CN106381453B - 一种用于核电机组的铸钢零部件及其生产工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种核电用零缺陷高品质铸钢零部件，其特征在于，该铸钢零部件化学组成的重量百分比为：C:0.18～0.20%，Si≤0.60%，Mn:0.60～0.80%，P≤0.02%，S≤0.015%，Cr:1.35～1.50%，Ni≤0.50%，Mo:0.90～1.10%，V:0.20～0.30%,Sn≤0.025%，Zr：0.08～0.12%，其余为Fe和不可避免的微量杂质。还公开了一种用于生产上述铸钢零部件的工艺，使所述铸钢零部件达到零缺陷高品质，在高温环境下具有较好的耐磨性，耐腐蚀性及较强的韧性，适用于核电机组中。

Description

一种用于核电机组的铸钢零部件及其生产工艺

技术领域

本发明涉及一种铸钢零部件及其生产工艺，具体的说是一种核用零缺陷高品质的铸钢零部件及其生产工艺。

背景技术

核用铸钢零部件，是应用于核装备关键位置，由于技术上其他工艺无法制作或制作成本过高，根据需要通过铸造制作的核用零部件。核装备是高端装备，由于运行环境方面，安全方面及耐用方面的需要，导致对铸钢零部件的一些性能及品质有较高的要求。除了满足常规的机械性能要求外，由于其运行下经常达500℃以上高温，所以要求在高温下也要有良好的性能。

所述铸钢零部件（如：汽缸、半环铸件等）是核电机组的重要部件，它的质量直接影响核电机组的运作。由于铸钢零部件的体型相对较大，结构复杂，铸造热节大且分散，导致铸造工艺设计困难；另外，由于核电机组的使用环境特殊，对铸钢零部件的材料要求较高。目前，国内对于铸钢零部件的生产存在一定的局限性，其产品的抗拉强度和屈服强度较低，耐腐蚀性、耐磨性也较差，且在高温条件下屈服强度偏低不能满足国外先进核铸件的技术要求。铸件质量品质不高致使其使用寿命短，且容易造成安全隐患。

发明内容

本发明提供了一种核用铸钢零部件及其生产工艺，其目的在于解决铸钢零部件力学性能差、产品品质不高、生产难度大的问题。

一种用于核电机组的铸钢零部件，其特征在于：该铸钢零部件化学组成的重量百分比为：C:0.18～0.20%，Si≤0.60%，Mn:0.60～0.80%，P≤0.02%，S≤0.015%，Cr:1.35～1.50%，Ni≤0.50%，Mo:0.90～1.10%，V:0.20～0.30%,Sn≤0.025%，Zr：0.08～0.12%，其余为Fe和不可避免的微量杂质。

进一步的，所述铸钢零部件为汽缸或半环铸件。

一种生产权利要求1所述的铸钢零部件的生产工艺，其步骤如下：

（1）将钢屑、无锈渍的低碳冲片压块通过电炉加热融化，形成熔融状态的钢水；

（2）将钢水送入氧气顶吹转炉，氧化去除钢水中的Si、Mn、P 、S、C、Ni和Cr得到低杂质钢水；

（3）将低杂质钢水用AOD精炼炉中进行精炼提纯；

（4）在精炼后的钢水中加入硅铁，电解锰，低碳铬铁和金属锆进行熔炼；

（5）加入经过清理后的同牌号的回炉料进行熔炼，待钢水熔融后，取钢水样进行化学成份分析；

（6）针对分析所得化学成份，加入烘烤至240～260℃的合金物料，对钢水进行成分进行微调，使其能符合质量百分比配比要求；

（7）将电炉温度升至1640～1650℃后，进行两步脱氧；待电炉进行电磁搅拌4～5分钟后，插入定氧仪探头，测量钢水内氧含量PPM值是否在规定值内，检验合格后出炉；

