专利名称：一种制备超高纯净度核电焊材母材的方法
技术领域：
本发明属于焊接材料研究领域，涉及一种制备超高纯净度核电焊材母材的方法。
背景技术：
能源问题已成为制约世界经济和环境持续快速平衡发展的瓶颈，核电作为一种清 洁、高效、安全、经济的新型能源成为目前最适合发展的可再生能源之一。2007年国务院 也批准了发改委的《国家核电中长期发展规划》，初步规划目标2020年建成装机容量4000 万千瓦，并真正做到核电领域自主设计、自主建造、自主制造、自主运营。拥有具有自主知识产权的大型先进核电技术，一直是我国能源和核电界的梦想。 只有拥有具有自主知识产权的大型先进核电技术，我国才能由“核电大国”转变成为“核电 强国”。其中核电设备自主化生产是非常重要的一环，我国从上世纪70年代开始就致力于 核电设备制造的科研攻关，尤其是与核电密切相关的材料和加工技术进行重点突破，目前 核电设备用高品质钢材大部分都实现了国产化制造，这对于加速我国核电技术完全国产化 具有非常重要的促进作用。但是值得注意的是，相关钢材之间焊接所使用的高档焊材的发 展却严重滞后于钢材的发展，大部分还一直依赖进口，国内尚不具备完全国产化能力，主要 原因是国产化焊材，尤其是丝材，组织不够均勻，纯净度相比国外较低，导致很难拉拔成直 径为3mm以下的丝材，并且成材率也较低，性能不稳定，焊接后熔覆金属的性能也不能够满 足使用要求。分析对比市场上国内外的焊材，可以发现焊材的主要元素成分基本没有差别，差 别主要是国内焊材的组织均勻性以及综合杂质含量(包括非金属夹杂以及气体等)与国外 差别较大，导致焊接后熔覆金属强度和韧性较差，不能满足要求。焊材(包括焊条和焊丝 等)主要是通过对钢锭经过多道次的轧制和拉拔得到，其组织均勻性和纯净度直接取决于 母材钢锭的组织均勻性和纯净度，钢锭的高洁净度是变形后焊材高洁净度的有力保证。目 前母材钢锭主要采用真空感应熔炼成铸锭再进行电渣重熔工艺来制备，而真空感应熔炼工 艺直接决定了钢锭的组织均勻性和杂质含量。目前国内采用真空感应熔炼工艺冶炼铸锭 时，在真空室内待高温冶炼均勻后均采用直接从钢锭模上方将钢液倾入钢锭模，也就是上 注的方法进行钢锭浇注，这样就容易导致夹杂和气体等来不及上浮，随着钢液凝固残留在 钢锭中，导致纯净度降低，不能满足核电对焊材苛刻的质量要求。
发明内容
本发明目的是提供一种制备超高纯净度核电焊材母材的方法，克服真空上注工艺 中夹杂和气体没有充足上浮时间而残留在铸锭中的弊端，并且凝固铸锭缩孔较小，提高了 成材率。一种制备高纯净度核电焊材母材的方法，其特征在于采用常规的真空感应熔炼 炉，通过浇注模的中注管从底部注入钢锭模的工艺得到铸锭，然后再进行电渣，锻造和轧 制，拉拔，最终得到焊材；浇注模设在真空室内，由三部分构成，包括中注管1、底部浇道2以及钢锭模3，钢液在坩埚中熔炼均勻后，浇注时钢液先注入中注管，然后经过底部浇道从底 部注入钢锭模中，钢锭模的个数和位置根据实际需要进行确定和布置。
钢液浇注时真空度应控制在0. 03Mpa至0. 08Mpa范围内，真空度过高或过低都会 影响钢锭的质量；浇注速度应控制在0. 5m/s-0. 8m/s范围内。中注管的内径、底部浇道的内径以及钢锭模进口端内径三者大小相同，图1中d2 =d6 = d5中注管的壁厚与底部浇道的壁厚也应相同，中注管的内径应控制3-5cm范围内， 钢锭模与中注管的内径比d4 d2应控制在3 1到5 1范围内，浇道长度L3范围 dl+d2/2+d4/2+d3+(2 3)cm。中注管及浇道采用镁质耐火材料，图1中壁厚与内径之比dl d2应控制在
0.5 1到1 1范围内；钢锭模采用铸铁材料，图1中壁厚与内径比d3 d4控制在1 4 到1 5范围内。图1中中注管与钢锭模高度比Ll L2应控制在(1. 3-1. 8) 1范围内。本发明通过合理设计浇注模具以及控制炉内的真空度，实现钢液通过底注进入钢 模，由于金属液流动方向一定，并且金属液中夹杂和气体与金属液流动方向一致，保证了其 足够的上浮时间，有利于铸型中气体的排除，抑制真空上注工艺中紊流及卷气的产生，克服 了真空上注工艺中夹杂和气体没有充足上浮时间而残留在铸锭中的弊端，并且凝固铸锭缩 孔较小，提高了成材率。采用本发明设计的真空下注工艺所生产的核电用316L焊材的综合 杂质含量由真空上注工艺的360ppm降低到80ppm，成材率提高12%。本发明优点在于采用真空下注工艺可以实现金属液通过中注管和浇道从底部持 续稳定注入钢锭模过程中，金属液流动方向一定，可以保证金属液中夹杂和气体与金属液 流动方向一致，保证了其足够的上浮时间，有利于铸型中气体的排除，抑制真空上注工艺中 紊流及卷气的产生，克服了真空上注工艺中夹杂和气体没有充足上浮时间而残留在铸锭中 的弊端，并且凝固铸锭缩孔较小，提高了钢锭的纯净度和成材率。尽管底注工艺在重力铸造 以及其他非真空冶炼中广泛采用，但是在采用真实冶炼时，底注工艺尚未有报道。
