一种汽轮机叶片用钢及其制造方法

专利名称：一种汽轮机叶片用钢及其制造方法
技术领域：
本发明涉及铁素体/马氏体耐热钢，特别是涉及一种汽轮机叶片用钢及其制造方法，本发明钢能够满足对纯净度要求非常高的汽轮机叶片用铁素体耐热不锈钢的要求。
背景技术：
在当今世界，火力发电仍然是主要发电方式，占总发电量的75%左右，而在我国这一比例为80%左右，而且在未来几十年内仍然是发电主流形式，这是由我国能源资源结构以煤为主的格局决定的。如今，不仅要求发电机组提高火力发电效率以提高能源利用率， 而且由于煤是不可再生资源，在发电过程中会排出大量的C02、SO2等废气，对环境造成极大的污染，因此对发电机组的废气排放量提出了要求。为解决这些问题，发展超(超)临界机组火力发电技术，是最现实和最有效的途径，主要通过提高蒸汽温度和压力来提高发电效率。超超临界汽轮机蒸汽参数的常规范围为P = 24. 2-35MPa，T = 593_650°C或更高。在该参数条件下，机组的热效率大约可达到45%。不过，在如此高的蒸汽温度和压力下，汽轮机的高温部件长期承受高温及交变热应力的作用，加重了机组的寿命损耗，甚至给机组的安全运行带来了隐患。因此，合理选择汽轮机关键高温部件的材料，对于超超临界汽轮机的安全运行十分重要。在当前比较前沿的1000丽超超临界汽轮机(蒸汽参数一般为24-25MPa，600-610°C )中，特别是上海汽轮机有限公司与国外支持方西门子合作下设计生产的超超临界1000丽汽轮机中，用的非常多的材料是X12CrMoWVNbN10-l-l钢 (朱宝田，“三种超超临界1000MW汽轮机简介”，中国超超临界火电机组技术协作网第二届年会，2006年10月，中国，青岛P1 12)，如汽轮机的高中压转子、高中压内缸、高压喷嘴室、高中压阀门、高中压第I级叶片等。目前，人们对X12CrMoWVNbN10-l-l钢的研究多集中于热处理制度探索、蠕变持久机理和疲劳性能等方面，而对该钢的生产技术特点的介绍则非常少，仅有X12CrMoWVNbN10-l-l高温结构钢及其生产方法，如CN102021490A公开了 X12CrMoWVNbN10-l-l高温结构钢及其生产方法，其冶炼过程是电弧炉冶炼+VODC (包括 V0D, V⑶、VOH和VD)精炼。不过，该方法未考虑怎么去除有害元素，或者控制钢中硅、铝等元素的含量。这些都是根据X12CrMoWVNbN10-l-l钢选用原则必须要考虑的方面。否则会使得材料在使用中发生如运行过程中析出脆性相、过多氧化铝夹杂、纯净度不高、气体含量高、易发生回火脆性等问题，也达不到材料组织和性能的要求I)由于X12CrMoWVNbN10-l_l钢中加了 Mo、W、Nb等合金元素，带来的后果是成分稍有偏差，性能就会相差比较大，因此在冶炼中要求控制的合金化学成分范围比较窄，但这会导致冶炼的成分命中率困难。2)由于X12CrMoWVNbN10-l-l钢用于高达600°C高温下，长期运行，因此要求其组织具有较大的稳定性，防止在运行过程中析出脆性相，所以在钢的成分中严格限制硅和钛的含量，同时为了避免钢中有过多的氧化铝夹杂，又限制脱氧用铝。这就使冶炼过程中脱氧困难；3)X12CrMoffVNbN10-l-l钢在用于高温用汽轮机叶片和螺栓材料时，不仅要求有高的持久强度，还应有良好的疲劳强度和低的缺口敏感。所以希望材料有高的纯净度和低的气体含量。使钢中各种夹杂物尽可能的少。这些都会引起冶炼成本大大提高。4)对X12CrMoWVNbN10-l-l钢，还要求钢中S、P、Sn、As等残余有害元素含量要低， 否则它们会容易形成低熔点化合物降低合金高温和持久特性及增加回火脆化敏感性。回火脆化敏感性系数J = (Si+Mn) · (P+Sn) X IO4必须满足J < 70。上述对X12CrMoWVNbN10-l_l钢冶金质量的要求，普通冶炼工艺甚至包括真空感应+电渣重熔冶炼工艺都难以满足的，而且后者为了追求纯净度加入纯金属还会大大增加冶炼成本。因此，需要寻找新的冶炼工艺。

发明内容
本发明的目的在于提供一种汽轮机叶片用钢。为实现上述目的，本发明的汽轮机叶片用钢，其质量百分比化学成分为 C 0. 11-0. 13 %, Si ^ O. 12 %, Mn 0. 40-0. 50 %, P ^ O. 010 %, S ^ O. 005 %, Cr
10.20-10. 80%, Ni 0. 70-0. 80%,Mo 1. 00-1. 10%, V 0. 15-0. 25%,N 0. 045-0. 060%, W O. 95-1. 05%,Al ^ O. 010%,Nb 0. 040-0. 060%，残余元素满足 J = (Si+Mn) · (P+Sn) XlO4
