CN102233417A - 百万千瓦级核电厂主管道的离心铸造工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种百万千瓦级核电厂主管道的离心铸造工艺，包括冶炼、型筒涂布、离心浇注、热处理等主要步骤。其中压力钢水出炉温度1640±10℃，型筒涂布后烘烤至型筒温度≥280℃并进保温1小时～2小时，浇注钢水温度1570±10℃，镇静时间不少于4min，型筒转速控制在800r/min～870r/min，浇注速度≥100kg/s。本发明通过对工艺参数和过程的严格控制，能够制造出满足百万千瓦级核电站用的主管道。
Description
技术领域
本发明属于特种铸造技术领域。具体地说是一种百万千瓦级核电厂主管道的离心铸造工艺。
背景技术
压水堆核电站反应堆冷却系统(又称一回路)是位于核岛内的核一级设备系统，承担着将反应堆产生的热量传送给蒸汽发生器的功能。由于一回路冷却剂直接进出核反应堆，具有放射性污染，因此对其可靠性的要求很高。
一回路运行条件苛刻，要承受280～320℃、150～160大气压和腐蚀性介质(反应堆冷却剂中含有硼酸等)，因此对材料和制造技术的要求很高。主管道材料为不锈钢，采用离心铸造技术制成。该部件尺寸大、性能要求高。
由于一回路主管道是核安全一级设备，它的破裂可能导致核污染泄漏，因此对材料和缺陷的控制要求很高，管道必须一次铸造完成，并进行后续热处理和机加工等，在各环节都要保证组织、性能、尺寸、精度满足要求。
作为现有技术的离心铸造工艺无法满足上述要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种百万千瓦级核电厂主管道的离心铸造工艺，通过对工艺参数和过程的严格控制，制造出满足要求的百万千瓦级核电站用主管道。
本发明的技术方案如下：
一种百万千瓦级核电厂主管道的离心铸造工艺，其特征在于按照以下步骤进行：
(一)、冶炼
钢水出炉温度控制在1640±10℃；
(二)、型筒涂布
1)、喷涂前将型筒预热到225±25℃，并恒温1-3小时；
2)、喷涂压力：0.5Mpa～1.0Mpa，喷涂过程中保持型筒温度在200℃～250℃范围以内；喷涂次数5次～10次，涂层厚度要求4±0.3mm；
3)、涂后烘烤至型筒温度≥280℃，进行下一步的浇注；
(三)、浇注
离心浇注在卧式离心浇注机上进行，离心铸管成型的模具为内壁经过第(二)步型筒涂布的锻造合金钢型筒；
所用钢水在钢包中的温度控制在1570±10℃，镇静时间不少于4min，型筒转速控制在800r/min～870r/min，浇注速度≥100kg/s；
浇注完毕后水冷却至300℃以下，脱模；
离心铸管的毛坯管壁厚100mm；
(四)、热处理
首先进行第一次热处理：装炉温度为室温，前期提温到800～900℃，前期提温速度不高于50℃/h；后期提温到1150℃，后期提温速度不高于150℃/h；温度在炉内的波动范围要求：1150±15℃，保温6小时以上，淬火；然后进行第二次热处理：将台车式固溶热处理炉炉温预热至接近500℃，装炉进行第二次热处理。前期提温到800～900℃，前期提温速度不高于50℃/h；后期提温到1150℃，后期提温速度不高于150℃/h，温度在炉内的波动范围要求：1150±15℃，保温6小时以上，淬火。
本发明的积极效果在于：
