百萬千瓦級核電堆芯構件用鋼錠的製造方法

2023-06-13 09:41:16 1

專利名稱：：百萬千瓦級核電堆芯構件用鋼錠的製造方法
技術領域：
：本發明涉及一種鋼錠的製造方法，具體涉及一種百萬千瓦級核電堆芯構件用鋼錠的製造方法。技術背景百萬千瓦級核電堆芯構件為大型奧氏體不鏽鋼鍛件，是影響核反應堆壽命的心臟部件。每套百萬千瓦級核電堆芯包括五個構件，分別為上支承法蘭、上支承板、吊籃法蘭、堆芯支承板和出口管嘴，共百餘噸交貨重量。因其連續工作數十年不撤換，所以必須確保萬無一失，以保證每個鍛件在同等條件下的使用壽命相同，確保整個堆芯構件使用七十年。而在核電站運行過程中，堆芯不鏽鋼鍛件不僅需要在高溫、低壓和腐蝕介質條件下工作，還要承受強烈的中子輻射，這將引起不鏽鋼鍛件鋼結構的改變，產生中子輻射脆化現象。這就要求鍛件所使用的鋼錠的材料必須具有極高的均勻性和純淨度、優良的耐高溫性能和耐蝕性能以及強烈的抗中子輻射脆化敏感性等。鋼錠的質量性能取決於其冶金質量和製造技術。而採用一般的製造方法生產的鋼錠，其理化性能無法滿足核電的要求，因而無法作為百萬千瓦級核電堆芯構件大型奧氏體不鏽鋼鍛件。
發明內容本發明要解決的技術問題是提供一種百萬千瓦級核電堆芯構件用鋼錠的製造方法，使用該方法所製造出的鋼錠能夠滿足核電對材料理化性能的要求，可作為百萬千瓦級核電堆芯構件大型奧氏體不鏽鋼鍛件使用。為解決上述技術問題，本發明百萬千瓦級核電堆芯構件用鋼錠的製造方法的技術解決方案為採用以下步驟用電渣重熔法製造重量為25噸以上的奧氏體不鏽鋼鋼錠第一步，準備a、採用單相雙極串聯電渣重熔爐或三相雙極串聯電渣重熔爐；採用銅壁水冷結晶器和水冷底板；b、冶煉自耗電極，使自耗電極的成分滿足下表的要求tableseeoriginaldocumentpage5c、將單支重36噸的自耗電極進行裝配，每二支自耗電極配成一對;d、配比渣料採用螢石白剛玉=1.54的比例配成渣料；e、脫氧採用SiCa及Al粉進行脫氧；SiCa粉的加入量為501500g/5min;Al的加入量為501500g/5min;第二步，精煉熔鑄a、造渣；將部分配比好的渣料加入結晶器底部，用石墨電極在結晶器裡通電引弧；b、化渣；逐漸把渣料全部加入結晶器內，直至渣料全部化清；C、重熔；待渣料全部化清後吊出石墨電極，換上自耗電極重熔。待熔化到距自耗電極頂端50土5mm時吊出，換下一對自耗電極繼續重熔，當重熔到鋼錠實際重量比預定重量少2噸時，降低電功率轉入末期補縮操作;電渣重熔期間的電規範操作如下表所示工序電壓(V)電流(kA)造渣95122020化渣95122435重熔換自耗電極後20分鐘內901202035換自耗電極20分鐘後951262034補縮期93751018電渣重熔期間控制結晶器和水冷底板的出水溫度不大於50°C;第三步，脫錠；電渣重熔結束後36小時脫錠，空冷後清理掉鋼錠表面的渣皮。本發明可以達到的技術效果是用本發明所製造出的鋼錠的理化性能優越，可滿足核電對材料的要求，具有極高的純淨度和極好的均勻性、優良的耐高溫性能和耐蝕性能以及強烈的抗中子輻射脆化敏感性等，可保證每個鍛件均在同等條件下使用壽命相同，確保整個堆芯構件可使用七十年。下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步詳細的說明圖1是用本發明製造鋼錠的示意圖。圖中，1自耗電極，2水冷結晶器，3渣料，4鋼錠，5水冷底板。具體實施方式本發明採用電渣重熔法製造百萬千瓦級核電堆芯構件用鋼錠。根據核電相關技術規範的要求，百萬千瓦級核電堆芯構件大型奧氏體不鏽鋼鍛件用鋼錠需達到Z3CN18-10NS材料的要求，即各項理化性能應滿足如下指標:1、化學成分應滿足表1的指標tableseeoriginaldocumentpage72、機械性能應達到表2的要求:tableseeoriginaldocumentpage8表23、夾雜物評級為A《0.5級，B《1.0級，C《0.5級，D《1.0級；4、晶粒度《3級；5、通過RCCM標準的晶間腐蝕試驗。