<70。优选地，所述汽轮机叶片用钢的横截面低倍组织类别满足一般疏松< I级，中心疏松彡I级，锭型偏析彡I级；非金属夹杂物类别满足A细彡I级，A粗彡I级，B细彡I 级，B粗< O. 5级，C细< I级，C粗< I级，D细< I级，D粗< I级；δ铁素体体积百分含量< 2% ;晶粒度彡6级。更优选地，所述汽轮机叶片用钢的横低倍组织类别满足一般疏松< O. 5级，中心疏松< O. 5级，无锭型偏析；非金属夹杂物类别满足:Α细< O. 5级，A粗O级，B细< O. 5 级，B粗彡O. 5级，C细O级，C粗O级，D细彡O. 5级，D粗彡O. 5级；δ铁素体体积百分含量< 2% ;晶粒度彡7级。本发明的另一个目的是提供一种新的冶炼工艺，不仅为满足对 X12CrMoffVNbN10-l-l钢上述冶金质量的要求，而且使得制备的X12CrMoWVNbN10-l_l钢经后续热加工和热处理后性能达到使用要求。本发明针对X12CrMoWVNbN10-l_l钢冶金质量的要求，提出的冶金工艺步骤是原料钢生产(电弧炉冶炼+LFV精炼+ICM浇注)一原料钢的初轧一真空感应炉熔炼一修磨一电渣重熔一退火后热送。根据本发明的上述汽轮机叶片用钢的制造方法，包括如下步骤(I)原料钢生产按照以下原料钢质量百分比成分冶炼并浇注成钢锭C <0.1%，S^O. 005%, P^O. 005%, Si ^ O. 06%,Mn ^ O. 40%,W^ I. 00%,Mo ^ I. 00%,Ni ^ O. 70，Al 彡 O. 015 ；(2)原料钢的初轧(a)均热炉加热所述原料钢钢锭钢锭的入炉温度为600_650°C，保温90-120分钟；然后以60_80°C /小时的速度升温至1180-1200°C，保温210-240分钟，钢锭阴阳面温度差彡20°C，钢锭出均热炉后进入初轧机热加工轧制；
(b)初轧机轧制初轧机的轧辊预热至150_250°C，钢锭开轧温度彡1130°C，终轧温度彡950°C ； 1-3 火次轧制，共39-45个压下道次完成；(3)真空感应炉熔炼将初轧并剪切的原料钢与纯金属料按X12CrMoWVNbN10-l_l钢的化学成分进行配比后进行熔炼，并在1580-1600°C精炼，然后放入真空感应炉的坩锅中，进行预热；当真空度彡2. 7MPa时开始熔化，补加锰和氮化铬铁至最终成分，并在1570-1590°C出钢，进行浇注；(4)电渣重熔熔炼将浇注的X12CrMoWVNbN10-l_l钢电极棒进行表面剥皮、涂覆Al粉，然后进行电渣重熔，以得到成分均匀的电渣锭。根据本发明的一种优选方案，上述汽轮机叶片用钢的制造方法，包括如下步骤(I)原料钢生产所炼制的原料钢成分(质量百分比)满足C彡O. 1%，S彡O. 005%，P彡O. 005%， Si ( O. 06%, Mn ( O. 40%, W ( I. 00%, Mo ( I. 00%, Ni ( O. 70，Al ( O. 015 ；(2)原料钢的初轧(a)均热炉加热原料钢钢锭将钢锭装入均热炉，钢锭的入炉温度600-650°C，保温90-120分钟；然后以 60-800C /小时的速度升温至1180-1200°C，保温210-240分钟，钢锭阴阳面温度差彡20°C, 钢锭出均热炉后进入初轧机热加工轧制；(b)初轧机轧制轧辊预热至150_250°C，钢锭开轧温度彡1130°C，终轧温度彡950°C；1 3火次轧制，共39-45个压下道次完成；(3)真空感应炉熔炼将初轧并剪切的原料钢与纯金属料按X12CrMoWVNbN10-l_l钢化学成分进行配比进行熔炼，并在1580-1600°C精炼，放入真空真空感应炉的坩锅中，进行预热；当真空度 (2. 7MPa时开始熔化，补加锰和氮化铬铁至最终成分，并在1570-1590°C出钢，进行浇注；(4)电渣重熔熔炼将浇注的X12CrMoWVNbN10-l_l钢电极棒进行表面剥皮、涂覆Al粉，然后进行电渣重熔，以得到成分均匀的电渣锭。根据本发明的更优选的实施方式，原料钢生产包括如下步骤(a)选用 S 彡 O. 004 质量％、P 彡 O. 005 质量％、Sn ( O. 005 质量％、Sb、As 和 Cu 小于O. 005质量％的合金料，包括纯铁或返回废钢等；(b) EAF (电弧炉)熔炼在炉料全熔后分4-6批加入石灰，每批15_20kg/吨，吹氧进行氧化处理，并进行脱P操作；控制钢液温度1540-1570°C，直至S彡O. 020%、P彡O. 002% ;然后吹氧升温至 T彡1650°C，扒渣100% ;在还原阶段，采用2-7kg/吨电石(碳化钙CaC2)作为脱氧剂脱氧还原；在出钢前配入金属铬，确保全熔；当钢中S < O. 010%，且T彡1650°C时，扒掉部分还原渣，在钢包内加铝锭I. 3-1. 7kg/吨；出钢成分控制为C^0. 06%, S^O. 006%,P^O. 004%, Cr 4. 80-7. 00% ；(c) LFV 精炼在钢包到位后，切换氩气，根据钢包中渣的颜色情况调整炉渣，并加入还原剂进行还原，加热时间> 10分钟且保持T ^ 1600°C，待渣颜色转变时取样分析；继续根据渣渣的颜色情况进行炉渣调整。加入第二批还原剂继续还原，加热时间> 6分钟，然后进行脱气， 脱气温度T ^ 1660°C，真空度达到极限真空度30-40Pa保持时间> 15分钟，真空完毕后取样分析；吊包温度为熔点温度以上50-60°C ；(d)模铸浇注在模铸过程中，使用保护渣并氩气保护浇注，浇毕加发热剂以及碳化稻谷保温，保温1-2小时后起吊，热送初轧生产线。优选地，所述的步骤(C)中所用的还原剂为由生石灰10_30kg/吨、萤石5-10kg/ 吨和铝2-4kg/吨构成。