一种高纯度CLF-1钢的冶炼工艺的制作方法

本发明涉及金属材料加工技术领域，具体涉及一种高纯度CLF-1 钢的冶炼工艺。

背景技术：

低活化马氏体钢常用作散裂中子源的靶结构材料。散裂中子源系统是加速器驱动次临界(ADS)系统中的重要组成部分。在ADS系统中，结构材料用于束窗及靶材料，将受到高能、高强度的质子或中子辐照，因此要选用低活化钢，即将钢中的高活性元素Mo、Nb和Ni 等用低活化元素W、Ta、V等来取代。

中国低活化马氏体钢属于高纯净马氏体钢，要求对杂质进行严格控制，目前国内主要依靠进口。而CLF-1钢是中国发明，无需进口， CLF-1钢具有较低的辐照肿胀和热膨胀系数、较高的热导率等优良的热物理性能。该钢化学成分范围窄，对残余元素要求极严，对蠕变性能及冲击功也有相当高的要求。目前，该CLF-1钢在远方装备的“人造太阳”以及ITER项目中，均发挥着不可忽视的作用，该CLF-1钢可确保项目的务实、安全、高端和高成功率。

CLF-1在冶炼时应注意加强脱氧和去气，采用现有的低活化马氏体钢的冶炼工艺对CLF-1钢进行冶炼后，制得产品不仅纯度低，而且综合力学性能较差。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供了一种高纯度CLF-1钢的冶炼工艺，使得CLF-1钢不仅纯度高，而且综合力学性能优异。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种高纯度CLF-1钢的冶炼工艺，包括以下步骤：

(1)在真空感应炉内对炉料进行冶炼；

a、备料：冶炼前对炉料如提纯铁、ACT、Fe-Cr中间合金、J- Mn、J-Cr、J-W、J-Ta、H-V、C块等进行表面洁净处理，并对新坩埚进行铁洗，再向新坩埚内加入鞍钢纯铁ACT，对其进行冶炼制和预处理得提纯铁，备用；

b、装料：按照目标马氏体钢设计成分进行配料，将纯铁、Fe-Cr 中间合金、J-W和全部C块一并加入真空感应炉；

c、熔化：真空感应炉抽真空至0.1-10Pa，并对炉料进行熔化，炉料全熔后取样；

d、保温精炼：调整真空感应炉中真空度≤2Pa，并在温度为1590 ±10℃的条件下先进行工频搅拌30min，再进行无工频搅拌60min；

e、成分调整及出钢：向真空感应炉内加入Fe-V和J-Ta合金料、并向真空感应炉内充氩气后加J-Mn，搅拌均匀后取样，在线检测合金元素成分，并依据测试结果加入J-Ca以及增补其他合金元素，待成分合格后在1610±10℃温度条件下使用新溜钢槽出钢；

f、脱模：出钢后在铸锭室内进行真空浇注得铸锭，真空冷却≥ 15min后可破真空，再自然冷却后脱模；

(2)对铸锭进行真空自耗重熔；

a、重熔精炼：对电渣进行干燥处理，熔化后注入到真空电渣重熔炉的结晶器中，在冷态真空度≤0.13Pa、漏气度≤6.67Pa/min的结晶器中对铸锭进行重熔精炼，冶炼出成分和内部组织合格的钢铸锭；

b、电极棒处理：电极棒切除帽口，并对其进行表面研磨；

c、电力制度：采用降低功率来控制重熔自耗电极的熔化速度，电流范围为9000-11000A，电压范围为23-24V；

d、氦气冷却：当钢锭高度为150-200mm时，向真空电渣重熔炉内充氦气至300-500Pa，对钢锭进行冷却；

e、充填：采用200±10mm充填电极对钢锭表面进行充填处理；

f、钢锭冷却及退火：停电1.5h后进行脱锭，并及时退火，在钢锭温度＞400℃时装炉；

g、取样分析：将钢锭表面扒皮后，头尾取样分析C、Mn、Ta、 Al。

优选的，所述步骤(1)装料中配料成分控制要求按重量百分比计，配料成分如下：C：0.12Wt％、Si：＜0.05Wt％、Mn：0.68Wt％、 P：＜0.005Wt％、S：＜0.005Wt％、Cr：8.8Wt％、W：1.55Wt％、V：0.35Wt％、Ta：0.15Wt％、Al：＜0.01Wt％，其余为Fe及不可避免的杂质元素。

优选的，所述步骤(1)熔化中炉料熔化温度为1560±10℃。

优选的，所述步骤(1)脱模中自然冷却的时间为10h。

优选的，所述步骤(1)成分调整及出钢中按0.05％计算量加入J- Ca，炉中Mn按0.68％进行调整，J-Ta按0.15％进行加入，且C的内控范围为0.10-0.11％。