根据本发明方法制备的直管冲击值为标准值的3.4倍。拉伸屈服强度、抗拉强度、断面收缩率均有较大余量，尤其是断面收缩率提高60～70％。铁素体含量符合标准要求，铁素体在组织中分布均匀。经金相分析符合组织上的要求。晶间腐蚀试验表明，直管的耐蚀能力满足设计要求。无损检验表明，其内部组织满足要求。
关于型筒内涂料及其涂布工艺：
针对核岛主管道，采用锆英粉——石英粉为基本的涂料，其高温强度好、易剥离，在悬浮剂与结合剂的选用上充分考虑了涂布性、溃散性及发气性。
通过采用本发明的涂料及其涂布方法，涂层既达到一定的绝热效果，又有一定的导热性，这种平衡对于调节管坯的凝固特性非常重要。
对涂料涂布后的烘烤温度与时间进行了筛选，形成一定的高温强度，能够有效防止因涂料被冲刷形成夹杂物。
关于离心浇注：
离心铸管的毛坯管壁厚100mm，厚壁的离心铸管易在内壁出现疏松，其原因是铸件由外向内和由内向外的双向凝固和G值小造成。在凝固的初始阶段，铸件由外向内快速凝固，但随着型筒温度的升高，温度梯度减小，凝固速度也减小；由于厚壁，钢水量多，凝固时间长，铸件内表面直接与空气接触会造成由内向外的凝固现象，在内表某一深度出现疏松。为此，本发明设计型筒时适当加厚了型筒壁厚，以提高型筒冷却能力；提高转速用较大的重力加速度值，使内表凝固层破碎。
浇注过程控制：浇注时采用快速浇注、强制水冷，以细化结晶组织并提高设备运转的安全性。
毛坯尺寸：考虑到厚壁离心铸管外壁涂料层的影响，外壁留有了足够的加工余量；内壁由于夹杂物的聚集以及疏松层的存在，亦留出了足够的加工余量。
关于热处理：
热处理是调整材料性能的必要手段。通过热处理工艺调整，使不锈钢具有最佳的综合性能。固溶处理可以减少铸管中的成分偏析，防止碳化物、氮化物及有害二次相的析出，调整组织分布。固溶后采用快速水冷。
本发明中，加温速度，保温时间，以及温度在炉内的均匀程度均是关键指标。首先，热处理的恒温时间必须是铸件的内外壁基本等温且达到温度目标值时开始计算；其次，保温时间与壁厚成一定的函数关系；最后，严格控制出炉至入水淬火之间的转运时间，尽量减少温度损失。
附图说明
图1是本发明所制备直管的显微金相图。
图2是本发明所制备直管弯曲后的试样图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步说明本发明。
以下是本发明离心铸造工艺的具体实施例。
一、冶炼
冶炼采用5t电弧炉+15t电弧炉+AOD炉，或者用15t电弧炉+AOD炉。
1、采用5t电弧炉+15t电弧炉+AOD炉冶炼时，
(1)、当5t电弧炉向15t电弧炉提供低磷钢水时，5t电弧炉采用氧化法冶炼，5t电弧炉使用纯铁、废钢管头和碳块等原料，保证入15t电弧炉成分符合相关要求，其中P≤0.003％；
(2)、当采用5t电弧炉向AOD炉提供钢水时，5t电弧炉配料重量按AOD炉入炉钢水总重量的20％～50％计算，采用装入法冶炼；15t电弧炉配料总重量按AOD炉入炉钢水总重量的50％～70％计算，钢铁料使用返回钢、纯铁(P≤0.005％)或低磷钢水(P≤0.003％)等，杂质含量应符合要求，采用装入法或氧化法冶炼。确保AOD炉入炉钢水化学成分符合相关要求，其中P≤0.025％；
2、采用15t电弧炉+AOD炉冶炼时，
配料总重量按AOD炉入炉钢水总重量的100％计算，采用装入法冶炼。确保AOD炉入炉钢水化学成分符合相关要求，其中P≤0.025％(其中15t电弧炉装入低磷钢水)。
工艺要求：
5t电弧炉化料工艺：当向AOD炉中供铬镍钢水时，炉料由电弧炉返回钢、纯铁、合金料组成，装炉前，炉底垫适量石灰、萤石，料罐装料，铬铁应装在炉体周边，采用装入法冶炼；当向15t电弧炉供预脱磷钢水时，炉料由优质钢铁料、碎电极组成，采用氧化法冶炼。