（8）用烘包器烘烤钢包至900℃～1000℃，包体通红；

（9）将镍板、钼铁、电解铜和钒铁破碎成小块，烘干后置于钢包底部，再将脱氧剂置于钢包底，用包内冲入法对钢水进行复合变质处理和终脱氧处理；

（10）对钢水进行吹氩处理，吹氩压力≥0.15MPa，吹氩时间≥15分钟，并再次用定氧仪对钢水中含氧量进行测定；

（11）将钢水加热后送入真空罐内进行真空脱气脱氧；

（12）用砂型铸造铸钢零部件，砂型浇注前进行流涂及烘干。采用开放式对称型浇注系统进行浇注，浇注温度为1555～1565℃；

（13）浇注后铸件在砂箱内凝固保温72～84小时后开箱，空冷铸钢零部件至200～250℃以下，火焰切割浇冒口，清理残根、飞边、毛刺等；

（14）铸钢零部件在950～1050℃进行淬火，升温速率80℃～100℃/H，保温时间为3～8小时。出炉后立即淬水，淬水入水时间45～70S，再加热至200～250℃回火，保温，随炉冷却至150℃后进行空冷。

进一步地，步骤（5）中所述化学成份分析是在炉前用便携式光谱仪对钢水样进行化学成份快速分析。

进一步地，步骤（7）中所述两步脱氧为，先加入纯铝脱氧进行第一步脱氧，而后加入含硅、钙、钡和铝的复合脱氧剂进行第二步脱氧。

进一步地，步骤（8）中用红外测温枪测量钢包中部位置温度，包体通红。

进一步地，步骤（9）中所述脱氧剂为钙、矽、锰复合脱氧剂。

进一步地，步骤（12）中用流涂机对砂型进行涂料流涂砂型。合箱之前用工业热风机对砂型烘烤。

进一步地，步骤（14）中所述入水时间为打开热处理炉使铸件暴露在铸件中起到铸件完全进入水中为止。其中淬水所用水池的水必须为循环水，保证水温始终不超过38℃。

本发明将Cr的用量控制在1.35～1.5%，使钢的强度、硬度、淬透性和耐磨性显著提高，同时又能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性。在钢材料中添加了Mo、Ni、V、Sn、Zr等元素用于制造铸钢零部件，大大提升了铸钢零部件的力学性能，使其具有较高的抗拉强度和屈服强度，较大的冲击功和硬度，使铸钢零部件在核电机组中表现出良好的工作性能和使用寿命，大大降低了维护的成本，同时，使铸钢零部件具备较大的延伸率和断面收缩率，保证铸钢零部件的使用安全。其中Mo促进铁素体和贝氏体的形成，提高了铸件的强韧性；同时提高了微合金元素V在奥氏体中的固溶度，延迟了微合金碳氮化物的沉淀析出，将使更多的V得以保留至较低温度下从铁素体中析出，产生更大的沉淀强化作用，含Mo碳氮化物的热稳定性较好，保证高温性能；而V可细化组织晶粒，提高强度和韧性，V与碳形成的碳化物，在高温高压下可提高抗氢腐蚀能力；Ni在钢中形成细小的碳化物和氮化物，在再加热过程中防止组织晶粒粗大，在焊接过程中阻止焊接热影响区晶粒的粗化；Zr作为冶金工业的“维生素”不仅有较强的脱氧、除氮、去硫作用，而且能大幅度提升钢的硬度和强度，同时部分Zr在与Sn、Cr、Ni相互作用下可提高材料的强度、耐蚀性和耐蚀膜的导热性，降低表面状态对腐蚀的敏感性。

为了生产上述铸钢零部件，本发明还提供了一种改进后的生产工艺，采用该生产工艺可以生产出高品质的大体积铸钢零部件，用于核电机组中具有较强的韧性和较长的使用寿命。具有该生产工艺与传统的铸钢零部件生产工艺相比，具有以下优点：（1）采用钢屑、无锈渍的低碳冲片压块以及一定比例同牌号的回炉料作为原料，在保证产品质量的前提下大大降低了生产成本，合理利用了废弃资源，节能环保。（2）钢水精炼前先通过氧气顶吹转炉进行氧化去杂，防止钢水中的Si、Mn、P 、S、C、Ni和Cr等杂质含量过高，方便后面对钢水的成分的微调。（3）采用AOD精炼炉对钢水进行精炼，使刚水中P、S等杂质减少，从而提升钢水纯净度。（4）进行炉前快速成分分析和气体含量测定，在出炉的钢水达标，以保证产品的性能。（5）对钢包底部进行吹氩，将杂质与氩气翻滚带出，从而使钢水更纯净。（6）进行四次脱氧处理，使钢水充分脱氧，从而提升产品性能。（7）钢水吹氩处理后送入真空罐内进行脱气脱氧，不仅进一步脱氧提升产品性能，而且能够进一步净化钢水，最大限度减少非金属杂质。（8）采用电解锰代替锰铁加入钢水中，以提高锰的纯度，从而提升铸钢零部件的力学性能，提高产品品质。（9）钢包需要先经过高温烘烤，使包体通红，以保证足够充裕的钢水温度而不会由于冷钢包的原因使钢水温度过快下降，保证钢水具有合适的浇注温度。（10）浇注前，用流涂机对砂型进行涂料流涂，获得砂型细腻表面，保证铸件产品表面质量，提高工作效率。用工业热风机对砂型烘烤，避免砂型吸潮而导致的产品气孔缺陷，减少冷型对钢水流动性的影响，从而大大降低了次品率；（11）采用了全开放式对称型浇注系统进行铸钢零部件的浇铸，充型平稳，对型腔冲刷力小，减小因卷气，卷渣紊流所造成的产品铸造缺陷。

