一种热核聚变堆用不锈钢大锻件的生产方法
【专利摘要】本发明公开了一种热核聚变堆用不锈钢大锻件的生产方法，包括：（一）钢锭预处理；（二）钢锭加热工艺；（三）钢锭锻造工艺；（四）二镦二拔工艺；（五）成品整形；（六）成品锻件热处理工艺；最终得到不锈钢大锻件的厚度为300-1000mm；宽度为300-1800mm；长度为500-2200mm。该方法实现了不锈钢锻件晶粒度≥2级，且锻件表面裂纹深度＜1mm，满足热核聚变堆（包括ITER计划）质量要求。
【专利说明】—种热核聚变堆用不锈钢大锻件的生产方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种热核聚变堆用不锈钢大锻件的生产方法，具体涉及一种热核聚变堆用厚度为300-1000mm、宽度为300-1800mm的不锈钢锻件生产方法。
【背景技术】
[0002]ITER计划(Internat1nal Thermonuclear Experimental Reactor 国际热核实验堆)是欧盟、美国、中国、日本、俄罗斯、印度、韩国七个国家地区参加的新型热核聚变实验堆项目。
[0003]该项目需求大量厚度超过300mm的316LN、316L (N) -1G不锈钢锻件产品，主要不锈钢材料成分如下:
钢号:316L (N) -1G，成分要求:C ( 0.03%，Si 彡 0.75%，Mn 彡 2.00%, P 彡 0.03%,S ( 0.01%, Cr 16.00%-18.00%, Ni 11.00%-14.00%, Mo 2.00%-2.50%, Co ( 0.10%, N0.06%-0.08%, Nb ( 0.10%, Ta ( 0.10%
钢号:316LN，成分要求:C 彡 0.03% , Si 彡 0.75%，Mn 彡 2.00%, P 彡 0.03%,S 彡 0.01%, Cr 16.00%-18.50%, Ni 10.00%-14.00%, Mo 2.00%-3.00%, Co ( 0.10%, N0.10%-0.22 %，Nb ( 0.10%, Ta ( 0.10%, (C+N)彡 0.15%
钢号:316L，成分要求:C ^ 0.03% ,Si ^ 0.75% ,Mn^ 2.00%, P^0.03%, S^0.01%,Cr 16.00%-18.50%, Ni 10.00%-14.00%, Mo 2.00%-3.00%, Co ( 0.10%, N 彡 0.10%%，Nb ( 0.10%, Ta ( 0.10%
采用通常锻造工艺进行锻件的生产，则锻件的晶粒度< 2级，且表面裂纹较多，裂纹深度达到2mm以上；无法满足ITER对该锻件晶粒度> 2级的要求，以及锻件由于表面裂纹深需要车削量较大，造成生产成本高，交货周期长的问题。
【发明内容】
[0004]为了克服上述不足，本发明旨在提供一种热核聚变堆用不锈钢锻件的生产方法，可以实现不锈钢锻件晶粒度> 2级，且锻件表面裂纹深度< 1mm，满足热核聚变堆(包括ITER计划)质量要求。本发明涉及的热核聚变堆(包括ITER计划)用的不锈钢锻件厚度300-1000mm ;宽度:300_1800mm ;长度 500_2200mm。
[0005]本发明提供的一种热核聚变堆用不锈钢大锻件的生产方法，包括下述步骤:
(一)钢锭预处理
钢锭要求:钢锭是圆锭、方锭、八边形、六边形锭中的一种，钢锭需要锯切掉头尾部分，且切掉头尾后的高度与断面外接圆直径之比在1.0 -2.0之间；
(二)钢锭第一次加热工艺
钢锭以冷锭或带温钢锭进入加热炉加热，升温到1210±20°C，保温4小时-8小时，保证钢锭内部、外部温度烧透、均一，保温时间达到要求后进行锻造；