优选地，第二批还原剂由生石灰5-10kg/吨和铝2_4kg/吨构成。优选地，在初轧机轧制的39-45个压下道次中，第一阶段，压下道次为15_24道，轧辊速度控制在10-20转/分，压下量为20-30mm ;第二阶段，压下量为30-50mm，且快速轧制。优选地，初轧后轧坯的规格是100X 100到140X 140mm2。优选地，初轧后的轧坯再热剪切成1000-1300mm长，进行堆冷后送真空感应炉生产线以备X12CrMoWVNbN10-l-l钢熔炼使用。优选地，真空感应炉熔炼中，所述纯金属料是Ni彡99. 9%的纯镍板、Cr ^ 99.9% 的纯铬、Mo彡99. 95%的纯钥、W彡99. 9%的纯钨、V彡99. 9%纯钒和/或Nb彡99. 9%的纯铌。优选地，熔炼中，熔化功率为400_800kW，熔化期间控制真空度< 6MPa ;全熔后以 900-1000kW功率升温，8-12分钟后降至250_300kW，进行保温。优选地，浇注的锭型规格为Φ290-520πιπι的电极棒。优选地，电渣重熔中，采用直径D与电极d满足d = (O. 4-0. 85)D的结晶器；渣量配比是CaF2 Al2O3 MgO = (60-65) (35-30) 5 ;渣量w与电渣钢锭重量W满足w = (4-5% )W。优选地，电渣重熔中，电渣时采用同钢种引锭板，先进行化渣，当渣料熔化完后开始电渣，加电流过程缓慢上升至规定值后，转入正常电渣重熔冶炼。优选地，化渣制度为电压50-55V、电流2000-5000A、时间彡40分钟。优选地，电渣重熔冶炼的用电制度为电压58-64V、电流13000-14000A。优选地，在电渣重熔冶炼的后期封顶阶段，逐渐降电流，每次降电流500-1000A，采用间断给电流封顶，封顶时间> 40分钟，封顶完毕后冷却80分钟后脱模。优选地，所得电渣钢锭直径为Φ500-700πιπι。优选地，还包括对电渣钢锭缓冷，缓冷时间控制在20-60分钟。优选地，电渣冶炼完成后脱模，脱膜的锭子马上进退火炉进行热装退火。优选地，脱模后20分钟内进退火炉进行热装退火。优选地，退火的工艺制度温度650_720°C，保温时间彡4小时。根据本发明的上述方法制造的X12CrMoWVNbN10-l_l钢的质量百分比化学成分
8为C 0. 11-0. 13 %, Si ^ O. 12 %, Mn :0. 40-0. 50 %, P ^ O. 010 %, S ^ O. 005 %, Cr 10. 20-10. 80%,Ni :0. 70-0. 80%,Mo :1. 00-1. 10%, V :0. 15-0. 25%,N 0. 045-0. 060% W 0. 95-1.05%, Al ( 0.010%, Nb :0. 040-0. 060%，残余元素满足回火脆化敏感性系数J = (Si+Mn) · (P+Sn) XlO4 < 70。通过本发明得到的X12CrMoWVNbN10-l_l钢中，其主要化学成分满足C : O. 11-0. 13 质量 ％，Mn 0. 40-0. 50 质量 ％，S 彡 O. 005 质量 ％，Cr 10. 20-10. 80 质量 ％， Ni 0. 70-0. 80 质量 ％，Mo : I. 00-1. 10 质量 ％，V :0· 15-0. 25 质量 ％，N :0. 045-0. 060 质量％，W :0. 95-1. 05质量％，Nb :0. 040-0. 060质量％。需要控制的元素的化学成分满足 Si ( O. 10 质量％，A1 ( O. 010 质量％，P 彡 O. 008 质量％，Sn ( O. 005 质量％，As ( O. 01 质量Sb彡O. 003质量残余元素满足回火脆化敏感性系数J = (Si+Mn) · (P+Sn) X IO4
<68。X12CrMoWVNbN10-l-l钢成品的按GB/T1979测定的横截面低倍组织类别满足一般疏松彡O. 5级，中心疏松彡O. 5级，无锭型偏析。按ASTM E45测定的非金属夹杂物类别满足:A细彡O. 5级，A粗O级，B细彡O. 5级，B粗彡O. 5级，C细O级，C粗O级，D细彡O. 5 级，D粗彡O. 5级，按AMS2315，δ铁素体体积百分含量彡2% ;按GB/T6394晶粒度彡7级。 按GB/T228和GB/T229标准可得X12CrMoWVNbN10-l_l钢的力学性能抗拉强度Rm900 930MPa ;屈服强度Rp为O. 2760_780MPa ;延伸率A(% ) ^ 18% ;断面收缩率Z彡64% ;冲击功Akv彡55J。
具体实施例方式下面较为详细地说明本发明。本发明中，除非另有指明，含量均为质量百分比含量。(I)本发明适用的材料本发明适用的X12CrMoWVNbN10-l_l钢化学成分(质量百分比)为C O. 11-0. 13 %, Si ^ O. 12 %, Mn 0. 40-0. 50 %, P ^ O. 010 %, S ^ O. 005 %, Cr 10. 20-10. 80%,Ni :0. 70-0. 80%,Mo :1. 00-1. 10%, V :0. 15-0. 25%,N 0. 045-0. 060% W
