一种真空感应炉冶炼低合金含氮焊丝钢及其冶炼方法技术

本发明专利技术提供了一种含氮结构钢，按质量百分比计，包括≥2％的N和≤5％的Cr。本发明专利技术通过采用真空感应炉冶炼，利用温度、氮的分压以及其他动力学因素，来改变氮在钢中溶解度，得到了低合金含氮焊丝钢。本发明专利技术实现了在没有高压熔炼设备的情况下工业化制造高氮钢，特别是实现了高纯度的高氮钢的制造。本发明专利技术提供的含氮结构钢，满足了第四代先进核能系统的蒸发器的焊接工艺要求和熔覆金属的性能要求。

A Vacuum Induction Furnace for Smelting Low Alloy Nitrogen-Containing Welding Wire Steel and Its Smelting Method

The invention provides a nitrogen-containing structural steel, which comprises N (>2%) and Cr (<5%) in mass percentage. The invention adopts vacuum induction furnace smelting, uses temperature, nitrogen partial pressure and other dynamic factors to change nitrogen solubility in steel, and obtains low alloy nitrogen-containing welding wire steel. The invention realizes the industrialized manufacture of high nitrogen steel without high pressure smelting equipment, especially the manufacture of high purity high nitrogen steel. The nitrogen-containing structural steel provided by the invention meets the welding process requirements of the evaporator of the fourth generation advanced nuclear energy system and the performance requirements of the cladding metal.

【技术实现步骤摘要】
一种真空感应炉冶炼低合金含氮焊丝钢及其冶炼方法
本专利技术属于第四代核能系统的蒸发器的焊接
，涉及一种含氮结构钢及其冶炼方法，特别涉及一种真空感应炉冶炼低合金含氮焊丝钢及其冶炼方法。
技术介绍
TMSR核能系统是指第四代裂变反应堆核能系统，是中科院未来10年先导研究专项之一。计划至2020年之前建成2MW钍基熔盐实验堆，形成支撑未来TMSR核能系统发展的若干技术研发能力，并解决钍铀燃料循环和钍基熔盐堆相关重大技术挑战，研制出工业示范级钍基熔盐堆，实现针对资源的有效使用和核能的综合利用。TMSR核能系统包括：钍铀核燃料的制备、熔盐反应堆、钍基熔盐堆燃料(废料)的后处理。在现阶段，TMSR核能系统还有许多技术需要实现，一是建成2MW钍基熔盐实验堆，掌握相关的关键技术；二是形成支撑未来TMSR核能系统发展的若干技术研发能力。因而，领域内的诸多研究人员都在为此不断的努力探索中。在领域内，通常把核电站的组成设备称为核电设备。建造核电站的设备主要分为三类：核岛设备、常规岛设备、辅助系统(BOP)。这其中，核岛设备是承担热核反应的主要部分，技术含量最高，对安全设计的要求也最高。而核电蒸汽发生器(steamgenerator，sg，简称蒸发器)是核岛内的三大设备之一，是压水堆核电厂一回路、二回路的边界，它将反应堆产生的热量传递给蒸汽发生器二次侧，产生的蒸汽经一、二级汽水分离器干燥后推动汽轮发电机发电。作为核电站最为关键的主要设备之一，蒸汽发生器与反应堆压力容器相连，不仅直接影响电站的功率与效率，而且在进行热量交换时，还起着阻隔放射性载热剂的作用，对核电站安全至关重要。因此，蒸汽发生器的一级安全等级、I类抗震类别、一级规范级别和Q1级的质量要求，以及材料和制造的高技术含量均为当代制造业之最。因而，在制备第四代先进核能系统的蒸发器时，为了保证其安全等级和质量要求，需要采用特种焊丝进行焊接。但是专用焊接焊丝在国内是空白，而且也无法进口，相关的进口或国产替代品也无法满足焊接工艺要求和熔覆金属的性能要求。因此，如何能够得到一种满足上述第四代先进核能系统的蒸发器的焊接工艺要求和熔覆金属的性能要求的特种焊丝，填补相关领域的空白，已成为业内诸多一线研究人员亟待解决的问题之一。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术要解决的技术问题在于提供一种含氮结构钢及其冶炼方法，特别是一种真空感应炉冶炼低合金含氮焊丝钢中氮含量的控制方法，本专利技术采用真空感应炉冶炼，制备得到了高纯度含氮焊丝钢，满足了第四代先进核能系统的蒸发器的焊接工艺要求和熔覆金属的性能要求。本专利技术提供了一种含氮结构钢，按质量百分比计，包括：N：≥0.02％；Cr：≤5％。优选的，所述含氮结构钢还包括：Mn：0.50％～1.20％；所述含氮结构钢包括含氮焊丝钢。优选的，所述N为0.02％～0.03％；所述Cr为2.4％～2.6％；所述含氮结构钢，按质量百分比计，还包括：C：0.12％～0.15％；Si：0.05％～0.12％；Mn：0.70％～0.80％；P：≤0.005％；S：≤0.003％；Mo：0.98％～1.10％；Cu：≤0.05％；Ni：0.10％～0.20％；Ti：≤0.005％；Al：0.07％～0.12％；小于等于0.1％的杂质元素以及余量的Fe；所述含氮结构钢为核能系统的蒸发器焊接用含氮焊丝钢。优选的，所述杂质元素，按质量百分比计，包括：O：≤0.004％；H：≤0.00015％；Pb：≤0.004％；Sn：≤0.004％；As：≤0.005％；Sb：≤0.004％；Bi：≤0.001％；V：≤0.01％；Nb：≤0.001％；Co：≤0.05％。本专利技术提供了一种如上述技术方案任意一项所述的含氮结构钢的冶炼方法，包括以下步骤：1)将原料进行真空精炼后，得到精炼后的半成品；2)在保护气体的条件下，向上述步骤得到的精炼后的半成品中加入氮化铬，进行高压熔炼后，得到高压熔炼后的半成品；3)将上述步骤得到的高压熔炼后的半成品经过浇注和加压冷却后，得到含氮结构钢。优选的，所述原料包括单晶硅、金属Cr、氮化铬、金属钼、纯铁、碳块、金属铝和金属锰；所述真空精炼的绝对压力为小于等于2.7Pa。优选的，所述真空精炼的具体步骤为：11)将原料全熔后，然后升温进行高温脱氧脱氮，再进入精炼期，随后充入惰性气体并加入Mn，搅拌调节成分后，得到精炼后的半成品。优选的，所述全熔的温度为1520～1530℃；所述高温脱氧脱氮的温度为1630～1650℃；所述高温脱氧脱氮的时间为15～25分钟；所述精炼期的温度为1600～1620℃；所述精炼期的时间为40～60分钟。优选的，所述氮化铬的加入量与原料总质量的比例为1.5％～1.8％；所述高压熔炼的压力为30～50KPa；所述高压熔炼的温度为1600～1620℃；所述高压熔炼的时间为5～10分钟；所述浇注具体为浇注成棒材。优选的，所述棒材的直径为240～360mm；所述浇注的温度为1600～1620℃；所述加压冷却的方式为炉冷；所述加压冷却的压力为20～30KPa；所述加压冷却的时间为大于等于12小时。本专利技术提供了一种含氮结构钢，按质量百分比计，包括≥2％的N和≤5％的Cr。与现有技术相比，本专利技术针对现有的焊丝不能满足第四代先进核能系统的蒸发器的焊接工艺要求和熔覆金属的性能要求的问题。本专利技术通过采用真空感应炉冶炼，利用温度、氮的分压以及其他动力学因素，来改变氮在钢中溶解度，得到了低合金含氮焊丝钢。本专利技术实现了在没有高压熔炼设备的情况下工业化制造高氮钢，特别是实现了高纯度的高氮钢的制造。本专利技术提供的含氮结构钢，满足了第四代先进核能系统的蒸发器的焊接工艺要求和熔覆金属的性能要求。实验结果表明，经中国原子能科学研究院对本方法制备的含氮焊丝钢进行评定，满足GYHR-CFR-SG-S-0008《蒸汽发生器结构材料评定总体技术方案》的焊接工艺要求和质量要求。附图说明图1为本专利技术提供的真空感应炉冶炼低合金含氮焊丝钢的真空感应炉冶炼功率曲线图。具体实施方式以上所述仅是本专利技术的优选实施方式，应当指出，对于本
的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本专利技术的保护范围。本专利技术所有原料，对其来源没有特别限制，在市场上购买的或按照本领域技术人员熟知的常规方法制备的即可。本专利技术所有原料，对其纯度没有特别限制，本专利技术优选采用工业纯或低合金高氮焊丝钢制备领域使用的常规纯度。本专利技术所有原料，其牌号和简称均属于本领域常规牌号和简称，每个牌号和简称在其相关用途的领域内均是清楚明确的，本领域技术人员根据牌号、简称以及相应的用途，能够从市售中购买得到或常规方法制备得到。本专利技术所有工艺，其简称均属于本领域的常规简称，每个简称在其相关用途的领域内均是清楚明确的，本领域技术人员根据简称，能够理解其常规的工艺步骤。在本专利技术中所述满足第四代先进核能系统的蒸发器的焊接工艺要求和熔覆金属的性能要求，也可以理解为满足美标ASME锅炉及压力容器规范国际性规范II中的相关焊接工艺要求和熔覆金属的性能要求。本专利技术提供了一种含氮结构钢，其特征在于，按质量百分比计，包括：N：≥0.02％；Cr：≤5％。本专利技术提供的含氮结构钢，更优选是指含氮焊丝钢，更优本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种含氮结构钢，其特征在于，按质量百分比计，包括：N：≥0.02％；Cr：≤5％。