第一次加热工艺，具体操作为:钢锭以冷锭或带温钢锭进入加热炉加热，在500°C以下的加热速度彡80°C /h, 500°C -1100°C范围内的加热速度彡150°C /h,在1100°C ±20°C时保温3小时-3.5小时，保证钢锭内部、外部温度烧透、均一，保温时间达到要求后，快速升温到1210±20°C，保温4小时-8小时，其中保温2小时-2.5小时后，钢锭翻转一次，保证钢锭每个面加热温度一致。
[0006](三)钢锭锻造工艺
采用自由锻造工艺，在液压锻造机上进行锻造；
钢锭出炉后，测得钢锭高/径比< 1.8，先沿径向方向锻造，每道次锻造变形量控制在钢锭直径的2%-10%，转动钢锭，多个道次锻造，把钢锭锻造成圆柱体；径向锻造后，控制圆柱体的高/圆柱体直径在1.5-2.5 ；
钢锭出炉后，测得钢锭高/径比在1.8-2.5之间，直接进行以下锻造操作；
第一次镦粗锻造:把圆柱体钢锭竖立进行锻造，锻造高度方向总变形率控制在钢锭高度的35%-48% ;测量钢锭表面温度；
第一次拔长锻造:镦粗之后，再次从钢锭原始径向进行锻造，转动坯料，每道次锻造变形量控制在钢锭直径的2%-10%，均匀变形，锻造成圆柱体，使锻造后的坯料高度/坯料直径在1.5-2.5 ;测量钢锭表面温度；
以上锻造过程中，每次锻造完毕都需要测量钢锭表面温度，当终锻温度下降到900-950°C，停止锻造，把坯料送到加热炉进行二次加热；钢锭表面温度为950°C以上时，继续进行锻造；
(四)二镦二拔工艺:
第一次拔长后，根据上面镦粗锻造工艺要求，进行第二次镦粗锻造:控制变形率为:变形后钢锭高度为初始高度的35%-45% ；
二次镦粗之后，再按照上述拔长工艺要求，进行第二次拔长锻造，控制变形率为:锻造后的坯料高度/坯料直径在1.5-2.5 ；
以上锻造过程中，每次锻造完毕都需要测量钢锭表面温度，当终锻温度下降到900-950°C，停止锻造，把坯料送到加热炉进行三次加热；钢锭表面温度为950°C以上时，继续进行下步成品整形工序；
(五)成品整形:
两镦两拔后，沿着径向高度方向锻造，并使锻件断面呈矩形或正方形，控制每道次变形量在成品尺寸的2%-15%，反复锻造直到达到成品锻件形状及公差范围之内；
(六)成品锻件热处理工艺:
锻造后的成品，入热处理炉进行热处理，出炉后入水池快速冷却到室温；
所述热处理工艺可采用以下两种方式:(I)在30分钟内，装入热处理炉进行处理，热处理加热温度1050-1150°C，锻件成品厚度保温时间:0.5-3分钟/毫米厚度，锻件出炉后入水池快速冷却到室温；(2)锻后锻件直接入水池冷却后，再入热处理炉进行热处理，热处理加热温度1050-1150°C，锻件成品厚度保温时间:0.5-3分钟/毫米厚度，锻件出炉后入水池快速冷却到室温。
[0007]上述方案中，所述步骤(三)钢锭锻造工艺中，钢锭二次加热时:钢锭第二次加热温度为1160-1220°C，保温时间为2小时-3小时。
[0008]上述方案中，所述步骤(四)二镦二拔工艺中，钢锭三次加热时:钢锭第三次加热温度为1140-1200°C，保温时间为2小时-3小时。
[0009]上述锻造过程中，坯料返回加热炉的次数控制在1-2次；即钢锭在锻造过程中进行第二次加热或第三次加热。最多只能加热三次，加热次数过多，会使锻件的组织粗化(即晶粒度粗大)。
[0010]上述方法所得不锈钢大锻件的厚度为300-1000mm ;宽度为300-1800mm ;长度为500_2200mm。
[0011]本发明的有益效果:
本发明生产的热核聚变堆(包括ITER计划)用不锈钢锻件晶粒度可以达到2级或更细，且表面裂纹很少，即使有裂纹的部位，裂纹深度也小于2mm。
【具体实施方式】
[0012]下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
[0013]实施例1:
本实施例的不锈钢钢种为316L (N)-1G0
