一種1Cr13厚壁管材管坯的製備方法

2023-11-05 19:04:42

專利名稱：：一種1Cr13厚壁管材管坯的製備方法
技術領域：
：本發明涉及管材加工工藝，特別提供一種lCrl3厚壁管材管坯的製備方法。
背景技術：
：隨著能源危機的日益加劇，世界上許多國家正在大力發展核電產業。中國核電發電比例在總發電比例中還很小，因此中國也已推出大力發展核電的宏偉藍圖。據報導，中國計劃在2020年前動工建造的核電站達30多座，同時還有許多座核電站正在選址或論證階段。無論在設備、構件還是技術上，目前已建成和在建的核電機組的國產化比例還非常低，國家有關部門已經強調後續核電機組的建設要在設備和技術上逐步提高國產化的比例，尤其在關鍵部件上要擺脫對國外的長期依賴。其中，控制棒驅動機構就是急需實現國產化的堆內構件的關鍵部分。而控制杆(驅動杆)是控制棒驅動機構中最大的關鍵部件，是由lCrl3馬氏體不鏽鋼厚壁管材製作的，目前該管材全部依賴進口。核電站反應堆控制棒驅動機構控制杆的主要功能是調節核反應堆的功率，它的主要動作是在需要時能夠及時、迅速、可靠地上下運動以控制燃料控制棒的進出。更重要的是在發生緊急情況時，能夠快速地把控制棒插入反應堆以實現停堆。因此，要求控制杆既具有高強度，又具有高韌性，同時還需把硬度控制在規定範圍內。可以預見，隨著國家對在建和即將建設核電站的國產化指標的逐漸提高，核電站反應堆驅動機構控制杆也必須依靠國產化，目前控制杆的機械加工已經能夠在國內多個企業完成，制約國產化的主要問題是管材尚需要國外進口，因此，驅動機構國產化的關鍵就是lCrl3管材。核電站反應堆驅動機構控制杆用lCrl3管材國產化研製成功，將提升我國核電國產化率，也將擺脫關鍵製品長期依賴國外進口的困境。與普通lCrl3管材相比，核電用lCrl3厚壁管材無論在成分、冷熱加工和成品熱處理工藝上都有著很大不同，對設備和工藝都有嚴格的要求。
發明內容本發明的目的是提供一種lCrl3厚壁管材管坯的製備方法，特別是一種針對核電站核反應堆控制棒驅動機構驅動杆用lCrl3厚壁管材管坯的製備方法。核電站核反應堆控制棒驅動機構驅動杆用lCrl3厚壁管材是由核電用lCrl3不鏽鋼製備而成，該不鏽鋼與普通lCrl3不鏽鋼相比，其化學成分除了對普通lCrl3已有的C、Si、Mn、Cr、S、P要求進行嚴格限制外，還增加了對Ni、B、Co、N、0的成分範圍要求，同時要求Pb、Sn、Sb、Bi、As、Al、Ce、La、Mo等元素含量儘可能低(每種含量彡0.005%)，提供實測數據(其化學成分要求見表1)。通過對化學成分進行嚴格控制，才能保證加工成的管材中的鐵素體含量小於10%，強度、硬度提高的同時，衝擊韌性不降低。表1核電用ICr13不鏽鋼化學成分要求(％)tableseeoriginaldocumentpage4因此，該核電用lCrl3不鏽鋼需採用感應爐冶煉+電渣重熔的方法冶煉獲得，其中感應爐冶煉工藝熔化期採用感應冶煉爐冶煉，爐料為85.2586.85%裝爐容量，純度>98%的純鐵，1213%裝爐容量的金屬Cr以及0.40.50%裝爐容量的電解鎳；使用滿功率的1/41/2送電加熱3060分鐘，當出現初熔鋼水後，爐料全紅時，使用滿功率的2/31熔化直至全部爐料熔化清；精煉期升溫至1550°C士10°C，保溫15士5分鐘；合金化期當精煉期結束後，停電使鋼液溫度降至表面結膜；然後送電將結膜熔化，再按照加料順序將0.500.75%裝爐容量的金屬Mn，0.250.5%裝爐容量的金屬Si加入鋼液中；合金化過程中應儘量緩慢地加入各元素，防止飛濺，確保合金成分準確。