CN102732751B - 核电站蒸汽发生器用抗振合金材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种核电站蒸汽发生器用抗振合金材料，用于制造核电站蒸汽发生器用抗振条、保持环和保持条材料，按重量百分比计算，所含成分：C：0.015～0.030%；Si：0.05～0.5%；Mn：0.05～0.50%；P：≤0.015%；S：≤0.010%；Cr：28.0～31.0%；Ni：58.0～63%；Cu：0.001～0.20%；Ti：0.005～0.5%；Al：0.005～0.5%；Fe：7.0～11.0%；Re：0.01～1.0%;Nb:0.001～0.10%；Mo：0.001～0.10%;余量为不可避免的杂质；其制备方法包括A、按抗振合金材料所含成分的重量百分比进行原料配制：B、将按前述配制的原料表面清洁干燥后，按熔炼顺序装入真空冶炼炉中进行高真空冶炼；C、电渣重熔精炼；D、锻造；E、热轧；F、真空固溶热处理，G、棒材表面加工；H、采用多道次的拉拔→退火→拉拔→线切割，得到抗振材料成品，本发明成分设计合理、制造工艺先进。
Description
技术领域
本发明涉及一种新材料技术领域的抗振材料，特别是核电站蒸汽发生器抗振合金材料及其制备方法，该抗振合金材料能够用于制造核电站蒸汽发生器抗振条、保持环和保持条材料。
背景技术
AP1000是美国西屋公司开发的第三代百万千瓦级先进压水堆核电机组。 AP1000区别于二代加CPR1000压水堆核电机组的主要特点就是“非能动”的安全系统。“非能动”设计概念就是利用固有的热工水力特性，简化安全系统的设计，使核电站保证安全的措施不再依赖泵、风机等能动设备的运行，从而大幅度地减少了安全级的阀、泵、电缆及抗震厂房；取消了1E级应急柴油发电机系统；减少了大部分安全级能动设备；降低了大宗材料用量；系统简化使设计简化、工艺布置简化、施工量减少、运行及维修量也相应减少。设计中采用的非能动的严重事故预防和缓解措施使安全性能得到提高，同时也提高了机组和经济性。核电蒸发器抗振条和保持环是用于固定蒸发器关键部件U型管，工作在高温高压且振动的环境下，因此对合金抗振材料的要求相当的严格。目前此类关键材料主要依赖进口，本发明以GH690为基础，通过高温力学性能测试，实现成分的优化，确立最佳的变形热处理工艺，研究开发出新型核电蒸发器用抗振合金材料，使其达到国际先进核电蒸发器用抗振合金材料的各项性能指标；以新型核电蒸发器用抗振合金材料为基制造出耐蚀抗振用核电产品，使其性能达到第三代、第四代核能系统的关键配套材料的性能要求。核电站运行经验表明，传热管是回路系统压力边界中最关键也是最薄弱的环节．一旦传热管振动破坏，就得更换蒸汽发生器，这势必造成人力、财力和时间的巨大浪费，也增加了检修人员受放射性辐照的危险。因此，解决蒸汽发生器破管事故是关系到核电站的安全性以及使核电站具有竞争力和生命力的关键问题。本发明研制的该防振条产品的材料能够有效的解决此类问题，该产品符合国家的产业政策，是国家鼓励发展的新型特种合金材料，对缩小与先进国家差距，实现核电设备的国产化起了很好的带动作用，目前我国用于制造抗振条的材料仍依赖进口，因此研发制造具有优良的耐腐蚀性、抗疲劳、抗蠕变性及可加工性的抗振合金材料，降低成本以替代进口，减少蒸汽发生器故障的发生，对有效提高核电站的经济性和安全可靠性具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的是克服现有抗振合金材料技术中的不足，提供一种核电站蒸汽发生器用抗振合金材料及其制备方法，该抗振合金材料用于制造核电站蒸汽发生器用抗振条、保持环和保持条材料，该材料价格低、成分设计合理、制造工艺先进，具有优良的耐腐蚀性、抗疲劳、抗蠕变性及可加工性能，使其达到国际先进核电站蒸汽发生器用抗振合金材料的各项性能指标，其抗拉强度：635MPa，屈服强度：315 MPa，伸长率A为45%。