[0014]成品规格MSO-^XllOO-c^XSigS。+5。!!]!!!。
[0015]成品锻件理论重量:8.608吨。
[0016]本实施例的步骤依次如下:
(一)钢锭预处理
钢锭尺寸、类型:圆台体钢锭，下断面直径为1000mm，上断面直径为945mm，高度为1807mm (切头尾后高度)，高度/直径比1.8。
[0017]钢锭重量(去掉头尾后):11.100吨。
[0018]钢锭化学成分:
C: 0.012% S1:0.43%Mn:1.77% Cr:16.26%
Ni:13.77% P:0.016%S:0.002% N:751ppm
Mo:2.15% Co:0.03%, Nb:0.01%, Ta:0.010%
(二)钢锭加热
第一火加热:钢锭以冷锭入炉，在500°C以下，按照每小时50°C -60°C升温速度进行加热。
[0019]500 0C -1lOO0C时，加热速度按照每小时110°C _120°C加热，达到1100°C，在11080C -1120°c时保温3小时7分钟。
[0020]保温后按照每小时180°C的加热速度，加热到1210°C，在1205_1214°C温度范围保温2小时10分钟后，钢锭上下面翻钢一次，再次在1205-1214°C温度范围保温2小时4分钟出炉(总保温时间4小时14分钟)。
[0021](三)锻造
在100MN液压锻机上进行锻造。
[0022]钢锭先在径向进行锻造，均匀转动钢锭，在直径方向均匀变形，变形率
3.7%-9.0%(钢锭上下尺寸不一样，变形不同)，锻后尺寸为Φ 910 X 2070mm，钢锭高径比为
2.27。
[0023]第一次镦粗锻造:钢锭竖立，沿高度方向进行锻造，分三次变形，使高度由2070mm变为1140mm (高度总变形率44.9%，钢锭变为Φ 1226 X 1140mm)。测量表面温度为1106°C。
[0024]第一次拔长锻造:用机械操作手把钢锭旋转90度进行锻造，沿轴向旋转钢锭，控制每道次压下10mm，锻造后的尺寸为Φ986Χ 1763mm，高径比为1.79。测量表面温度为993。。。
[0025](四)二镦二拔工艺
第二次镦粗锻造:钢锭竖立，沿高度方向进行锻造，分两次变形，使高度由1763mm变为1120mm (高度总变形率36.5%，钢锭变为Φ 1237X 1120mm)。测量表面温度977°C。
[0026]第二次拔长锻造:钢锭旋转90度进行锻造，沿轴向旋转钢锭，控制每道次压下15-25mm(成品尺寸的3.3%_5.6%)，锻造后断面尺寸为620X 1200mm。测量表面温度942°C。
[0027]钢锭回加热炉加热(二火)，快速升温到1193°C，保温130分钟出炉锻造。
[0028](五)锻件整形:
减小断面尺寸方向锻造，控制每道次变形量在成品尺寸的5%-15%，反复锻造使620 X 1200mm 断面变形为 450_Q+3CIX 1100_Q+5Clmm。
[0029](六)成品锻件热处理工艺
锻件锻后23分钟装入热处理炉进行处理，热处理炉加热温度1060-1070°C，锻件成品厚度保温时间:273分钟(0.6分钟/毫米厚度)，出炉入水池水冷到室温。
[0030](七)锻件检测
锻件按照ASTM A484/484M检验晶粒度在3.5-4.5级，满足热核聚变实验堆用不锈钢锻件晶粒度> 2级且波动在±1级的要求。
[0031]锻件表面无裂纹缺陷。
[0032]实施例2:
本实施例的不锈钢钢种为316LN。
[0033]成品规格:600_。+3°父1500_。+5°父 1900。+50臟。
[0034]成品锻件理论重量:13.56吨。
[0035]本实施例的步骤依次如下:
(一)钢锭
钢锭尺寸、类型:圆台体钢锭，下断面直径1200mm,上断面直径1135mm高度1850mm (切头尾后高度)，高度/直径比1.58。