综上所述，本发明严格控制Cr的用量，在钢材料中添加了Ni、Mo、Sn、Zr、V等元素，使所述铸钢零部件具有较好的耐磨性、耐腐蚀性、耐热性能以及较强的韧性，达到了国外先进核铸件的技术指标。

具体实施方式

下面将结合具体实施例对本发明进行进一步的阐述。

实施例一

一种用于核电机组的铸钢零部件，其生产工艺的步骤如下：

（1）将钢屑、无锈渍的低碳冲片压块通过电炉加热融化，形成熔融状态的钢水。

（2）将钢水送入氧气顶吹转炉，氧化去除钢水中的Si、Mn、P 、S、C、Ni和Cr得到低杂质钢水。

（3）将低杂质钢水用AOD精炼炉中进行精炼提纯。

（4）在精炼后的钢水中加入硅铁，电解锰，低碳铬铁和金属锆进行熔炼。

（5）加入经过清理后的同牌号的回炉料进行熔炼，待钢水熔融后，取钢水样进行化学成份分析，即是在炉前用便携式光谱仪对钢水样进行化学成份快速分析。

（6）针对分析所得化学成份，加入烘烤至220℃的合金物料，对钢水进行成分进行微调，使其能符合质量百分比配比要求。

（7）将电炉温度升至1635℃后，进行两步脱氧，先加入纯铝脱氧进行第一步脱氧，而后加入含硅、钙、钡和铝的复合脱氧剂进行第二步脱氧；待电炉进行电磁搅拌4～5分钟后，插入定氧仪探头，测量钢水内氧含量PPM值位4.8PPM，符合≤5PPM的要求，出炉。

（8）用烘包器烘烤钢包，红外测温枪测得钢包中部温度达938℃，目视包体通红。

（9）将镍板、钼铁、电解铜和钒铁等材料破碎成小块，烘干后置于钢包底部，再将钙、矽、锰复合脱氧剂置于钢包底，用包内冲入法对钢水进行复合变质处理和终脱氧处理。

（10）对钢水进行吹氩处理，吹氩压力0.18MPa，吹氩时间16分钟，并再次用定氧仪对钢水中含氧量进行测定为4.5PPM，符合≤5PPM的要求。

（11）将经吹氩处理后的钢水加热送入真空罐内进行真空脱气脱氧，真空脱气脱氧时间为30分钟，真空度为0.5Mbar。

（12）用砂型铸造铸钢零部件，砂型浇注前进行流涂，合箱前热风机热风烘烤砂型4H。采用开放式对称型浇注系统进行浇注，浇注温度为1556℃。

（13）浇注后铸件在砂箱内凝固保温72小时后开箱，空冷铸钢零部件至230℃左右，火焰切割浇冒口，清理残根、飞边、毛刺等。

（14）铸钢零部件在1000℃进行淬火，升温速率80℃-100℃/H，保温时间为6小时。出炉后立即淬水，淬水入水时间60S，再加热至200℃回火，保温，随炉冷却至150℃后进行空冷。入水时间为打开热处理炉使铸件暴露在铸件中起到铸件完全进入水中为止。其中淬水所用水池的水必须为循环水，保证水温始终不超过38℃。