图1为本发明的浇注模具结构示意图。附图标记为中注管1、底部浇道2、钢锭模具体实施例方式实施例1 采用真空下注工艺制备316L核级焊材母材，浇注模的具体尺寸dl = 5cm, d2 = 5cm, d3 = 3cm, d4 = 15cm, d5 = d6 = 5cm, Ll = 40cm, L2 = 25cm, L3 = 25cm, 浇注速度0. 65m/s，真空度0. 05Mpa，浇注温度1600°C，中注管和底部浇道采用镁质耐火砖 砌成，钢锭模采用铸铁材质。最终的铸锭无缩孔，表面光滑，综合杂质含量(包氧化物、硫化 物、其他非金属夹杂以及气体等)约87ppm。实施例2 采用真空下注工艺制备308核级焊材母材，浇注模的具体尺寸dl =
1.5cm, d2 = 3cm, d3 = 3cm, d4 = 15cm, d5 = d6 = 3cm, Ll = 50cm, L2 = 30cm, L3 = 16cm, 浇注速度0. 7m/s，真空度0. 08Mpa，浇注温度1620°C，中注管和底部浇道采用镁质耐火砖砌 成，钢锭模采用铸铁材质。最终的铸锭无缩孔，表面光滑，综合杂质含量(包氧化物、硫化物、 其他非金属夹杂以及气体等)约90ppm。
权利要求
一种制备高纯净度核电焊材母材的方法，其特征在于采用常规的真空感应熔炼炉，通过浇注模的中注管从底部注入钢锭模的工艺得到铸锭，然后再进行电渣，锻造和轧制，拉拔，最终得到焊材；浇注模设在真空室内，由三部分构成，包括中注管(1)、底部浇道(2)以及钢锭模(3)，钢液在坩埚中熔炼均匀后，浇注时钢液先注入中注管，然后经过底部浇道从底部注入钢锭模中，钢锭模的个数和位置根据实际需要进行确定和布置。
2.按照权利要求1所述的一种制备高纯净度核电焊材母材方法，其特征在于钢液浇 注时真空度应控制在0. 03Mpa至0. OSMpa范围内，真空度过高或过低都会影响钢锭的质量； 浇注速度应控制在0. 5m/s-0. 8m/s范围内。
3.按照权利要求1所述的一种制备高纯净度核电焊材母材方法，其特征在于中注管 的内径、底部浇道的内径以及钢锭模进口端内径三者大小相同，d2 = d6 = d5，中注管的壁 厚与浇道的壁厚也应相同，中注管的内径应控制3-5cm范围内，钢锭模与中注管的内径比 d4 d2应控制在3 1到5 1范围内；底部浇道长度L3范围dl+d2/2+d4/2+d3+(2 3) cm。
4.按照权利要求1所述的一种制备高纯净度核电焊材母材方法，其特征在于中注管 及浇道采用镁质耐火材料，壁厚与内径之比dl d2应控制在0.5 1到1 1范围内；钢 锭模采用铸铁材料，壁厚与内径比d3 d4控制在1 4到1 5范围内。
5.按照权利要求1所述的一种制备高纯净度核电焊材母材方法，其特征在于中注管 与钢锭模高度比Ll L2应控制在(1. 3-1. 8) 1范围内。
全文摘要
本发明属于焊接材料研究领域，涉及一种制备超高纯净度核电焊材母材的方法。其特征是采用常规的真空感应熔炼炉，通过浇注模的中注管从底部注入钢锭模的工艺得到铸锭，然后再进行电渣，锻造和轧制，拉拔，最终得到焊材；浇注模由三部分构成，包括中注管、底部浇道以及钢锭模，钢液在坩埚中熔炼均匀后，浇注时钢液先注入中注管，然后经过浇道从底部注入钢锭模中。用真空底注钢液的新工艺代替原来真空上注工艺来制备焊材母材，然后再进行电渣、锻造、热轧及拉拔，可使焊材的综合杂质含量(包氧化物、硫化物、非金属夹杂以及气体等)由原来的200-300ppm降低至100ppm以下，大大提高了铸锭的纯度和组织均匀性，同时提高了成材率，也降低了生产成本。
文档编号B22D7/06GK101804535SQ201010131840
公开日2010年8月18日 申请日期2010年3月25日 优先权日2010年3月25日
发明者任淑彬, 周勇, 寇磊, 杨瑞武, 祁进坤, 赵钢 申请人:河北五维航电科技有限公司