[0036]钢锭重量(去掉头尾后):15.70吨。
[0037]钢锭化学成分:
C:0.017% S1:0.50%Mn:1.51% Cr:16.15 %
Ni:12.43 % P:0.018%S:0.0012% N:1312ppm
Mo:2.08% Co:0.03%,Nb:0.01%, Ta:0.010%
(二)钢锭加热
第一火加热:钢锭以冷锭入炉，在500°C以下，按照每小时50°C -60°C升温速度进行加热。
[0038]500 0C -1lOO0C时，加热速度按照每小时110°C _120°C加热，达到1100°C，在11080C -1120°c时之间保温3小时18分钟。
[0039]保温后按照每小时180°C的加热速度，加热到1210°C，在1203_1216°C温度范围保温2小时21分钟后，钢锭上下面翻钢一次，再次在1203-1216°C温度范围保温2小时11分钟出炉(总加热时间4小时32分)。
[0040](三)锻造
在100MN液压锻机上进行锻造。
[0041]钢锭先在径向进行锻造，均匀转动钢锭，在直径方向均匀变形，变形率
3.08%-8.33% (钢锭上下尺寸不一样，变形不同)，锻后尺寸为Φ 1100 X 2084mm，钢锭高径比为 1.89。
[0042]第一次镦粗锻造:钢锭竖立，沿高度方向进行锻造，分三次变形，使高度由2084mm变为1250mm (高度总变形率40%，钢锭变为Φ 1420X 1250mm)。测量表面温度968°C。
[0043]第一次拔长锻造:用机械操作手把钢锭旋转90度进行锻造，沿轴向旋转钢锭，控制每道次压下10mm，锻造后的尺寸为Φ 1060 X 2244mm，高径比2.12。测量表面温度944°C。
[0044]钢坯回加热炉进行二次加热(二火)，快速升温到1198°C，保温125分钟出炉锻造。
[0045](四)二镦二拔工艺
第二次镦粗锻造:钢锭竖立，沿高度方向进行锻造，分两次变形，使高度由2244mm变为1450mm (高度总变形率35.4%，钢锭变为Φ 1318.7 X 1450mm)。测量表面温度971°C。
[0046]第二次拔长锻造:钢锭倾倒90度放倒进行锻造，沿着径向，控制每道次压下15-25mm (成品尺寸的2.5%_4.2%)，按照矩形断面形状锻造，断面尺寸为850X 1520mm。测量表面温度948 °C。
[0047]钢坯回加热炉进行三次加热(三火)，快速升温到1155°C，保温128分钟出炉锻造。
[0048](五)锻件整形:
减小断面尺寸方向锻造，控制每道次变形量在成品尺寸的5%-15%，反复锻造使断面850X1520 锻造到 600_Q+3CIX 1500_Q+5°mm。
[0049](六)成品锻件热处理工艺
锻件锻后入水池快速冷却到室温，两天后装入热处理炉进行处理，热处理炉加热温度1060-1070°C，锻件成品厚度保温时间:1230分钟(2.05分钟/毫米厚度)，处理后出炉入水池水冷到室温。
[0050](七)锻件检测
锻件按照ASTM A484/484M检验晶粒度在3.0-3.5级，满足热核聚变实验堆用不锈钢锻件晶粒度> 2级且波动在±1级的要求。
[0051]锻件表面角部存在裂纹，裂纹深度小于0.3_。
[0052]实施例3:
本实施例的不锈钢钢种为316L。
[0053]成品规格:450_o+30X1150_0+50X 2100_0+5°mmo
[0054]成品锻件理论重量:8.62吨。
[0055]本实施例的步骤依次如下:
(一)钢锭
钢锭尺寸、类型:八角钢锭，下断面直径1150mm，上断面直径1175mm，高度2230mm(切头尾后高度)，高度/直径比2.0。
[0056]钢锭重量(去掉头尾后):18.65吨。
[0057]钢锭化学成分:
C:0.015% Si:0.48%Mn:1.62% Cr:16.32 %
Ni:12.50 % P:0.018%S:0.001% N:880ppm
Mo:2.11% Co:0.03%,Nb:0.01%, Ta:0.010%
(二)钢锭加热
第一火加热:钢锭以冷锭入炉，在500°C以下，按照每小时50°C -60°C升温速度进行加热。
[0058]500 0C -1lOO0C时，加热速度按照每小时110°C _120°C加热，达到1100°C，在11080C -1120°c时之间保温3小时01分钟。
[0059]保温后按照每小时180°C的加热速度，加热到1210°C，在1203_1216°C温度范围保温2小时21分钟后，钢锭上下面翻钢一次，再次在1203-1216°C温度范围保温2小时13分钟出炉。
[0060](三)锻造
在100MN液压锻机上进行锻造。
[0061]钢锭高径比为2.0，不进行径向锻造，直接镦粗。
[0062]第一次镦粗锻造:钢锭竖立，沿高度方向进行锻造，分三次变形，使高度由2230mm变为1230mm (高度总变形率44.8%，钢锭变为Φ 1560X 1230mm)。测量表面温度968°C。
[0063]第一次拔长锻造:用机械操作手把钢锭旋转90度进行锻造，沿轴向旋转钢锭，控制每道次压下10mm-25mm，锻造后的尺寸为Φ 1180X2150mm，高径比1.82。测量表面温度935。。。
[0064]钢坯回加热炉进行二次加热(二火)，快速升温到1195°C，保温125分钟出炉锻造。
[0065](四)二镦二拔工艺
第二次镦粗锻造:钢锭竖立，沿高度方向进行锻造，分两次变形，使高度由2150mm变为1290mm (高度总变形率40%，钢锭变为Φ 1525 X 1290mm)。测量表面温度991°C。
[0066]第二次拔长锻造:钢锭倾倒90度放倒进行锻造，沿着径向，控制每道次压下15-20mm，按照矩形断面形状锻造，断面尺寸为620 X 1520mm。测量表面温度948°C。
[0067]钢坯回加热炉进行三次加热(三火)，快速升温到1155°C，保温128分钟出炉锻造。
[0068](五)锻件整形:
减小断面尺寸方向锻造，控制每道次变形量在成品尺寸的5%-15%，反复锻造使断面620 X 1520mm 锻造到 450_Q+3CIX 1150_Q+5Clmm。
[0069](六)成品锻件热处理工艺
锻件锻后27分钟装入热处理炉进行处理，热处理炉加热温度1060-1070°C，锻件成品厚度保温时间:315分钟，出炉入水池水冷到室温。
[0070](七)锻件检测
锻件按照ASTM A484/484M检验晶粒度在3.5-4.0级，满足热核聚变实验堆用不锈钢锻件晶粒度> 2级且波动在±1级的要求。
[0071]锻件表面无裂纹。
【权利要求】
1.一种热核聚变堆用不锈钢大锻件的生产方法，其特征在于:包括下述步骤: (一)钢锭预处理 钢锭要求:钢锭是圆锭、方锭、八边形、六边形锭中的一种，钢锭需要锯切掉头尾部分，且切掉头尾后的高度与断面外接圆直径之比在1.0 -2.0之间； (二)钢锭第一次加热工艺 钢锭以冷锭或带温钢锭进入加热炉加热，升温到1210±20°C，保温4小时-8小时，保证钢锭内部、外部温度烧透、均一，保温时间达到要求后进行锻造； (三)钢锭锻造工艺 采用自由锻造工艺，在液压锻造机上进行锻造； 钢锭出炉后，测得钢锭高/径比< 1.8，先沿径向方向锻造，每道次锻造变形量控制在钢锭直径的2%-10%，转动钢锭，多个道次锻造，把钢锭锻造成圆柱体；径向锻造后，控制圆柱体的高/圆柱体直径在1.5-2.5 ； 钢锭出炉后，测得钢锭高/径比在1.8-2.5之间，直接进行以下锻造操作； 第一次镦粗锻造:把圆柱体钢锭竖立进行锻造，锻造高度方向总变形率控制在钢锭高度的35%-48% ;测量钢锭表面温度； 