百萬千瓦級核電堆芯構件大型奧氏體不鏽鋼鍛件用鋼錠最大可達61噸，需在O1760/O1720X3700結晶器內進行熔煉。而Z3CN18-10NS材料屬高合金鋼，並要實現控氮。在如此大截面的結晶器內進行電渣重熔，其要求極高，必須解決以下問題(1)自耗電極的成份控制。(2)電渣重熔純淨度的控制。(3)電渣重熔均勻性的控制。(4)電渣重熔控氮的控制。(5)電渣重熔過程中晶粒度的控制。採用電渣重熔法製造重量為25噸以上的百萬千瓦級核電堆芯構件用奧氏體不鏽鋼鋼錠的具體步驟如下1、電渣重熔準備1.1、採用單相雙極串聯電渣重熔爐或三相雙極串聯電渣重熔爐。1.2、採用銅壁水冷結晶器和水冷底板，結晶器規格為01760/01720X3700，即上底直徑為1760mm，下底直徑為1720腿，高度為3700mm。1.3、冶煉自耗電極；自耗電極採用電弧爐+真空精煉爐方式製成，即由電弧爐熔煉熱鋼水，經脫硫、脫磷及合金化後倒入吹氧脫碳真空精煉爐，進行脫碳、脫氧、脫硫、脫磷和還原，成分微調達到電渣重熔用自耗電極的成分要求後澆鑄成用作自耗電極的鋼錠。自耗電極成分應滿足表3的要求。tableseeoriginaldocumentpage9表3冶煉出的自耗電極尺寸為直徑850mm，長度2500mm，單支重量36噸。1.4、自耗電極經化學成分復驗和表面質量檢査無誤後進行裝配，每二支自耗電極配成一對，配對的二支自耗電極長度偏差不大於5mm。1.5、配對好的自耗電極在使用前用煤氣烘烤4小時以上，烘烤溫度不低於600°C。1.6、配比渣料採用螢石白剛玉=1.54的比例配成渣料；例如，採用螢石950kg，白剛玉350kg配成渣料。1.7、脫氧方式採用SiCa及Al粉進行脫氧。SiCa粉的加入量為每五分鐘加入501500克；Al的加入量為每五分鐘加入501500克。2、精煉熔鑄；2.1、造渣。將部分配比好的渣料加入結晶器底部，用石墨電極在結晶器裡通電引弧。2.2、化渣。逐漸把渣料全部加入結晶器內，直至渣料全部化清。2.3、重熔。待渣料全部化清後吊出石墨電極，換上自耗電極重熔，如圖l所示。待熔化到距自耗電極頂端50土5mm時吊出，換下一對自耗電極繼續重熔，當重熔到鋼錠實際重量比預定重量少2噸時降低電功率轉入末期補縮操作。電渣重熔期間的電規範操作見表4:tableseeoriginaldocumentpage10tableseeoriginaldocumentpage11通過控制水閥的開度，使電渣重熔期間控制結晶器和水冷底板的出水溫度不大於5crc。3、脫錠。電渣重熔結束後36小時脫錠，空冷後清理掉鋼錠表面的渣皮。採用本發明製造的重量為25噸以上的百萬千瓦級核電堆芯構件用奧氏體不鏽鋼鋼錠，具有極高的純淨度和極好的均勻性、優良的耐高溫性能和耐蝕性能以及強烈的抗中子輻射脆化敏感性等。1、所製造的鋼錠純淨度高-本發明在電渣重熔過程中，通過控制電渣重熔期間的電壓電流來控制熔化速度，並採用合適的脫氧方式，從而保證製造出的鋼錠有較高的氧淨度和硫淨度。2、所製造的鋼錠均勻性好大型鋼錠的冶煉特點，如熔煉時間長，熔煉區的氧化氣氛強，氣/渣接觸較持久、電極表面氧化和一些活性元素的燒損多，脫氧任務重，熔渣的一些組元的分解以渣皮的選分結晶嚴重等等這些因素，對熔煉過程的物理化學反應都會產生重大影響，總之冶煉過程中控制複雜，從而增加了不小難度，加之鋼錠的直徑又大，控制大直徑鋼錠的成分偏析又是一項冶金中的難題。而電渣重熔一支數十噸重的鋼錠，需用若干個爐號的自耗電極，這種以小拼大的方法的成分均勻性控制是有其特殊性，因為每個爐號的自耗電極的成分不可能做到完全一致，有的差異還是很大的，雖然自耗電極可以配對使用，但這還不能完全解決問題。本發明通過制定周密可靠的工藝，嚴格控制電渣重熔各階段的電壓電流，以及水冷結晶器和水冷底板的出水溫度，通過強化電渣重熔過程的定向加熱和定向冷卻的雙重作用，邊熔煉邊凝固，即以少量液態金屬，促進定向結晶快速凝固的特點，使發生溶孔、弧拉、偏析等冶金缺陷的條件不復存在，進而獲得很高的均勻性，組織緻密，鋼中殘餘的夾雜物得以高度細化和彌散。