15t电弧炉化料工艺：装炉前，炉底垫石灰及萤石，用料罐装料，Ni板应装在炉体周边，以利于去氢，如配入铬铁或高铬镍返回钢，应在还原期加人，前期允许用低磷钢水代替钢铁料入炉。
AOD炉中精炼工艺：钢水入炉前炉底垫适量石灰；入炉后测温，取光谱样，开始吹炼；根据成分回报及入炉钢水重量调整成分，补加合金料及渣料，视温度情况分批加入；成分符合要求后，出钢，钢水出炉温度控制在1640±10℃。
二、型筒涂布及离心浇注：
(一)、型筒涂料及涂布工艺
1、型筒涂料的制备工艺：
第一步：制备锆英粉涂料：
首先按照60kg水配7立方分米膨润土粉的比例，将水和膨润土粉混匀，制成锆英粉涂料用膨润浆，并静置24-48小时，然后按照每5kg锆英粉配1升锆英粉涂料用膨润浆的比例将该锆英粉涂料用膨润浆与锆英粉混合均匀，制成锆英粉涂料备用。
第二步：制备石英粉涂料：首先按照20kg水配2.5立方分米膨润土粉和3.5升水玻璃的比例，将水和膨润土粉、水玻璃混匀，制成石英粉涂料用膨润浆，并静置24-48小时，然后按照每10kg石英粉配1升石英粉涂料用膨润浆的比例将该石英粉涂料用膨润浆与石英粉混合均匀，制成石英粉涂料备用。
第三步：制备型筒涂料：锆英粉涂料与石英粉涂料按照1∶1的体积比混合均匀制成型筒涂料。要求72小时以内用完。
所用的膨润土粉产于河南信阳丰翔矿产品厂，密度为2.5g/cm3，膨胀倍数22-36。
2、型筒涂布工艺：
1)、喷涂前将型筒预热到225±25℃，并恒温1-3小时；
2)、喷涂压力：0.5Mpa～1.0Mpa，喷涂过程中保持型筒温度在200℃～250℃范围以内；喷涂次数5次～10次，涂层厚度要求4±0.3mm；
3)、涂后烘烤至型筒温度≥280℃并进保温1小时～2小时，进行下一步的浇注。
(二)、浇注工艺
离心浇注在卧式离心浇注机上进行，离心铸管成型的模具为内壁经过上述型筒涂料涂布的锻造合金钢型筒。
钢水出炉温度控制在1640±10℃，钢水在钢包中的温度控制在1570±10℃，镇静时间不少于4min，型筒转速控制在800r/min～870r/min，浇注速度≥100kg/s。
浇注时间100～200秒，先快后慢。待铸件凝固收缩和型筒温度增高引起的膨胀、型筒与铸件之间出现较大间隙时，降低转速1/3，停机后冷却至300℃以下，便可脱模。
离心铸管的毛坯管壁厚100mm。
浇注时采用快速浇注、强制水冷，以细化结晶组织并提高设备运转的安全性。
浇注工艺参数如表1所示。
表1浇注工艺参数
毛坯尺寸：厚壁离心铸管外壁由于有涂料层的影响，应留有足够的加工余量；内壁由于夹杂物的聚集以及疏松层的存在，亦应留出足够的加工余量。外壁加工余量10～20mm；内壁加工余量20～25mm。
三、热处理：
本发明采用的是台式炉，直管平放与台车上面，为防止其热处理时的变形，设计了特殊的垫块，将直管置于其上，能够在受热时各部位均匀、自由膨胀。
由于固溶加热后的离心直管较软，为防止变形，采用双钩龙门式吊具，双钩分别从两头插入管内，起吊后自动倾斜至45°，呈45°进入淬火水槽。
热处理设备为台车式固溶热处理炉：炉膛尺寸10m×2.74m×2m，配有9个测温热电偶，最高炉温1250℃，温度均匀性±10℃；固溶处理水槽尺寸为14m×3.5m×7.7m，强制循环水冷。
热处理是调整材料性能的必要手段。通过热处理工艺调整，使不锈钢具有最佳的综合性能。固溶处理可以减少铸管中的成分偏析，防止碳化物、氮化物及有害二次相的析出，调整组织分布。固溶后采用快速水冷。