【技术特征摘要】
1.一种含氮结构钢，其特征在于，按质量百分比计，包括：N：≥0.02％；Cr：≤5％。2.根据权利要求1所述的含氮结构钢，其特征在于，所述含氮结构钢还包括：Mn：0.50％～1.20％；所述含氮结构钢包括含氮焊丝钢。3.根据权利要求1所述的含氮结构钢，其特征在于，所述N为0.02％～0.03％；所述Cr为2.4％～2.6％；所述含氮结构钢，按质量百分比计，还包括：C：0.12％～0.15％；Si：0.05％～0.12％；Mn：0.70％～0.80％；P：≤0.005％；S：≤0.003％；Mo：0.98％～1.10％；Cu：≤0.05％；Ni：0.10％～0.20％；Ti：≤0.005％；Al：0.07％～0.12％；小于等于0.1％的杂质元素以及余量的Fe；所述含氮结构钢为核能系统的蒸发器焊接用含氮焊丝钢。4.根据权利要求3所述的含氮结构钢，其特征在于，所述杂质元素，按质量百分比计，包括：O：≤0.004％；H：≤0.00015％；Pb：≤0.004％；Sn：≤0.004％；As：≤0.005％；Sb：≤0.004％；Bi：≤0.001％；V：≤0.01％；Nb：≤0.001％；Co：≤0.05％。5.一种如权利要求1～4任意一项所述的含氮结构钢的冶炼方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将原料进行真空精炼后，得到精炼后的半成品；2)在保护气体的条件下，向上述步骤得到的精炼后的半成品...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶文冰，王佳明，李源，张健，罗祥华，肖桂华，
申请(专利权)人：攀钢集团江油长城特殊钢有限公司，
类型：发明
国别省市：四川,51