0.95-1. 05%,Al ^ 0. 010%,Nb :0. 040-0. 060%，残余元素满足 J = (Si+Mn) · (P+Sn) XlO4
<70。(2)原料钢生产所炼制的原料钢成分(质量百分比)满足C^0. 1%,S^0. 005%,P^0. 005%, Si ^ O. 06 %, Mn ^ O. 40 %, W ^ I. 00 %, Mo ^ I. 00 %, Ni ^ O. 70，Al ( O. 015 %, Cu ( O. 08%, N ( O. 050%, Nb ( O. 055%, V ( O. 20%, Cr :5. 0-9. 0%。(a)选用含低S (小于O. 004质量％ )、P (小于O. 005质量％ )、Sn (小于O. 005质量％ )、Sb、As、Cu(小于O. 005质量％ )含量少的合金料，包括纯铁或返回废钢等。(b) EAF 熔炼在炉料全熔后分4-6批加入石灰，每批15_20kg/吨，吹氧进行氧化处理，并进行脱P操作。控制温度1540-15701，直至3彡0.020%、？彡0.002%。然后吹氧升温至 T彡1650°C，扒渣100%。在还原阶段，采用电石2-7kg/吨、脱氧剂脱氧还原，禁止采用Si 粉脱氧。在出钢前配入金属铬，确保全熔。当钢中3彡0.010%，且1'彡16501时，并扒掉部分还原渣，在钢包内加铝锭I. 3-1. 7kg/吨。出钢成分控制为C彡0.06%，S彡0.006，P≤O. 004，Cr 4. 80-7. 00%。(c) LFV 精炼在钢包到位后，切换氩气，根据钢包中渣的颜色情况调整炉渣，并加入脱氧剂进行还原，还原剂为生石灰10-30kg/吨、萤石5-10kg/吨、铝2-4kg/吨。加热时间彡10分钟且保持TS 1600°C，待渣颜色转变时取样分析。继续根据渣的颜色进行炉渣调整。加入第二批脱氧剂继续还原，还原剂为生石灰5-10kg/吨、铝2-4kg/吨，根据分析结果调整至目标成分。加热时间>6分钟，取样分析。然后进行脱气，脱气温度TS 1660°C，真空度达到极限真空度保持时间> 15分钟。真空完毕后取样分析。吊包温度为熔点温度以上50-60°C。(d) ICM 浇注在模铸(ICM)过程中，浇注I. 2吨或2. 3吨钢锭，使用保护渣并氩气保护浇注，帽口补足充分，浇毕加发热剂以及碳化稻谷保温。注毕后1-2小时后起吊，热送初轧生产线。(3)原料钢的初轧生产(a)均热炉加热原料钢钢锭将钢锭装入均热炉，钢锭的入炉温度600-650°C，保温90-120分钟；然后以 60-800C /小时的速度升温至1180-1200°C，保温210-240分钟。保温期间将钢锭逐支进行翻身，使钢锭温度均匀。钢锭阴阳面温度差要< 20°C，钢锭出均热炉后进入初轧机热加工轧制。(b)初轧机轧制轧辊预热至150_250°C。钢锭开轧温度彡1130°C，终轧温度彡950°C。I火次轧制，共39-45个压下道次完成第一阶段，压下道次15-24道，初轧机慢速轧制，以破碎铸态粗大柱状晶，最大限度地降低轧辊对轧件的拉应力。轧辊速度控制在10-20转/分，压下量20-30mm ;第二阶段，压下量逐渐加大，压下量30-50mm，且快速轧制。轧坯的规格是 100X100到140 X 140mm2，然后再热剪切成1000-1300mm长，进行堆冷后送真空感应炉生产线以备X12CrMoWVNbN10-l-l钢熔炼使用。(4)真空感应炉熔炼将初轧剪切好的原料钢和纯镍板(Ni彡99. 9% )、纯铬(Cr彡99. 9% )、纯钥 (Mo彡99. 95% )、纯钨(W彡99. 9% )、纯钒(V彡99. 9% )和纯铌(Nb彡99. 9% )等纯金属料按X12CrMoWVNbN10-l-l钢化学成分进行配比，放入真空感应炉的坩锅中，进行预热。 当真空度< 2. 7MPa时开始熔化，熔化功率为400-800kW，熔化期控制真空度< 6MPa ;全熔后以900-1000kW功率升温，8-12分钟后降至250_300kW，进行保温，开始高温精炼，精炼温度控制在1580-160(TC。然后进行炉前取样，并调整成分，在后期补加锰和氮化铬铁至最终成分。待钢液温度为1570-1590°C时出钢，进行浇注。在浇注过程中保证有足够的钢水补缩， 防止缩孔。浇注的锭型规格为Φ290-520_的电极棒。(5)电渣重熔熔炼将X12CrMoWVNbN10-l_l钢电极棒进行表面剥皮、涂覆Al粉，然后进行电渣重熔， 以得到成分均匀的电渣锭，减缓较严重的叶片钢钢锭成分偏析现象，并提高钢锭的纯净度， 从而改善产品的高温性能和疲劳性能。采用结晶器直径D与电极d满足d= (O. 4-0. 85) D ； 渣量配比是CaF2 Al2O3 MgO = (60-65) (35-30) 5 ;渣量w与电渣钢锭重量W满足W= (4-5% )W。电渣时采用同钢种引锭板。先进行化渣，化渣制度为电压50-55V、电流2000-5000A、时间> 40分钟。当渣料熔化完后开始电渣，加电流过程缓慢上升至规定值后，转入正常电渣重熔冶炼。用电制度为电压58-64V、电流13000-14000A。在冶炼后期封顶阶段，逐渐降电流，每次降电流500-1000A，采用间断给电流封顶，封顶时间要>40分钟， 封顶完毕后冷却80分钟后脱模。