优选的，所述步骤(2)电力制度中电流设定为：前期5h 11000A-中期5h 10500A-后期5h 9000A。

有益效果：

本发明提供了一种高纯度CLF-1钢的冶炼工艺，通过本发明冶炼工艺生产出的CLF-1钢，其化学成分合格，纯度高，主合金控制精度高，且冶炼操作简单，具有易于大规模工业化生产和生产成本低的特点。

本发明能明显提高CLF-1钢的抗高温氧化性能，且CLF-1钢在具有较高的抗高温氧化性能的同时，还保持着高强度和高韧性，具有能承受3000℃和瞬间达到上亿度的高温的特点；与现有冶炼工艺相比，本发明生产出的CLF-1钢不仅纯度高，而且综合力学性能优异。

本发明在炼钢前先对铁水进行预处理，降低铁水炼钢前的硫含量，以减轻炼钢脱硫的负担；本发明中分阶段加入合金料，一是可以达到充分脱氧的目的，二是可改善钢的综合力学性能；本发明调整C 含量范围，从而控制钢材的强度和硬度，使产品保持较高的冲击韧性；本发明中对铸锭进行真空自耗重熔时采用氦气冷却，氦气化学性质非常不活泼，可对钢锭进行保护，避免钢锭被进一步氧化，从而提高产品的抗高温氧化性能，且氦气也不会与其它合金发生化学反应，另外，氦气与其它惰性保护气体相比原料更丰富易得，且成本低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1：感应炉电力参考曲线；

图2：自耗重熔充填参考电力曲线；

图3：自耗钢锭退火工艺曲线。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

一种高纯度CLF-1钢的冶炼工艺，包括以下步骤：

(1)在真空感应炉内对炉料进行冶炼；

a、备料：冶炼前对炉料如提纯铁、ACT、Fe-Cr中间合金、J- Mn、J-Cr、J-W、J-Ta、H-V、C块等进行表面洁净处理，并对新坩埚进行铁洗，再向新坩埚内加入鞍钢纯铁ACT，对其进行冶炼制和预处理得提纯铁，备用；

b、装料：按照目标马氏体钢设计成分进行配料，将纯铁、Fe-Cr 中间合金、J-W和全部C块一并加入真空感应炉；

c、熔化：真空感应炉抽真空至5Pa，并在1560±10℃的温度下对炉料进行熔化，炉料全熔后取样；

d、保温精炼：调整真空感应炉中真空度≤2Pa，并在温度为1590 ±10℃的条件下先进行工频搅拌30min，再进行无工频搅拌60min；

e、成分调整及出钢：向真空感应炉内加入Fe-V和J-Ta合金料、并向真空感应炉内充氩气后加J-Mn，搅拌均匀后取样，在线检测合金元素成分，并依据测试结果加入J-Ca以及增补其他合金元素，待成分合格后在1610±10℃温度条件下使用新溜钢槽出钢；

f、脱模：出钢后在铸锭室内进行真空浇注得铸锭，真空冷却≥ 15min后可破真空，再自然冷却10h后脱模；

(2)对铸锭进行真空自耗重熔；

a、重熔精炼：对电渣进行干燥处理，熔化后注入到真空电渣重熔炉的结晶器中，在冷态真空度≤0.13Pa、漏气度≤6.67Pa/min的结晶器中对铸锭进行重熔精炼，冶炼出成分和内部组织合格的钢铸锭；

b、电极棒处理：电极棒切除帽口，并对其进行表面研磨；

c、电力制度：采用降低功率来控制重熔自耗电极的熔化速度，电流范围为9000-11000A，电压范围为23-24V；

d、氦气冷却：当钢锭高度为180mm时，向真空电渣重熔炉内充氦气至400Pa，对钢锭进行冷却；

e、充填：采用200±10mm充填电极对钢锭表面进行充填处理；

f、钢锭冷却及退火：停电1.5h后进行脱锭，并及时退火，在钢锭温度＞400℃时装炉；

g、取样分析：将钢锭表面扒皮后，头尾取样分析C、Mn、Ta、 Al。

其中，步骤(1)装料中配料成分控制要求按重量百分比计，配料成分如下：C：0.12Wt％、Si：＜0.05Wt％、Mn：0.68Wt％、P：＜ 0.005Wt％、S：＜0.005Wt％、Cr：8.8Wt％、W：1.55Wt％、V： 0.35Wt％、Ta：0.15Wt％、Al：＜0.01Wt％，其余为Fe及不可避免的。