電渣重熔工藝冶煉前準備電極採用澆注電極棒或鍛造而成電渣重熔電極棒，電極尺寸為3支*100mm鋼錠，水冷銅結晶器結晶器直徑為500mm；渣系三元渣CaF2Al2O3MgO2=30%65%5%，使用前600°C烘烤4小時；底板銅板或鐵板；底墊lCrl3片；引弧劑固體導電引弧，引弧劑成分CaF2TiO2=50%50%；電渣重熔工藝參數渣量A:A=1/4πD2·h·γ，D為結晶器直徑，渣池深度h為結晶器直徑的1/31/2，渣的密度在24002500Kg/m3；工作電流I:I=S*J，S為自耗電極的橫斷面積，單位mm2，J為電流密度，單位A/mm2,J=56/d電極-0.05，d電極為電極直徑，單位cm；冶煉電壓U:U=0.5d電極+B，B為2737V。將採用上述工藝冶煉所得的lCrl3鋼經鍛造後，採用本發明所述方法製得lCrl3不鏽鋼棒坯。奧氏體不鏽鋼管材的管坯製作通常是採用一定的加熱制度獲得完全奧氏體化的組織後進行熱穿孔。而核電站核反應堆控制棒驅動機構驅動杆用lCrl3厚壁管材的管坯製作則很難採取同樣的工藝，主要困難是lCrl3鋼即使加熱後仍然殘存一定量的鐵素體組織從而導致熱穿孔變形抗力較大，穿孔後的內表面質量不好，且易開裂，從而導致管坯報廢。歷史上國產化研製未獲成功的原因之一就是熱裂導致管材坯料成品率極低。國外一般採用熱擠壓工藝製作lCrl3厚壁管坯。但由於國內較少有專門的適合擠壓管坯的熱擠壓機，且此工藝成本較高，因此需要研究工藝相對簡單、費用相對較低的熱穿孔工藝。核反應堆控制棒驅動機構驅動杆用icri3管材名義尺寸為<p47mmxl2.:5mm，壁厚與直徑之比高達0.265，屬於超厚壁管材，在加熱和熱穿孔中組織應力和熱應力導致開裂。因此，lCrl3厚壁管材的熱穿孔工藝具有如下要求提高低溫加熱溫度，增加高溫保溫時間，以保證棒材透燒並加熱均勻；選用合適的頂頭和潤滑劑，以保證熱穿孔管材的內表面不產生劃傷和沒有深度超過壁厚公差之半的螺旋紋；控制熱穿管的冷卻速度，以防止空氣淬硬和內外表面處相變不一致導致的開裂和微觀不連續。發明人經過多年研究，大量實驗，最終摸索出本發明所述熱穿孔工藝，其特徵在於(1)棒坯加工經感應冶煉+電渣重熔獲得的lCrl3不鏽鋼鑄錠，經鍛造(鍛造工藝為室溫入爐，隨爐升溫，緩慢加熱到1150°C，保溫23小時；始鍛溫度1150°C，終鍛溫度850°C，鍛造前後棒材截面積之比即鍛造比大於3)後得到φ115120mm的棒材。經砂輪鋸按1800mm定尺切割後，採用扒皮機或車床進行扒皮，扒皮後的棒坯外徑尺寸為105mm，不直度小於1.Omm/m，表面粗糙度彡Ra6.4；(2)加熱設備煤氣輥底加熱爐；(3)加熱工藝為將所得棒坯冷裝入爐，在低溫段溫度650850°C下均熱90120分鐘，然後以大於2V/分鐘的速度加熱至11001180°C，保溫1530分鐘。加熱和保溫時棒料需經常翻動，以保證加熱均勻。最佳工藝為將所得棒坯冷裝入爐，在850°C保溫120分鐘，然後以30C/分鐘速度加熱至1150°C，保溫20分鐘。(4)熱穿孔設備76加強型或90型無縫穿孔機；(5)穿孔頂頭鉬基合金頂頭；潤滑劑玻璃粉。(6)冷卻穿孔後冷卻，控制其冷卻速度小於100°C/小時冷卻至室溫。冷卻方法最好採用厚度30mm的矽酸鋁石棉氈包覆冷卻。對熱穿孔完成的lCrl3管坯要進行表面質量及尺寸檢驗(1)尺寸檢查熱穿孔後的荒管公差尺寸應控制在110士0.5mmX20士0.3mm。尺寸檢測工具必須是檢驗合格並處於使用期內的工具遊標卡尺檢驗管坯外徑，直尺檢驗管坯長度，壁厚千分尺檢驗管坯壁厚。外徑測量沿管坯長度方向三個圓周截面、每個圓周截面測量三點。