所得电渣钢锭直径为Φ500-700πιπι。对电渣钢锭缓冷，缓冷时间控制在20-60分钟。电渣冶炼完成后脱模，锭子马上进退火炉进行热装退火(脱模后20分钟内进行)。退火的工艺制度温度650-720°C，保温时间彡4小时。退火后进行热送。本发明的特点是利用电弧炉冶炼+LFV精炼+ICM浇注方法+初轧生产原料钢，有效控制钢中的磷含量，并使钢中Cu、Sn、As、Sb、Pb等残余元素含量符合要求，并降低X12CrMoWVNbN10-l-l钢的冶炼成本。采用真空感应炉熔炼可以保证金属元素的收得率，并减少钢中的H2和O2气体含量，以降低后续电渣重熔过程中元素的损耗。利用电渣重熔，可以得到成分均匀的钢锭，减缓较严重的叶片钢钢锭成分偏析现象，并提高钢锭的纯净度，从而改善产品的高温性能和疲劳性能。最终获得的材料成分和冶金质量满足 X12CrMoffVNbN10-l-l钢的成分和性能要求。X12CrMoWVNbN10-l_l钢的成功生产可以解决超超临界机组高温叶片钢的选材问题，也可促进和帮助其他生产技术难度高的叶片钢开发。实施例实施例I(I)原料钢生产(a)选用含低S、P、Sn、Sb、As、Cu含量少的合金料，包括纯铁或返回废钢等。(b) EAF 熔炼在炉料全熔后分5批加入石灰，每批16kg/吨，吹氧进行氧化处理，并进行脱P操作。控制温度1560-15701，直至3彡0.020%、？彡0.002%。然后吹氧升温至1660°C，扒渣100%。在还原阶段，采用电石5kg/吨、脱氧剂脱氧还原。在出钢前配入金属铬，确保全熔。当钢中S彡O. 010%，且T彡1650°C时，并拉除部分还原渣，在钢包内加铝锭I. 5kg/吨。 出钢成分(质量百分比)为C 0. 05%, S 0. 005%, P 0. 004%, Cr 6. 00%o(c) LFV 精炼在钢包到位后，切换氩气，根据钢包中渣的颜色情况调整炉渣，并加入脱氧剂进行还原，还原剂为生石灰20kg/吨、萤石6kg/吨、招3kg/吨。加热时间12分钟且保持 T ^ 1600°C，待渣颜色转变时取样分析。继续根据渣的颜色情况进行炉渣调整。加入第二批脱氧剂继续还原，还原剂为生石灰8kg/吨、铝3kg/吨，根据分析结果调整至目标成分。加热时间7分钟，取样分析。然后进行脱气，脱气温度1670°C，真空度达到极限真空度保持时间17分钟。真空完毕后取样分析。吊包温度为熔点温度以上60°C。(d)模铸ICM浇注在模铸(ICM)过程中，浇注2. 3吨钢锭，使用保护渣并氩气保护浇注，帽口补足充分，浇毕加发热剂以及碳化稻谷保温。注毕后2小时后起吊，热送初轧生产线。所得到的原料钢化学成分为C 0. 055 %, Mn 0. 15 %, P 0. 004 %, S 0. 003 %，Si 0. 03 %，Ni 0. 06 %, Cr
7.21 %, Cu 0. 05 %, Mo 0. 54 %, W 0. 01 %, Nb :0. 038 %, V 0. 01 %, Ti 0. 01 %, Al O.005%, As 0. 000%, N 0. 021%, Sb 0. 0015%。(3)原料钢的初轧生产(a)均热炉加热原料钢钢锭将钢锭装入均热炉，钢锭的入炉温度630°C，保温120分钟；然后以80°C /小时的速度升温至1200°C，保温240分钟。保温期间将钢锭逐支进行翻身，使钢锭温度均匀。钢锭阴阳面温度差要< 20°C，钢锭出均热炉后进入初轧机热加工轧制。(b)初轧机轧制轧辊预热至150-250°C。钢锭开轧温度彡1130°C，终轧温度彡950°C。I火次轧制，共39-45个压下道次完成第一阶段，压下道次15-24道，初轧机慢速轧制。轧辊速度控制在20转/分，压下量30mm ;第二阶段，压下量逐渐加大，压下量40mm，且快速轧制。轧坯的规格是120 X 120mm2，然后再热剪切成1250mm长，进行堆冷后送真空感应炉生产线以备 X12CrMoffVNbN10-l-l 钢熔炼使用。(4)真空感应炉熔炼将初轧剪切好的原料钢和纯镍板、纯铬、纯钥、纯钨、纯钒和纯铌等纯金属料按 X12CrMoWVNbN10-l-l钢化学成分进行配比，放入真空感应炉的坩锅中，进行预热。当真空度 (2. 7MPa时开始熔化，熔化功率为800kW，熔化期控制真空度彡6MPa ;全熔后以IOOOkW功率升温，10分钟后降至250kW，进行保温，开始高温精炼，精炼温度控制在1580-1600°C。然后进行炉前取样，并调整成分，在后期补加锰和氮化铬铁至最终成分。待钢液温度为1590°C 时出钢，进行浇注。在浇注过程中保证有足够的钢水补缩，防止缩孔。浇注的锭型规格为 Φ 430mm的电极棒。(5)电渣重熔熔炼将X12CrMoWVNbN10-l_l钢电极棒进行表面剥皮、涂覆Al粉，然后进行电渣重熔，以得到成分均匀的电渣锭，减缓较严重的叶片钢钢锭成分偏析现象，并提高钢锭的纯净度，从而改善产品的高温性能和疲劳性能。采用结晶器直径Φ520πιπι;渣量配比是 CaF2 Al2O3 MgO = 60 35 5，渣量w与电渣钢锭重量W满足w = 4. 5 % W。电渣时采用同钢种引锭板。