为了实现上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：一种核电站蒸汽发生器用抗振合金材料，按重量百分比计算，所含成分如下： C：0.015～0.030%； Si：0.05～0.5%； Mn：0.05～0.50%；P：≤0.015%； S：≤0.010%； Cr：28.0～31.0%；Ni：58.0～63%； Cu：0.001～0.20%； Ti： 0.005～0.5%；Al：0.005～0.5%； Fe：7.0～11.0%；Re：0.01～1.0%; Nb:0.001～0.10%； Mo：0.001～0.10%; 余量为不可避免的杂质。
其中所述Si 、Mn 、Cr 、Ni、Nb、Mo、Cu、Ti、Al、 Fe的纯度大于99%， 所述稀土Re为混合稀土金属，其纯度大于99%，块状60*100mm。
一种核电站蒸汽发生器用抗振合金材料的制备方法，包括如下步骤：
A、按抗振合金材料所含成分的重量百分比计算进行原料配制： C：0.015～0.030%； Si：0.05～-0.5% ； Mn：0.05～-0.50%；P：≤0.015%； S：≤0.010%； Cr：28.0～-31.0%；Ni：58.0～63%； Cu：0.001～0.20%； Ti： 0.005～0.5%；Al：0.005～0.5%； Fe：7.0～11.0%； Re：0.01～1.0%;Nb:0.001～0.10%； Mo：0.001～0.10%; 余量为不可避免的杂质；
B 、将前述配制的原料表面清洁干燥后，按熔炼顺序C- Fe- Ni- Cr- Si- Mn- Cu- AL- Ti-Re装入真空冶炼炉中进行高真空冶炼；精炼温度：1480℃～1580℃，精炼时间大于50分钟；其中真空熔炼加料顺序： C- Fe- Ni- Cr- Si- Mn- Cu- AL- Ti，混合稀土金属Re在出钢前5-8分钟内一次性加入钢液中充分搅拌均匀，同时根据加入微量的Nb、Mo进行终脱氧;其他元素为带入残余物质不需要添加。
C、电渣重熔精炼，精炼温度：1480℃～1580℃、熔炼电压：50～55V；熔炼电流4500～5000A；
D、锻造，经过电渣重熔后的钢锭加热温度：1150℃～1180℃；开锻温度≥1150℃，终锻温度≥950℃；
E、热轧，经过锻造加工后有钢坯加热温度1150℃～1180℃；热轧温度≥1150℃；终轧温度≥950℃；
F、特殊热处理过程：真空固溶热处理，固溶温度：1010℃～1090℃，加真空回火：704℃～732℃，保温8～10小时；热处理保温期间的温度偏差不得超过±10℃；
G、棒材，热轧加工后的棒材表面通过机加工、磨削去除表面层至少0.80mm的厚度；
H、采用多道次的拉拔→退火→拉拔→线切割，得到抗振合金材料成品。
其中所述拉拔采用直线式拉拔机单车进行；所述退火：退火温度：1010℃～1090℃；所述线切割采用机械慢速线切割按图纸进行。
本发明制备方法主要技术特点是：采用纯金属进行作为原材料并对材料进行特殊处理以提高材料的纯净度，再采用真空精炼炉冶炼，使得脱气、脱氧及有害杂质的充分去除，再经保护氛下电渣精炼，使钢液洁净，混合稀土金属在真空冶炼过程中加入进一步提高抗振合金材料质量和力学性能，拉拔过程的中间退火，拉拔采用单车慢速进行，以减少磨擦时所产生的热量积聚。最后采用线切割按图纸技术要求得到最终抗振合金材料产品。
最终得到其抗拉强度为635MPa，屈服强度可达315 MPa，伸长率A为45%的抗振合金材料。
本发明核电站蒸汽发生器抗振合金材料所设计成分的原理如下：