3、所製造的鋼錠具有優良的耐高溫性能和耐腐蝕性能大型奧氏體不鏽鋼鍛件要保證優良的耐高溫性能和耐腐蝕性能，加之又是超低碳，因此只有在鋼中的氮元素達到一定含量後才能達到，具體來說氮元素的含量要控制在0.06%0.08%之間。對於重熔大型鋼錠，要把氮控制在這麼窄的區間內，是有難度的。本發明通過控制自耗電極的化學成分、合適的渣系，並通過控制電渣重熔各階段的電壓電流來控制重熔溫度，來達到控氮的要求。4、所製造的鋼錠具有強烈的抗中子輻射脆化敏感性對於大型奧氏體不鏽鋼鍛件來說，晶粒度既是一個很重要的顯微組織參數，又是一個很棘手的技術難題，解決的不好，不但影響本來就不富裕的力學性能指標，而且超聲波探傷也難以透過，有的甚至連超聲回波都沒有，因而奧氏體不鏽鋼柱狀晶發達、晶粒粗大，製造過程中又不發生相變，所以無法用熱處理來改變其組織。本發明通過控制電渣重熔各階段的電壓電流來控制熔化速度，並加強冷卻，使自耗電極熔化的鋼液快速凝固，改變結晶組織，使二次枝晶的間距變小，因而可獲得細晶粒的組織，使鋼錠具有強烈的抗中子輻射脆化敏感性能。權利要求1、一種百萬千瓦級核電堆芯構件用鋼錠的製造方法，其特徵在於，採用以下步驟用電渣重熔法製造重量為25噸以上的奧氏體不鏽鋼鋼錠第一步，準備a、採用單相雙極串聯電渣重熔爐或三相雙極串聯電渣重熔爐；採用銅壁水冷結晶器和水冷底板；b、冶煉自耗電極，使自耗電極的成分滿足下表的要求元素自耗電極化學成分控制(％)C≤0.035Cr18.50～20.00Ni9.00～11.00Si≤1.00Mn≤2.00S≤0.015P≤0.030Cu≤0.50Co≤0.006N0.060～0.080B≤0.0015c、將單支重3～6噸的自耗電極進行裝配，每二支自耗電極配成一對；d、配比渣料採用螢石白剛玉＝1.5～4的比例配成渣料；e、脫氧採用SiCa及Al粉進行脫氧；SiCa粉的加入量為每五分鐘加入50～1500克；Al的加入量為每五分鐘加入50～1500克；第二步，精煉熔鑄a、造渣；將部分配比好的渣料加入結晶器底部，用石墨電極在結晶器裡通電引弧；b、化渣；逐漸把渣料全部加入結晶器內，直至渣料全部化清；c、重熔；待渣料全部化清後吊出石墨電極，換上自耗電極重熔。待熔化到距自耗電極頂端50+5mm時吊出，換下一對自耗電極繼續重熔，當重熔到鋼錠實際重量比預定重量少2噸時，降低電功率轉入末期補縮操作；電渣重熔期間的電規範操作如下表所示電渣重熔期間控制結晶器和水冷底板的出水溫度不大於50℃；第三步，脫錠；電渣重熔結束後3～6小時脫錠，空冷後清理掉鋼錠表面的渣皮。2、根據權利要求1所述的百萬千瓦級核電堆芯構件用鋼錠的製造方法，其特徵在於所述二支自耗電極配對的長度偏差不大於5mm。3、根據權利要求1所述的百萬千瓦級核電堆芯構件用鋼錠的製造方法，其特徵在於所述配對好的自耗電極在使用前用煤氣烘烤4小時以上。4、根據權利要求3所述的百萬千瓦級核電堆芯構件用鋼錠的製造方法，其特徵在於所述配對好的自耗電極在使用前的烘烤溫度不低於600°C。全文摘要本發明公開了一種百萬千瓦級核電堆芯構件用鋼錠的製造方法，採用電渣重熔法製造重量為25噸以上的奧氏體不鏽鋼鋼錠第一步，準備採用單相雙極串聯或三相雙極串聯電渣重熔爐；採用銅壁水冷結晶器和水冷底板；將自耗電極進行裝配；配比渣料；採用SiCa及Al粉進行脫氧；第二步，精煉熔鑄經過造渣、化渣，待渣料全部化清後吊出石墨電極，換上自耗電極重熔。當重熔到鋼錠實際重量比預定重量少2噸時，降低電功率轉入末期補縮操作；第三步，脫錠。採用本發明製造的鋼錠，具有極高的純淨度和極好的均勻性、優良的耐高溫性能和耐蝕性能以及強烈的抗中子輻射脆化敏感性。文檔編號B22D23/00GK101396728SQ20071009411公開日2009年4月1日申請日期2007年9月28日優先權日2007年9月28日發明者向大林,周天煜,朱孝渭,王克武,花小龍申請人:上海重型機器廠有限公司