壁厚測量管材兩端各沿圓周截面方向測量三點。長度測量沿管材長度方向測量。(2)表面質量檢查熱穿孔後的lCrl3管坯表面不允許有肉眼可看見的裂紋、結疤、劃傷、折皮、摺疊及夾雜，允許有從實際尺寸算起不超過公差之半的個別細小劃痕、壓痕、麻點存在。採用上述工藝製備的管坯，表面質量良好，不易開裂，且生產效率高，成本低，適合大批量生產(幾十噸及上百噸的生產量)。該管坯可以用來製成核反應堆控制棒驅動機構控制杆lCrl3厚壁管材，其製備方法如下——管材的冷加工將上述所得管坯進行冷加工處理，工藝參數控制道次累積變形量為2540%，冷軋管機送進量為25mm/次，機頭擺動次數為3060次/分。如果累計道次變形量超過40%，冷軋管機最大送進量超過5mm/次，機頭最大擺動次數超過60次/分，則易導致軋後管材端頭開裂。——管材的熱處理將上述所得管材進行熱加工處理，熱加工工藝為將核電站核反應堆控制棒驅動機構驅動杆用lCrl3厚壁管材成品置於管式保護氣氛熱處理爐中進行熱處理，工藝參數為在10001050°C下保溫12小時，氣冷冷卻至室溫，控制冷卻速度<500°C/h；在650700°C下保溫35小時，氣冷冷卻至室溫，控制冷卻速度<500°C/h。採用本發明上述製備方法，能夠製備出高強度、高韌性且完全符合核反應堆控制棒驅動機構控制杆用力學性能要求的lCrl3厚壁管材，其成品管材性能全部達到或超過了進口實物管材的性能數據。該製備方法工藝簡單，生產效率高，成本低，並能夠徹底擺脫該管材長期、全部依賴進口的困境。圖1管坯端頭表面質量圖；圖2管坯端頭表面質量圖；圖3管坯表面質量圖；圖4管坯表面質量圖；圖5管坯表面質量圖；圖6管坯端頭表面質量圖；圖7管坯端頭表面質量圖；圖8管坯斷裂圖。具體實施例方式將經鍛造後得到的φ115120mmlCrl3不鏽鋼棒坯，經砂輪鋸按1800mm定尺切割後，採用扒皮機進行扒皮，扒皮後的棒坯外徑尺寸為105mm，不直度小於1.0mm/m，表面粗糙度<Ra6.4；穿孔工藝採用90型無縫穿孔機進行熱穿孔，穿孔頂頭為鉬基合金頂頭，潤滑劑為玻璃粉。加熱設備煤氣輥底加熱爐。實施例1熱穿孔加工工藝為在低溫段溫度650°C下保溫90分鐘，然後以3°C/分鐘的速度加熱至1140°C，保溫30分鐘，進行穿孔；最後採用厚度30mm的矽酸鋁石棉氈包覆冷卻至室溫，所得管材尺寸公差控制見表2，表面質量見圖1。實施例2熱穿孔加工工藝為低溫段溫度800°C，保溫80分鐘，然後以4°C/分鐘的速度加熱至1150°C，保溫30分鐘，進行穿孔；最後採用厚度30mm的矽酸鋁石棉氈包覆冷卻至室溫。所得管材尺寸公差控制見表2，表面質量見圖2。實施例3熱穿孔加工工藝為低溫段溫度780°C，保溫90分鐘，然後以3°C/分鐘的速度加熱至1140°C，保溫25分鐘，進行穿孔；最後採用厚度30mm的矽酸鋁石棉氈包覆冷卻至室溫。所得管材尺寸公差控制見表2，表面質量見圖3。實施例4熱穿孔加工工藝為低溫段溫度810°C，保溫85分鐘，然後以5°C/分鐘的速度加熱至1120°C，保溫30分鐘，進行穿孔；最後採用厚度30mm的矽酸鋁石棉氈包覆冷卻至室溫。所得管材尺寸公差控制見表2，表面質量見圖4。實施例5熱穿孔加工工藝為低溫段溫度850°C，保溫80分鐘，然後以3°C/分鐘的速度加熱至1160°C，保溫25分鐘，進行穿孔；最後採用厚度30mm的矽酸鋁石棉氈包覆冷卻至室溫。所得管材尺寸公差控制見表2，表面質量見圖5。表2管材尺寸公差控制實施例外徑公差(mm)壁y公差(，)1+0.28+0.21+0.23+0.31+Ο.