C：非常有效的硬化和固溶强化组元，稳定马氏体结构，保证强度。但常常作为裂纹源出现，如含量过高容易形成脆硬组织而引发延迟裂纹，其成分重量%限制在 0.015～0.03%；
Mn：脱氧和脱硫作用，确保抗氧化性的重要元素，不足0.01%不能得到充分脱氧，超过0.5%强度降低，其成分重量%限制在0.05～0.50%；
Si：脱氧、提高屈服强度、耐高温腐蚀性，不足0.01%，不能得到充分抗氧化性，超过0.50%韧性降低，其成分重量%限制在0.05～0.50% ；
Ni：提高材料韧性，对强度的提高也有贡献，其成分重量%限制在58.0～63%；
Cr：确保抗氧化性、耐高温腐蚀性、提高高温强度不可缺少的元素，含量过低，不能显现效果，含量过高，强度和韧性显著降低，其成分重量%限制在 28.0～31.0%；
Cu：在材料中提高对非氧化性酸的耐蚀性，其成分重量%限制在0.001～0.20%；
AL：作为脱氧剂而被添加，其成分重量%限制在0.05～0.5%；
Ti：在材料中提高抗腐蚀性能，其成分重量%限制在0.05～0.5%；
S、 P：是材料中不可避免的有害杂质元素，其含量越低越好，其成分重量%, P：≤0.015%；S：≤0.01%；
混合稀土金属Re与Cr、Si的复合作用下具有良好的抗氧化性，稀土是强还原性元素，稀土与硫有很大的亲和力，在溶池中不仅具有脱氧作用，还具有明显脱硫改善硫化物夹杂的尺寸、形态和分布作用，减少材料中的夹杂物含量，可以改变夹杂物的组成、形态、分布和性质，抑制这些夹杂物在晶界中的偏析，从而改善了材料的各种性能，如韧性、焊接性，本发明中成分重量%限制在0.01-1.0%。
采用本发明所设计的新型核电站蒸汽发生器抗振条合金材料与现有技术相比，具有如下优点：
1．成分设计合理、成本低、使用安全可靠；
2.本抗振合金材料其抗拉强度可达635MPa，屈服强度可达315 MPa，伸长率A为45%，在900℃高温下长期工作具有较高强度与耐腐蚀能力，其高温应力强度稳定；
3．又因加入了微量的稀土元素和采用了特殊的制备工艺，确保材料具有优良的耐腐蚀性、抗疲劳、抗蠕变性及可加工性能；
4．本发明的抗振合金材料可替代进口，确保抗振的性能，有效延长核电站蒸汽发生器的使用寿命，降低成本，显著提高经济效益。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明作进一步详述，以下实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
一种核电站蒸汽发生器用抗振合金材料，按重量百分比计算，所含成分如下： C：0.015～0.030%； Si：0.05～0.5%； Mn：0.05～0.50%；P：≤0.015%； S：≤0.010%； Cr：28.0～31.0%；Ni：58.0～63%； Cu：0.001～0.20%； Ti： 0.005～0.5%；Al：0.005～0.5%； Fe：7.0～11.0%；Re：0.01～1.0%; Nb:0.001～0.10%； Mo：0.001～0.10%; 余量为不可避免的杂质；其中所述Si 、Mn 、Cr 、Ni、Nb、Mo、Cu、Ti、Al、 Fe的纯度大于99%， 所述稀土Re为混合稀土金属，其纯度大于99%，块状60*100mm。
所述一种核电站蒸汽发生器用抗振合金材料的制备方法，包括如下步骤： A、按抗振合金材料所含成分的重量百分比计算进行原料配制： C：0.015～0.030%； Si：0.05～0.5% ； Mn：0.05～0.50%；P：≤0.015%； S： ≤0.010%； Cr：28.0～31.0%；Ni：58.0～63%； Cu：0.001～0.20%； Ti： 0.005～0.5%；Al：0.005～0.5%； Fe：7.0～11.0%； Re：0.01～1.0%;Nb:0.001～0.10%； Mo：0.001～0.10%; 余量为不可避免的杂质；