先进行化渣，化渣制度为电压55V、电流5000A、时间45分钟。当渣料熔化完后开始电渣，加电流过程缓慢上升至规定值后，转入正常电渣重熔冶炼。用电制度为电压64V、电流13000A。在冶炼后期封顶阶段，逐渐降电流，每次降电流1000A，采用间断给电流封顶，封顶时间要45分钟，封顶完毕后冷却80分钟后脱模。所得电渣钢锭直径为 Φ 520mm。对电渣钢锭缓冷，缓冷时间控制在60分钟。电渣冶炼完成后脱模，锭子马上进退火炉进行热装退火(脱模后20分钟内进行)。退火的工艺制度温度690°C，保温时间4小时。退火后进行热送。所测得钢锭化学成分如表I所示。实施例2(I)原料钢生产(a)选用含低S、P、Sn、Sb、As、Cu含量少的合金料，包括纯铁或返回废钢等。(b) EAF 熔炼在炉料全熔后分6批加入石灰，每批15/吨，吹氧进行氧化处理，并进行脱P操作。 控制温度1540-1570°C，直至S彡O. 020%、P彡O. 002%。然后吹氧升温至T彡1660°C，扒渣100%。在还原阶段，采用电石5. 4kg/吨、脱氧剂脱氧还原。在出钢前配入金属铬，确保全熔。当钢中S彡O. 010%，且T彡1650°C时，并拉除部分还原渣，在钢包内加铝锭1.6kg/ 吨。出钢成分(质量百分比)控制为C :0· 05%，S :0· 004%，P :0· 004%，Cr :6· 30%。(c) LFV 精炼在钢包到位后，切换氩气，根据钢包中渣的颜色情况调整炉渣，并加入脱氧剂进行还原，还原剂为生石灰18kg/吨、萤石8kg/吨、招3kg/吨。加热时间10分钟且保持 TS 1600°C，待渣颜色转变时取样分析。继续根据渣的颜色情况况进行炉渣调整。加入第二批脱氧剂继续还原，还原剂为生石灰7kg/吨、铝3kg/吨，根据分析结果调整至目标成分。 加热时间7分钟，取样分析。然后进行脱气，脱气温度T为1665°C，真空度达到极限真空度 30Pa保持时间16分钟。真空完毕后取样分析。吊包温度为熔点温度以上60°C。(d) ICM 浇注在模铸(ICM)过程中，浇注2. 3吨钢锭，使用保护渣并氩气保护浇注，帽口补足充分，浇毕加发热剂以及碳化稻谷保温。注毕后2小时后起吊，热送初轧生产线。所得到的原料钢化学成分(质量百分比为C 0. 065 %, Mn 0. 04 %, P 0. 004 %, S 0. 005 %, Si 0. 05 %, Ni 0. 24 ； %, Cr :6. 74%, Cu :0. 02%, Mo :0. 01%, W :0. 01%, Nb :0. 025%, V :0. 01%, Ti :0. 01%, Al
O.003%, As 0. 010%, N 0. 018%, Sb 0. 0012%。(3)原料钢的初轧生产(a)均热炉加热原料钢钢锭将钢锭装入均热炉，钢锭的入炉温度620°C，保温120分钟；然后以80°C /小时的速度升温至1200°C，保温240分钟。保温期间将钢锭逐支进行翻身，使钢锭温度均匀。钢锭阴阳面温度差要< 20°C，钢锭出均热炉后进入初轧机热加工轧制。(b)初轧机轧制轧辊预热至150-250°C。钢锭开轧温度彡1130°C，终轧温度彡950°C。I火次轧制，共39-45个压下道次完成第一阶段，压下道次15-24道，初轧机慢速轧制，轧辊速度控制在15转/分，压下量30mm ;第二阶段，压下量逐渐加大，压下量50mm，且快速轧制。轧坯的规格是120 X 120mm2，然后再热剪切成1230mm长，进行堆冷后送真空感应炉生产线以备 X12CrMoffVNbN10-l-l 钢熔炼使用。(4)真空感应炉熔炼将初轧剪切好的原料钢和纯镍板、纯铬、纯钥、纯钨、纯钒和纯铌等纯金属料按 X12CrMoWVNbN10-l-l钢化学成分进行配比，放入真空感应炉的坩锅中，进行预热。当真空度 (2. 7MPa时开始熔化，熔化功率为800kW，熔化期控制真空度彡6MPa ;全熔后以IOOOkW功率升温，12分钟后降至250kW，进行保温，开始高温精炼，精炼温度控制在1580-160(TC。然后进行炉前取样，并调整成分，在后期补加锰和氮化铬铁至最终成分。待钢液温度为1590°C 时出钢，进行浇注。在浇注过程中保证有足够的钢水补缩，防止缩孔。浇注的锭型规格为 Φ 430mm的电极棒。(5)电渣重熔熔炼将X12CrMoWVNbN10-l_l钢电极棒进行表面剥皮、涂覆Al粉，然后进行电渣重熔， 以得到成分均匀的电渣锭，减缓较严重的叶片钢钢锭成分偏析现象，并提高钢锭的纯净度，从而改善产品的高温性能和疲劳性能。采用结晶器直径D直径Φ520πιπι;渣量配比是 CaF2 Al2O3 MgO = 60 35 5，渣量w与电渣钢锭重量W满足w = 4. 5 % W。电渣时采用同钢种引锭板。先进行化渣，化渣制度为电压55V、电流5000A、时间42分钟。当渣料熔化完后开始电渣，加电流过程缓慢上升至规定值后，转入正常电渣重熔冶炼。用电制度为电压63V、电流13000A。在冶炼后期封顶阶段，逐渐降电流，每次降电流900A，采用间断给电流封顶，封顶时间要45分钟，封顶完毕后冷却80分钟后脱模。所得电渣钢锭直径为 Φ520πιπι。对电渣钢锭缓冷，缓冷时间控制在60分钟。