第一次拔长锻造:镦粗之后，再次从钢锭原始径向进行锻造，转动坯料，每道次锻造变形量控制在钢锭直径的2%-10%，均匀变形，锻造成圆柱体，使锻造后的坯料高度/坯料直径在1.5-2.5 ;测量钢锭表面温度； 以上锻造过程中，每次锻造完毕都需要测量钢锭表面温度，当终锻温度下降到900-950°C，停止锻造，把坯料送到加热炉进行二次加热；钢锭表面温度为950°C以上时，继续进行锻造； (四)二镦二拔工艺: 第一次拔长后，根据上面镦粗锻造工艺要求，进行第二次镦粗锻造:控制变形率为:变形后钢锭高度为初始高度的35%-45% ； 二次镦粗之后，再按照上述拔长工艺要求，进行第二次拔长锻造，控制变形率为:锻造后的坯料高度/坯料直径在1.5-2.5 ； 以上锻造过程中，每次锻造完毕都需要测量钢锭表面温度，当终锻温度下降到900-950°C，停止锻造，把坯料送到加热炉进行三次加热；钢锭表面温度为950°C以上时，继续进行下步成品整形工序； (五)成品整形: 两镦两拔后，沿着径向高度方向锻造，并使锻件断面呈矩形或正方形，控制每道次变形量在成品尺寸的2%-15%，反复锻造直到达到成品锻件形状及公差范围之内； (六)成品锻件热处理工艺: 锻造后的成品，入热处理炉进行热处理，出炉后入水池快速冷却到室温。
2.根据权利要求1所述的热核聚变堆用不锈钢大锻件的生产方法，其特征在于:所述步骤(二)钢锭第一次加热工艺，具体操作为:钢锭以冷锭或带温钢锭进入加热炉加热，在500°C以下的加热速度< 80°C/h，500°C-1100°C范围内的加热速度< 150°C/h，在IlOO0C ±20°C时保温3小时-3.5小时，保证钢锭内部、外部温度烧透、均一，保温时间达到要求后，快速升温到1210±20°C，保温4小时-8小时，其中保温2小时-2.5小时后，钢锭翻转一次，保证钢锭每个面加热温度一致。
3.根据权利要求1所述的热核聚变堆用不锈钢大锻件的生产方法，其特征在于:所述步骤(三)钢锭锻造工艺中，钢锭二次加热时:钢锭第二次加热温度为1160-1220°C，保温时间为2小时-3小时。
4.根据权利要求1所述的热核聚变堆用不锈钢大锻件的生产方法，其特征在于:所述步骤(四)二镦二拔工艺中，钢锭三次加热时:钢锭第三次加热温度为1140-1200°C，保温时间为2小时-3小时。
5.根据权利要求1所述的热核聚变堆用不锈钢大锻件的生产方法，其特征在于:所述钢锭坯料返回加热炉的次数控制在1-2次，即钢锭在锻造过程中仅进行二次加热或三次加热。
6.根据权利要求1所述的热核聚变堆用不锈钢大锻件的生产方法，其特征在于:所述不锈钢大锻件的厚度为300-1000mm ;宽度为300-1800mm ;长度为500-2200mm。
7.根据权利要求1所述的热核聚变堆用不锈钢大锻件的生产方法，其特征在于:所述步骤(六)成品锻件热处理工艺中，热处理具体过程为:在30分钟内，装入热处理炉进行处理，热处理加热温度1050-1150°C，锻件成品厚度保温时间:0.5-3分钟/毫米厚度，锻件出炉后入水池快速冷却到室温。
8.根据权利要求1所述的热核聚变堆用不锈钢大锻件的生产方法，其特征在于:所述步骤(六)成品锻件热处理工艺中，热处理具体过程为:锻后锻件直接入水池冷却后，再入热处理炉进行热处理，热处理加热温度1050-1150°C，锻件成品厚度保温时间:0.5-3分钟/毫米厚度，锻件出炉后入水池快速冷却到室温。
【文档编号】B21J5/08GK104174796SQ201410388287
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年8月8日 优先权日:2014年8月8日
【发明者】刘承志, 姜周华, 李花兵, 尹嵬, 李筱, 张剑桥 申请人:东北大学, 山西太钢不锈钢股份有限公司