具体的热处理工艺如下。
1、第一次热处理
装炉温度为室温，前期提温速度不高于50℃/h，前期提温到800～900℃；后期提温到1150℃，后期提温速度不高于150℃/h，温度在炉内的波动范围要求：1150±15℃。保温时间6小时以上。
然后，淬火。
2、第二次热处理
将台车式固溶热处理炉炉温预热至接近500℃，装炉进行第二次热处理。前期提温速度不高于50℃/h，前期提温到800～900℃；后期提温到1150℃，后期提温速度不高于150℃/h，温度在炉内的波动范围要求：1150±15℃。保温时间6小时以上。
然后，淬火。
首先，热处理的保温时间必须是铸件的内外壁基本等温且达到温度目标值时开始计算；其次，保温时间与壁厚成一定的函数关系；最后，我们严格控制出炉至入水淬火之间的转运时间，尽量减少温度损失。
四、性能检测
包括硬度、常温拉伸、高温拉伸、冲击性能、成分铁素体含量测定。各项测定均依据相关标准进行。并进行金相分析、晶间腐蚀分析和无损检测。
以下是测试分析结果。
利用本发明实施例的方法制备了27.5″直管，材质为Z3CN20-09M。以下是对该直管的测试结果：
(一)、主要技术参数如表2所示
表2 27.5″直管主要技术参数
断面收缩率(％)：要求值≥35，实测值为60。
(二)、化学成分如表3所示
表3 27.5″直管的化学成分(％，余量为Fe)
(三)、对测试结果的分析
直管冲击值平均为272.3J，为标准值(80J)的3.4倍。
室温拉伸：屈服强度为250MPa和290MPa(标准≥210MPa)，抗拉强度为530MPa和550MPa(标准≥480MPa)，断面收缩率为60％和57％(标准≥35％)，均有较大余量，尤其是断面收缩率提高60～70％。
高温拉伸：屈服强度比标准高22～37％，抗拉强度比标准高28％。从以上数据分析可以看出，离心浇注直管在离心力的作用下结晶，性能指标有较大富余量；弯管的室温强度指数余量较小，与该材质铸件组织粗大有关。在铸造工艺的设计及微合金化上应尤为注意。
铁素体含量测定：按成分计算，铁素体含量略有偏高，但实际上由于微量N的影响，实际含量应为12.2％和10.2％。
(四)、金相分析
直管横低倍：通过照片可以看出，无缺陷，整个断面以等轴状的树枝晶结晶区为主，无明显的柱状晶。
直管高倍(倍数100)：夹杂物细小、分散，数量很少，呈点状或球状分布。
枝晶组织相互交错，枝晶宽度0.05～0.1mm，长0.2～0.3mm，分布均匀。
铁素体大部分分布在奥氏体枝晶之间，呈条型树枝状，宽度小于0.03mm，无粗大块状铁素体，在奥氏体内部有细小的铁素体析出。
上述组织表明，在离心管的结晶过程中，由于结晶速度快，独立的大块初生铁素体的析出受到抑制，铁素体与奥氏体共同呈胞状析出。
奥氏体中的Cr、Si呈过饱和状态，在热处理中部分铁素体在奥氏体晶内呈点状及断续细条状析出。
直管的显微金相如图1所示。由图1可以看出，铁素体在组织中分布均匀，符合组织上的要求。
(五)、晶间腐蚀
试样的敏化处理为：加热至700±10℃，保温30分钟后慢冷。
经声响试验声音清脆，弯曲试验未见裂纹。弯曲后直管试样如图2所示。
晶间腐蚀试验表明，直管的耐蚀能力满足设计要求。
(六)、无损检验
(1)、渗透检验：经100％内外表面渗透检测未出现不可接受缺陷。
(2)、射线检验：射线检测直管拍片数240张、弯头154张未发现不可接受缺陷。
(3)、超声检验：经表面100％超声检测，未出现大于50％的距离—幅度曲线的信号。