电渣冶炼完成后脱模，锭子马上进退火炉进行热装退火(脱模后20分钟内进行)。退火的工艺制度温度690°C，保温时间4小时。退火后进行热送。试验例I :本发明实施例钢的化学成分按照GB/T223标准测得本发明实施例钢锭的化学成分如表I所示。可看到钢锭的化学成分都在X12CrMoWVNbN10-l_l钢要求的化学成分范围内，而且钢锭中残余元素的J值都小于70，符合X12CrMoWVNbN10-l-l钢冶金质量要求。试验例2 组织结构按照GB/T1979、ASTM E45、AMS2315和GB/T6394标准，测定本发明实施例钢锭的组织结构，其结果见表2。可见X12CrMoWVNbN10-l-l钢成品棒材横截面低倍组织、夹杂物类别、S铁素体含量、晶粒度和力学性能。从表中数据可见本发明方法制备的钢完全满足该钢种的交货要求。试验例3:力学性能按照GB/T228和GB/T229标准测定本发明实施例钢锭的室温力学性能，其结果见表3。
权利要求
1.一种汽轮机叶片用钢，其质量百分比化学成分为c 0. 11-0. 13%, Si ^ O. 12%, Mn 0. 40-0. 50%, P ^ O. 010%, S ^ O. 005%, Cr :10. 20-10. 80%, Ni 0. 70-0. 80%, Mo I.00-1. 10 %, V 0. 15-0. 25 %, N :0. 045-0. 060 %, W :0. 95-1. 05 %, Al ^ O. 010 %, Nb O. 040-0. 060%，残余元素满足 J = (Si+Mn) · (P+Sn) XlO4 < 70。
2.如权利要求I所述的汽轮机叶片用钢，其特征在于，所述钢的横低倍组织类别满足 一般疏松彡I级，中心疏松彡I级，锭型偏析彡I级；非金属夹杂物类别满足:A细彡I级， A粗彡I级，B细彡I级，B粗彡O. 5级，C细彡I级，C粗彡I级，D细彡I级，D粗彡I级； δ铁素体体积百分含量< 2% ;晶粒度彡6级。
3.如权利要求I所述的汽轮机叶片用钢，其特征在于，所述钢的横截面低倍组织类别满足一般疏松< O. 5级，中心疏松< O. 5级，无锭型偏析；非金属夹杂物类别满足:Α细彡O. 5级，A粗O级，B细彡O. 5级，B粗彡O. 5级，C细O级，C粗O级，D细彡O. 5级，D粗<O. 5级；δ铁素体体积百分含量< 2% ;晶粒度彡7级。
4.如权利要求1-3任一所述的汽轮机叶片用钢，其特征在于，所述钢的抗拉强度Rm为 900-930MPa，屈服强度RpO. 2为760_780MPa，延伸率A%彡18%，断面收缩率Z彡64%，冲击功Akv彡55J。
5.如权利要求1-4任一所述汽轮机叶片用钢的制造方法，包括如下步骤(1)原料钢生产按照以下原料钢质量百分比成分冶炼并浇注成钢锭C彡O. 1%，S彡O. 005 %, P^O. 005%, Si ^0. 06%,Mn ^ O. 40%,W^ I. 00%,Mo ^ I. 00%,Ni ^0. 70，Al 彡 O. 015 ；(2)原料钢的初轧(a)均热炉加热所述原料钢钢锭钢锭的入炉温度为600-650°C，保温90-120分钟；然后以60_80°C /小时的速度升温至 1180-1200°C，保温210-240分钟，钢锭阴阳面温度差< 20°C，钢锭出均热炉后进入初轧机热加工轧制；(b)初轧机轧制初轧机的轧辊预热至150-250°C，钢锭开轧温度> 1130°C，终轧温度> 950°C ； 1-3火次轧制，共39-45个压下道次完成；(3)真空感应炉熔炼将初轧并剪切的原料钢与纯金属料按X12CrMoWVNbN10-l-l钢的化学成分进行配比后进行熔炼，并在1580-1600°C精炼，然后放入真空感应炉的坩锅中，进行预热；当真空度 (2. 7MPa时开始熔化，补加锰和氮化铬铁至最终成分，并在1570-1590°C出钢，进行浇注；(4)电渣重熔熔炼将浇注的X12CrMoWVNbN10-l-l钢电极棒进行表面剥皮、涂覆Al粉，然后进行电渣重熔，以得到成分均匀的电渣锭。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，原料钢生产步骤包括(a)选用S 彡 O. 004 质量％、P ( O. 005 质量％、Sn ( O. 005 质量％、Sb、As 和 Cu 小于 O. 005质量％的合金料，包括纯铁或返回废钢；(b)EAF电弧炉熔炼在炉料全熔后分4-6批加入石灰，每批15-20kg/吨，吹氧进行氧化处理，并进行脱P操作，控制钢液温度1540-1570°c，直至S彡O. 020%, P ^ O. 002% ;然后吹氧升温至 T ^ 1650°C，扒渣100% ;在还原阶段，采用2-7kg/吨电石作为脱氧剂脱氧还原；在出钢前配入金属铬，确保全熔；当钢中S彡O. 010%，且T彡1650°C时，扒掉部分还原渣，在钢包内加铝锭I. 3-1. 7kg/吨；出钢成分控制为C ( O. 06%, S彡O. 006%, P彡O. 004%, Cr 4. 80-7. 00% ；(C)LFV精炼在钢包到位后，切换氩气，根据钢包中渣的颜色情况调整炉渣，加入还原剂进行还原， 加热时间> 10分钟且保持T > 1600°C，待渣颜色转变时取样分析；继续根据渣的颜色情况进行炉渣调整；加入第二批还原剂继续还原，加热时间> 6分钟，然后进行脱气，脱气温度 T ^ 1660°C，真空度达到极限真空度30-40Pa，保持时间> 15分钟，真空完毕后取样分析； 吊包温度为熔点温度以上50-60°C ；(d)模铸浇注在模铸过程中，使用保护渣并氩气保护浇注，结束浇铸后加发热剂以及碳化稻谷保温， 保温1-2小时后起吊，热送初轧生产线。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的步骤(c)中所用的还原剂为由生石灰 10-30kg/吨、萤石5-10kg/吨和铝2-4kg/吨构成。