B 、将前述配制的原料表面清洁干燥后，按熔炼顺序C- Fe- Ni- Cr- Si- Mn- Cu- AL- Ti-Re装入真空冶炼炉中进行高真空冶炼；精炼温度：1480℃～1580℃，精炼时间大于50分钟；其中真空熔炼加料顺序： C- Fe- Ni- Cr- Si- Mn- Cu- AL- Ti，混合稀土金属Re在出钢前5～8分钟内一次性加入钢液中充分搅拌均匀，同时根据加入微量的Nb、Mo进行终脱氧;其他元素为带入残余物质不需要添加。
C、电渣重熔精炼，精炼温度：1480℃～1580℃、熔炼电压：50/55V；熔炼电流4500/5000A；
D、锻造，经过电渣重熔后的钢锭加热温度：1150℃ ～1180℃；开锻温度≥1150℃，终锻温度≥950℃；
E、热轧，经过锻造加工后有钢坯加热温度1150℃～1180℃；热轧温度≥1150℃；终轧温度≥950℃；
F、特殊热处理过程：真空固溶热处理，固溶温度：1010℃～1090℃，加真空回火：704℃～732℃，保温8～10小时；热处理保温期间的温度偏差不得超过±10℃；
G、棒材，热轧加工后的棒材表面通过机加工、磨削去除表面层至少0.80mm的厚度；
H、采用多道次的拉拔→退火→拉拔→线切割，得到抗振合金材料成品；其中所述拉拔采用直线式拉拔机单车进行；所述退火：退火温度：1010℃～1090℃；所述线切割采用机械慢速线切割按图纸进行。
本发明的一种核电站蒸汽发生器抗振合金材料制备了6炉实施例，实施例1～6炉抗振合金材料所含成分及含量按重量%计算，如下：
第一炉：C：0.020%，Si：0.25%，Mn：0.25%，P：0.012%，S：0.006%，Cr：28.3%，Ni：61.95%， Cu：0.03%， Ti：0.15%, Al：0.25% Fe：8.5%, Nb:0.005，Mo:0.003，Re：0.03%。
第二炉：C：0.022%，Si：0.15%，Mn：0.21%，P：0.010%，S：0.006%，Cr：28.4%，Ni：61.85%， Cu：0.03%， Ti：0.15%, Al：0.25% Fe：8.5%, Nb:0.005，Mo:0.002，Re：0.07%。
第三炉：C：0.021%，Si：0.19%，Mn：0.31%，P：0.011%，S：0.007%，Cr：28.9%，Ni：61.35%， Cu：0.03%， Ti：0.15%, Al：0.25% Fe：8.5%, Nb:0.005，Mo:0.003，Re：0.06%。
第四炉：C：0.027%，Si：0.21%，Mn：0.34%，P：0.009%，S：0.006%，Cr：29.2%，Ni：60.95%， Cu：0.03%， Ti：0.15%, Al：0.25% Fe：8.5%, Nb:0.005，Mo:0.002，Re：0.04%。
第五炉：C：0.021%，Si：0.23%，Mn：0.36%，P：0.009%，S：0.008%，Cr：29.4%，Ni：61.35%， Cu：0.03%， Ti：0.15%, Al：0.25% Fe：8.5%, Nb:0.005，Mo:0.004，Re：0.05%。
第六炉：C：0.023%，Si：0.31%，Mn：0.20%，P：0.008%，S：0.007%，Cr：29.6%，Ni：60.75%， Cu：0.03%， Ti：0.15%, Al：0.25% Fe：8.5%, Nb:0.005，Mo:0.002，Re：0.04%。
