一种热核聚变堆用不锈钢大锻件的生产方法.pdf

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。

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℃，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℃，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℃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℃，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℃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℃以下的加热速度≤80℃/h,500℃-1100℃范围内的加热速度≤150℃/h,在1100℃±20℃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℃，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℃，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℃，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℃，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℃，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。

一种热核聚变堆用不锈钢大锻件的生产方法
技术领域
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
ITER计划（International 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。
该项目需求大量厚度超过300mm的316LN、316L(N)-IG不锈钢锻件产品，主要不锈钢材料成分如下：
钢号：316L（N）-IG，成分要求：C ≤0.03% ，Si ≤0.75% ，Mn≤ 2.00%，P≤0.03%，S≤0.01%，Cr 16.00%-18.00%，Ni 11.00%-14.00%， Mo 2.00%-2.50%，Co≤0.10%，N 0.06%-0.08%，Nb≤0.10%，Ta≤0.10%
钢号：316LN，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 0.10%-0.22 %，Nb≤0.10%，Ta≤0.10%，（C+N）≥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 ≤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
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。
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℃，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℃以下的加热速度≤80℃/h,500℃-1100℃范围内的加热速度≤150℃/h,在1100℃±20℃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℃，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。
（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℃，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℃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℃，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℃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：（1）在30分钟内，装入热处理炉进行处理,热处理加热温度1050-1150℃，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℃，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。
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℃，保温时间为2小时-3小时。
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℃，保温时间为2小时-3小时。
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）。
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。
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
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。
实施例1：
本实施例的不锈钢钢种为316L（N）-IG。
成品规格：450_-0⁺³⁰×1100_-0⁺⁵⁰×2193₀⁺⁵⁰mm。
成品锻件理论重量：8.608吨。
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。
钢锭重量（去掉头尾后）：11.100吨。
钢锭化学成分：
C： 0.012%     Si：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℃以下，按照每小时50℃-60℃升温速度进行加热。
500℃-1100℃时，加热速度按照每小时110℃-120℃加热，达到1100℃，在1108℃-1120℃时保温3小时7分钟。
保温后按照每小时180℃的加热速度，加热到1210℃，在1205-1214℃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℃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）。
（三）锻造
在100MN液压锻机上进行锻造。
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φ910×2070mm，钢锭高径比为2.27。
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φ1226×1140mm）。测量表面温度为1106℃。
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φ986×1763mm，高径比为1.79。测量表面温度为993℃。
（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φ1237×1120mm）。测量表面温度977℃。
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620×1200mm。测量表面温度942℃。
钢锭回加热炉加热（二火），快速升温到1193℃，保温130分钟出炉锻造。 
（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620×1200mm断面变形为450_-0⁺³⁰×1100_-0⁺⁵⁰mm。
（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℃，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。
（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。
锻件表面无裂纹缺陷。
实施例2：
本实施例的不锈钢钢种为316LN。
成品规格：600_-0⁺³⁰×1500_-0⁺⁵⁰×1900₀⁺⁵⁰mm。
成品锻件理论重量：13.56吨。
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。
钢锭重量（去掉头尾后）：15.70吨。
钢锭化学成分：
C：0.017%      Si：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℃以下，按照每小时50℃-60℃升温速度进行加热。
500℃-1100℃时，加热速度按照每小时110℃-120℃加热，达到1100℃，在1108℃-1120℃时之间保温3小时18分钟。
    保温后按照每小时180℃的加热速度，加热到1210℃，在1203-1216℃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℃温度范围保温2小时11分钟出炉（总加热时间4小时32分）。
（三）锻造
在100MN液压锻机上进行锻造。
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φ1100×2084mm，钢锭高径比为1.89。
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φ1420×1250mm）。测量表面温度968℃。
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φ1060×2244mm，高径比2.12。测量表面温度944℃。
钢坯回加热炉进行二次加热（二火），快速升温到1198℃，保温125分钟出炉锻造。
（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φ1318.7×1450mm）。测量表面温度971℃。
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850×1520mm。测量表面温度948℃。
钢坯回加热炉进行三次加热（三火），快速升温到1155℃，保温128分钟出炉锻造。 
（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850×1520锻造到600_-0⁺³⁰×1500_-0⁺⁵⁰mm。
（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℃，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。
（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。
锻件表面角部存在裂纹，裂纹深度小于0.3mm。
实施例3：
本实施例的不锈钢钢种为316L。
成品规格：450_-0⁺³⁰×1150_-0⁺⁵⁰×2100_-0⁺⁵⁰mm。
成品锻件理论重量：8.62吨。
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。
钢锭重量（去掉头尾后）：18.65吨。
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℃以下，按照每小时50℃-60℃升温速度进行加热。
500℃-1100℃时，加热速度按照每小时110℃-120℃加热，达到1100℃，在1108℃-1120℃时之间保温3小时01分钟。
    保温后按照每小时180℃的加热速度，加热到1210℃，在1203-1216℃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℃温度范围保温2小时13分钟出炉。
（三）锻造
在100MN液压锻机上进行锻造。
钢锭高径比为2.0，不进行径向锻造，直接镦粗。
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φ1560×1230mm）。测量表面温度968℃。
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φ1180×2150mm，高径比1.82。测量表面温度935℃。
钢坯回加热炉进行二次加热（二火），快速升温到1195℃，保温125分钟出炉锻造。
（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φ1525×1290mm）。测量表面温度991℃。
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620×1520mm。测量表面温度948℃。
钢坯回加热炉进行三次加热（三火），快速升温到1155℃，保温128分钟出炉锻造。 
（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620×1520mm锻造到450_-0⁺³⁰×1150_-0⁺⁵⁰mm。
（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℃，锻件成品厚度保温时间：315分钟，出炉入水池水冷到室温。
（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。
锻件表面无裂纹。