8.如权利要求6或7所述的方法，其特征在于，第二批还原剂由生石灰5-10kg/吨和铝 2-4kg/吨构成。
9.如权利要求5-8任一所述的方法，其特征在于，在初轧机轧制的39-45个压下道次中，第一阶段，压下道次为15-24道，轧辊速度控制在10-20转/分，压下量为20-30mm;第二阶段，压下量为30-50mm，且快速轧制。
10.如权利要求5-9任一所述的方法，其特征在于，初轧后轧坯的规格是100X100到 140X140mm2。
11.如权利要求5-10任一所述的方法，其特征在于，初轧后的轧坯再热剪切成 1000-1300mm长，进行堆冷后送真空感应炉生产线以备X12CrMoWVNbN10-l_l钢熔炼使用。
12.如权利要求5-11任一所述的方法，其特征在于，真空感应炉熔炼中，所述纯金属料是Ni彡99. 9%的纯镍、Cr彡99. 9%的纯铬、Mo彡99. 95%的纯钥、W彡99. 9%的纯钨、 V ^ 99. 9%纯钒和/或Nb彡99. 9%的纯铌。
13.如权利要求5-12任一所述的方法，其特征在于，熔炼中，熔化功率为400-800kW，熔化期间控制真空度彡6MPa ;全熔后以900-1000kW功率升温，8_12分钟后降至250_300kW， 进行保温。
14.如权利要求5-13任一所述的方法，其特征在于，浇注的锭型规格为Φ290-520πιπι的电极棒。
15.如权利要求5-14任一所述的方法，其特征在于，电渣重熔中，采用直径 D与电极d满足d = (O. 4-0. 85) D的结晶器；渣量配比是CaF2 Al2O3 MgO = (60-65) (35-30) 5 ;渣量w与电渣钢锭重量W满足w = (4-5% ) W。
16.如权利要求5-15任一所述的方法,其特征在于，电洛重熔中，电洛时米用同钢种引锭板，先进行化渣，当渣料熔化完后开始电渣，加电流过程缓慢上升至规定值后，转入正常电渣重熔冶炼。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，化渣制度为电压50-55V、电流 2000-5000A、时间彡40分钟。
18.如权利要求14-17任一所述的方法，其特征在于，电渣重熔冶炼的用电制度为电压 58-64V、电流 13000-14000A。
19.如权利要求14-18任一所述的方法，其特征在于，在电渣重熔冶炼的后期封顶阶段，逐渐降电流，每次降电流500-1000A，采用间断给电流封顶，封顶时间> 40分钟，封顶完毕后冷却60-80分钟后脱模。
20.如权利要求5-19任一所述的方法，其特征在于，所得电渣钢锭直径为 Φ500-700mmo
21.如权利要求5-20任一所述的方法，其特征在于，还包括对电渣钢锭缓冷，缓冷时间控制在20-60分钟。
22.如权利要求5-21任一所述的方法，其特征在于，电渣重熔冶炼完成后脱模，脱膜的锭子马上进退火炉进行热装退火。
23.如权利要求22所述的方法，其特征在于，脱模后20分钟内进退火炉进行热装退火。
24.如权利要求22或23所述的方法，其特征在于，退火的工艺制度温度650-720°C， 保温时间彡4小时。
全文摘要
本发明涉及一种汽轮机叶片用钢，其质量百分比化学成分为C0.11-0.13％，Si≤0.12％，Mn0.40-0.50％，P≤0.010％，S≤0.005％，Cr10.20-10.80％，Ni0.70-0.80％，Mo1.00-1.10％，V0.15-0.25％，N0.045-0.060％，W0.95-1.05％，Al≤0.010％，Nb0.040-0.060％，残余元素满足J＝(Si+Mn)·(P+Sn)×104＜70。其制造方法包括(1)原料钢生产；(2)原料钢的初轧；(3)真空感应炉熔炼，浇注；(4)电渣重熔熔炼等。得到的钢的横截面低倍组织类别满足一般疏松≤1级，中心疏松≤1级，锭型偏析≤1级；非金属夹杂物类别满足A细≤1级，A粗≤1级，B细≤1级，B粗≤0.5级，C细≤1级，C粗≤1级，D细≤1级，D粗≤1级；δ铁素体体积百分含量≤2％；晶粒度≥6级。
文档编号C22C38/48GK102605274SQ20121008324
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月26日 优先权日2012年3月26日
发明者吴江枫, 周灿栋, 张甫飞, 方静贤, 陆青林, 陈新建 申请人:宝山钢铁股份有限公司