通过上述生产工艺得到的铸钢零部件的化学成分如下表（表1）所示：

表1 一种用于核电机组的铸钢零部件的化学成分分析表

通过测试得到该铸钢零部件的力学性能如下表（表2）所示：

表2 一种用于核电机组的铸钢零部件的力学性能测试表

常温20℃试验条件下

高温500℃试验条件下

屈服强度：350MPa。

通过无损检测测试得到该铸钢零部件的铸件质量符合要求如下表（表3）所示：

表3 一种用于核电机组的铸钢零部件的无损检测测试表

以上质量无损检测结果完全符合国际核用铸钢零部件质量要求。

实施例二

一种用于核电机组的铸钢零部件，其生产工艺的步骤如下：

（1）将钢屑、无锈渍的低碳冲片压块通过电炉加热融化，形成熔融状态的钢水。

（2）将钢水送入氧气顶吹转炉，氧化去除钢水中的Si、Mn、P 、S、C、Ni和Cr得到低杂质钢水。

（3）将低杂质钢水用AOD精炼炉中进行精炼提纯。

（4）在精炼后的钢水中加入硅铁，电解锰，低碳铬铁和金属锆进行熔炼。

（5）加入经过清理后的同牌号的回炉料进行熔炼，待钢水熔融后，取钢水样进行化学成份分析，即是在炉前用便携式光谱仪对钢水样进行化学成份快速分析。

（6）针对分析所得化学成份，加入烘烤至210℃的合金物料，对钢水进行成分进行微调，使其能符合质量百分比配比要求。

（7）将电炉温度升至1628℃后，进行两步脱氧，先加入纯铝脱氧进行第一步脱氧，而后加入含硅、钙、钡和铝的复合脱氧剂进行第二步脱氧；待电炉进行电磁搅拌4～5分钟后，插入定氧仪探头，测量钢水内氧含量PPM值位4.6PPM，符合≤5PPM的要求，出炉。

（8）用烘包器烘烤钢包，红外测温枪测得钢包中部温度达956℃，目视包体通红。

（9）将镍板、钼铁、电解铜和钒铁等材料破碎成小块，烘干后置于钢包底部，再将钙、矽、锰复合脱氧剂置于钢包底，用包内冲入法对钢水进行复合变质处理和终脱氧处理。

（10）对钢水进行吹氩处理，吹氩压力0.18MPa，吹氩时间16分钟，并再次用定氧仪对钢水中含氧量进行测定为4.42PPM，符合≤5PPM的要求。

（11）将经吹氩处理后的钢水加热送入真空罐内进行真空脱气脱氧，真空脱气脱氧时间为50分钟，真空度为0.9Mbar。

（12）用砂型铸造铸钢零部件，砂型浇注前进行流涂，合箱前热风机热风烘烤砂型4H。采用开放式对称型浇注系统进行浇注，浇注温度为1560℃。

（13）浇注后铸件在砂箱内凝固保温84小时后开箱，空冷铸钢零部件至230℃左右，火焰切割浇冒口，清理残根、飞边、毛刺等。

（14）铸钢零部件在1050℃进行淬火，升温速率80℃-100℃/H，保温时间为7.5小时。出炉后立即淬水，淬水入水时间65S，再加热至250℃回火，保温，随炉冷却至150℃后进行空冷。入水时间为打开热处理炉使铸件暴露在铸件中起到铸件完全进入水中为止。其中淬水所用水池的水必须为循环水，保证水温始终不超过38℃。

通过上述生产工艺得到的铸钢零部件的化学成分如下表（表4）所示：

表4 一种用于核电机组的铸钢零部件的化学成分分析表

通过测试得到该铸钢零部件的力学性能如下表（表5）所示：

表5 一种用于核电机组的铸钢零部件的力学性能测试表

常温20℃试验条件下

高温500℃试验条件下

屈服强度：368MPa

通过无损检测测试得到该铸钢零部件的铸件质量符合要求如下表（表6）所示：

表6 一种用于核电机组的铸钢零部件的无损检测测试表

以上质量无损检测结果完全符合国际核用铸钢零部件质量要求。

综合以上实例的力学性能测试数据可知，通过对铸钢零部件的化学成分的调试以及生产工艺的改进，使得生产出的铸钢零部件具有良好的的抗拉强度和屈服强度，且具有较高的冲击功，韧性和耐磨性；同时，铸钢零部件的延伸率和断面收缩率较大，说明其塑性较好，不仅便于进行各种加工，且能保证铸钢零部件在核电机组中的安全使用。

