分C和一部分Fe原料，第二批次装入一部分Fe原料，第三批次装入剩余的Fe原料，第四批次装入全部的Cr原料，其中下一批次装料在上一批次装料完全熔化后开始，其中除Nb和V之外的其余原料在熔化期加入，而Nb和V原料在熔化期禁止加入，在精炼期才加入；熔化期控制真空度≤0.5Pa，控制熔化期时间6-8h；在熔化期结束后，加入剩余的C原料升到精炼温度进行精炼，精炼期采用二次精炼工艺，控制第一次精炼温度为1600~1650℃，精炼过程采用80KW工频搅拌精炼20~40min，然后停电降温到1540~1590℃，进行第二次精炼，采用80KW工频搅拌精炼20~40min，利用第一次精炼实现钢液的深脱N，然后利用第二次精炼实现深脱O，Nb和V原料在第一次精炼和第二次精炼之间加入；在精炼结束后，调整合金成分，充Ar 4000~8000Pa，调整钢液温度1520~1540℃加入0.01~0.04%的Al进行沉淀脱氧，80KW工频搅拌10~20min，保温20~30min；然后在1520~1540℃加入0.02~0.03%的Re进行深脱氧、脱硫，保持5~10min，升温到1570~1580℃出钢，冶炼完成后浇铸成电极棒；

（4）真空电弧再熔炼：将浇铸出的电极棒扒皮后进行第一次真空电弧再熔炼，以得到自耗锭，所述自耗锭经锻造、扒皮处理后进行第二次真空电弧再熔炼，以得到超高纯度高组织均匀性的高强韧不锈钢。

2.根据权利要求1所述的高强韧不锈钢的超高纯度高组织均匀性控制方法，其特征在于，在（1）原料精选步骤中，Fe、Cr、V原料选用纯度＞99.95%的高纯金属，C原料选用含碳量>99.99%的高纯石墨作为C原料，其余原料选用常规特钢冶炼用金属料。

3.根据权利要求1所述的高强韧不锈钢的超高纯度高组织均匀性控制方法，其特征在于，在（2）原料处理步骤中，将精选出的除C和Cr以外的其他原料在冶炼前0~2天采用抛丸机进行抛丸处理，每次原料装入量为抛丸机额定装入量的50~70%，抛丸时间为10~15min。

4. 根据权利要求1所述的高强韧不锈钢的超高纯度高组织均匀性控制方法，其特征在于，在（4）真空电弧再熔炼步骤中，第一次真空电弧再熔炼中，控制自耗熔炼过程真空度≤0.1Pa，熔炼阶段熔滴速率5 l/s，熔化速率2.0kg/min，氦气冷却流量200Pa；第二次真空电弧再熔炼中，控制自耗熔炼过程真空度≤0.1Pa，熔炼阶段熔滴速率5 l/s，熔化速率3.0kg/min，氦气冷却流量300Pa；所述自耗锭在1000~1150℃温度范围内进行锻造，之后进行第二次真空电弧再熔炼。

5.根据权利要求1所述的高强韧不锈钢的超高纯度高组织均匀性控制方法，其特征在于，真空感应熔炼完成后浇铸成的电极棒的直径小于在第一次真空电弧再熔炼后得到的自耗锭的直径并且小于在第二次真空电弧再熔炼后得到的自耗锭的直径。

6.一种高强韧不锈钢，其特征在于，所述高强韧不锈钢通过上述权利要求1-5中任一项所述的高强韧不锈钢的超高纯度高组织均匀性控制方法冶炼而成。