对直管、弯头的无损检验表明，其内部组织满足要求。
Claims (3)
1.一种百万千瓦级核电厂主管道的离心铸造工艺，其特征在于按照以下步骤进行：
(一)、冶炼
钢水出炉温度控制在1640±10℃；
(二)、型筒涂布
1)、喷涂前将型筒预热到225±25℃，并恒温1-3小时；
2)、喷涂压力：0.5Mpa～1.0Mpa，喷涂过程中保持型筒温度在200℃～250℃范围以内；喷涂次数5次～10次，涂层厚度要求4±0.3mm；
3)、涂后烘烤至型筒温度≥280℃并进保温1小时～2小时，进行下一步的浇注；
(三)、浇注
离心浇注在卧式离心浇注机上进行，离心铸管成型的模具为内壁经过第(二)步型筒涂布的锻造合金钢型筒；
所用钢水在钢包中的温度控制在1570±10℃，镇静时间不少于4min，型筒转速控制在800r/min～870r/min，浇注速度≥100kg/s；
浇注完毕后水冷却至300℃以下，脱模；
离心铸管的毛坯管壁厚100mm；
(四)、热处理
首先进行第一次热处理：装炉温度为室温，前期提温到800～900℃，前期提温速度不高于50℃/h；后期提温到1150℃，后期提温速度不高于150℃/h；温度在炉内的波动范围要求：1150±15℃，保温6小时以上，淬火；然后进行第二次热处理：将台车式固溶热处理炉炉温预热至接近500℃，装炉进行第二次热处理。前期提温到800～900℃，前期提温速度不高于50℃/h；后期提温到1150℃，后期提温速度不高于150℃/h，温度在炉内的波动范围要求：1150±15℃，保温6小时以上，淬火。
2.如权利要求1所述的百万千瓦级核电厂主管道的离心铸造工艺，其特征在于：所述的冶炼采用5t电弧炉+15t电弧炉+AOD炉，或者用15t电弧炉+AOD炉；
采用5t电弧炉+15t电弧炉+AOD炉冶炼时，(1)、当5t电弧炉向15t电弧炉提供低磷钢水时，5t电弧炉采用氧化法冶炼，并保证入15t电弧炉成分符合P≤0.003％的要求；(2)、当采用5t电弧炉向AOD炉提供钢水时，5t电弧炉配料重量按AOD炉入炉钢水总重量的20％～50％计算，采用装入法冶炼；15t电弧炉配料总重量按AOD炉入炉钢水总重量的50％～70％计算，采用装入法或氧化法冶炼，并确保AOD炉入炉钢水化学成分符合P≤0.025％的要求；
采用15t电弧炉+AOD炉冶炼时，配料总重量按AOD炉入炉钢水总重量的100％计算，采用装入法冶炼，并确保AOD炉入炉钢水化学成分符合P≤0.025％的要求。
3.如权利要求1或2所述的百万千瓦级核电厂主管道的离心铸造工艺，其特征在于型筒涂布所用的型筒涂料按照以下步骤制备：
第一步：制备锆英粉涂料：首先按照60kg水配7立方分米膨润土粉的比例，将水和膨润土粉混匀，制成锆英粉涂料用膨润浆，并静置24-48小时，然后按照每5kg锆英粉配1升锆英粉涂料用膨润浆的比例将该锆英粉涂料用膨润浆与锆英粉混合均匀，制成锆英粉涂料备用；
第二步：制备石英粉涂料：首先按照20kg水配2.5立方分米膨润土粉和3.5升水玻璃的比例，将水和膨润土粉、水玻璃混匀，制成石英粉涂料用膨润浆，并静置24-48小时，然后按照每10kg石英粉配1升石英粉涂料用膨润浆的比例将该石英粉涂料用膨润浆与石英粉混合均匀，制成石英粉涂料备用；
第三步：制备型筒涂料：锆英粉涂料与石英粉涂料按照1∶1的体积比混合均匀制成型筒涂料。
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