ΓΓ+0.17+0.28+0.30+0.14+0.212+0.21+0.27+0.18+0.38+0.35+0.23+0.17+0.18+0.15+0.223+0.29+0,35+0.41+0.24+0.27+0.28+0.29+0.24+0.29+0,19~4+0.17+0.29+0.28+0.37+0.18+0.21+0.13+0.30+0.17+0.185+0.31+0.37+0.18+0.33+0.40+0.15+0.21+0.30+0.24+0.27比較例1低溫段溫度850°C，均熱90分鐘，然後以5°C/分鐘的速度加熱至1080°C，保溫15分鐘，由於高溫段加熱溫度低於工藝規定溫度，導致穿管時端頭開裂，表面質量見圖6。比較例2低溫段溫度850°C，均熱60分鐘，然後以4°C/分鐘的速度加熱至11201140°C，保溫5分鐘，由於高溫段加熱時間少於工藝規定時間，導致穿管時端頭開裂，表面質量見圖7。比較例3低溫段溫度850°C，均熱90分鐘，然後以5°C/分鐘的速度加熱至1140°C，保溫15分鐘，但由於冷卻時未採取矽酸鋁石棉氈包覆緩冷，將導致管坯斷裂，表面質量見圖8。權利要求一種1Cr13厚壁管材管坯的製備方法，採用核電用1Cr13不鏽鋼製備，其化學成分及其重量百分比為C0.10～0.15％、Cr12～13％、Ni0.40～0.50％、Mn0.50～0.75％、P≤0.015％、S≤0.010％、O＜0.005％、Si0.25～0.50％、B≤0.0020％、Co≤0.05％、N＜0.015％、Cu＜0.20％、Fe餘量，其特徵在於，熱穿孔工藝為棒坯加工將經鍛造後得到的棒坯，經切割後，進行扒皮，扒皮後的棒坯外徑尺寸為105mm，不直度小於1.0mm/m，表面粗糙度≤Ra6.4；加熱工藝將所得棒坯冷裝入爐，在低溫段溫度650～850℃下均熱90～120分鐘，然後以大於2℃/分鐘的速度加熱至1100～1180℃，保溫15～30分鐘；穿孔頂頭鉬基合金頂頭；潤滑劑玻璃粉；冷卻穿孔後冷卻，控制其冷卻速度小於100℃/小時冷卻至室溫。FSA00000091621200011.tif2.按照權利要求1所述lCrl3厚壁管材管坯的製備方法，其特徵在於，所述加熱工藝為將所得棒坯冷裝入爐，在850°C保溫120分鐘，然後以3°C/分鐘速度加熱至1150°C，保溫20分鐘；3.按照權利要求1所述lCrl3厚壁管材管坯的製備方法，其特徵在於，所述冷卻方法為採用厚度不小於30mm的矽酸鋁石棉氈包覆管坯。4.按照權利要求1所述lCrl3厚壁管材管坯的製備方法，其特徵在於，所述熱穿孔工藝中，採用的熱穿孔設備為76加強型或90型無縫穿孔機。5.按照權利要求1所述lCrl3厚壁管材管坯的製備方法，其特徵在於，所述加熱工藝所用加熱設備為煤氣輥底加熱爐。全文摘要本發明的目的是提供一種1Cr13厚壁管材管坯的製備方法，其特徵在於，熱穿孔工藝為棒坯加工將經鍛造後得到的115～120mm棒坯，經切割後，進行扒皮，扒皮後的棒坯外徑尺寸為105mm，不直度小於1.0mm/m，表面粗糙度≤Ra6.4；加熱工藝將所得棒坯冷裝入爐，在低溫段溫度650～850℃下均熱90～120分鐘，然後以大於2℃/分鐘的速度加熱至1100～1180℃，保溫15～30分鐘；穿孔頂頭鉬基合金頂頭；潤滑劑玻璃粉；冷卻穿孔後冷卻，控制其冷卻速度小於100℃/小時冷卻至室溫。文檔編號B21C37/06GK101829702SQ20101015182公開日2010年9月15日申請日期2010年4月21日優先權日2010年4月21日發明者孔凡亞,李惠娟,蘇國躍,都祥元申請人:中國科學院金屬研究所