所述铸钢零部件为汽缸、半环铸件或其他零部件。

上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (6)

1.一种用于核电机组的铸钢零部件，其特征在于：该铸钢零部件化学组成的重量百分比为：C:0.18～0.20%，Si≤0.60%，Mn:0.60～0.80%，P≤0.02%，S≤0.015%，Cr:1.35～1.50%，Ni≤0.50%，Mo:0.90～1.10%，V:0.20～0.30%,Sn≤0.025%，Zr：0.08～0.12%，其余为Fe和不可避免的微量杂质，一种生产所述的铸钢零部件的生产工艺，其步骤如下：

（1）将钢屑、无锈渍的低碳冲片压块通过电炉加热融化，形成熔融状态的钢水；

（2）将钢水送入氧气顶吹转炉，氧化去除钢水中的Si、Mn、P 、S、C、Ni和Cr得到低杂质钢水；

（3）将低杂质钢水用AOD精炼炉中进行精炼提纯；

（4）在精炼后的钢水中加入硅铁，电解锰，低碳铬铁和金属锆进行熔炼；

（5）加入经过清理后的同牌号的回炉料进行熔炼，待钢水熔融后，取钢水样进行化学成份分析；

（6）针对分析所得化学成份，加入烘烤至240～260℃的合金物料，对钢水进行成分进行微调，使其能符合质量百分比配比要求；

（7）将电炉温度升至1640～1650℃后，进行两步脱氧；即，先加入纯铝脱氧进行第一步脱氧，而后加入含硅、钙、钡和铝的复合脱氧剂进行第二步脱氧，待电炉进行电磁搅拌4～5分钟后，插入定氧仪探头，测量钢水内氧含量PPM值是否在规定值内，检验合格后出炉；

（8）用烘包器烘烤钢包至900℃～1000℃，包体通红；

（9）将镍板、钼铁、电解铜和钒铁破碎成小块，烘干后置于钢包底部，再将脱氧剂置于钢包底，用包内冲入法对钢水进行复合变质处理和终脱氧处理；

（10）对钢水进行吹氩处理，吹氩压力≥0.15MPa，吹氩时间≥15分钟，并再次用定氧仪对钢水中含氧量进行测定；

（11）将钢水加热后送入真空罐内进行真空脱气脱氧；

（12）用砂型铸造铸钢零部件，砂型浇注前进行流涂及烘干， 采用开放式对称型浇注系统进行浇注，浇注温度为1555～1565℃；

（13）浇注后铸件在砂箱内凝固保温72～84小时后开箱，空冷铸钢零部件至200～250℃以下，火焰切割浇冒口，清理残根、飞边、毛刺等；

（14）铸钢零部件在950～1050℃进行淬火，升温速率80℃～100℃/h ，保温时间为3～8小时， 出炉后立即淬水，淬水入水时间45～70s ，再加热至200～250℃回火，保温，随炉冷却至150℃后进行空冷, 所述淬水入水时间为打开热处理炉使铸件暴露在铸件中起到铸件完全进入水中为止,其中淬水所用水池的水必须为循环水，保证水温始终不超过38℃。

2.根据权利要求 1 所述的一种用于核电机组的铸钢零部件，其特征在于：所述铸钢零部件为汽缸或半环铸件。

3.根据权利要求 1 所述的铸钢零部件的生产工艺，其特征在于：步骤（5）中所述化学成份分析是在炉前用便携式光谱仪对钢水样进行化学成份快速分析。

4.根据权利要求 1 所述的铸钢零部件的生产工艺，其特征在于：步骤（8）中用红外测温枪测量钢包中部位置温度，包体通红。

5.根据权利要求 1 所述的铸钢零部件的生产工艺，其特征在于：步骤（9）中所述脱氧剂为钙、硅 、锰复合脱氧剂。

6.根据权利要求 1 所述的铸钢零部件的生产工艺，其特征在于：步骤（12）中用流涂机对砂型进行涂料流涂砂型,合箱之前用工业热风机对砂型烘烤。