上述六炉实施例其制备方法为：选用纯金属，按照本发明六炉实施例设计成分配料，真空精炼炉冶炼，精炼温度：1550℃，精炼时间大于50分钟；→电渣精炼，精炼温度：1555℃、熔炼电压：50/55V；熔炼电流4500/5000A→锻造，钢锭加热温度1165℃，开锻温度：1150℃，终锻温度：950℃→热轧，钢坯加热温度1165℃，开轧温度：1150℃、终轧温度：950℃→真空固溶热处理，固溶温度1075℃，加真空回火725℃，保温8～10小时；热处理保温期间的温度偏差不得超过±10℃。→多道次（拉拔-退火-拉拔）中间退火采用1045℃退火，拉拔采用单车慢速（速度 10米/分钟）进行。
根据用户需求，
1） 抗振合金材料直线式拉拔道次：Φ20*28-19*26-18*25-16*24-线切割成12*22。
2） 保持环拉拔道次:Φ16-14.5*14.5-13*13-12*12-11*11-10*10
3） 保持条拉拔道次:Φ14-12 *12.8-10*12.5-8*12-6*11.5-5*11-4*10.9
以上实施例所设计、制备的核电站蒸汽发生器抗振合金材料已经由有关部门对其成分、综合力学性能进行了检测、试验，检测报告如下：
一．机械工业材料质量检测中心
材料类别：抗振合金材料。
样品名称：本发明； 样品特征：块样
检测依据和/判定依据：GB/T223.11-2008 GB/T8647.4-2006 ISO 4938-1988
检测数据/结果
C：0.021%，Si：0.19%，Mn：0.31%，P：0.011%，S：0.007%，Cr：28.9%，Ni：61.45%， Cu：0.03%， Ti：0.15%, Al：0.25% Fe：8.5%,Re：0.03%
二．江苏省不锈钢制品质量监督检验中心
材料类别：抗振合金材料；
样品名称：棒料
规格型号：Φ10mm NO 690 （本发明）；
样品数量：1根*300mm；
样品状态：符合检验要求；
检验设备：CMT5305(0.5级)微机控制电子万能试验机；
检验依据：GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》。
检验结果：
| 序号 | 检验项目 | 计量单位 | 检验结果 | |
| 1 | 规定非比例延伸强Rp0.2 | MPa | 315 | |
| 2 | 拉伸强度 Rm | MPa | 635 | |
| 3 | 断后伸长率 A，% | 45 |
三． 东方电气（广州）重型机器有限公司质量理化计量室
材料类别：抗振合金材料，
样品名称：NO 690 （本发明）；
实施例1～6炉，每炉1支，退火，规格：ф10mm，
检验依据：PS-AP1000-SG-018 Rev:A；PS-AP1000～SG-019 Rev:A；
试验温度：室温。
1.力学性能试验
2．金相检验
3.蒸汽发生器用抗振合金材料（本发明）检验评定报告
1）.试件状态：抗振条组件装配之前
2). 检验类型：化学分析、 力学性能、超声波探伤、热处理、目视检查、尺寸检查。
检验结果：合格。
1.目视检查、尺寸检查、角度和平面度检查。结果：合格。
2.熔炼分析，结果：合格。
1).超声波探伤(热轧漂白后),结果：无缺陷。
2).热处理。结果：合格。
3).机械性能检测分析(热处理酸洗后)。结果：合格。
4)．产品分析。结果：合格。
评定结果：根据抗振条试制件评定情况分析，上述抗振合金材制成的抗振条满足蒸汽发生器用抗振条的各项要求，产品的制造工艺优化稳定。
通过以上的实施例及力学性能检测，本发明所设计的核电站蒸汽发生器用抗振合金材料具有成分设计合理、成本低、制造工艺稳定，具有优良的耐腐蚀性、抗疲劳、抗蠕变性及可加工性能，确保使用安全可靠。对提高生产效率，有效延长核电站蒸汽发生器的使用寿命，降低生产成本及核电装备国产化具有十分重要的经济意义。
Claims (2)
1.一种核电站蒸汽发生器用抗振合金材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
A、按抗振合金材料所含成分的重量百分比计算进行原料配制：
C：0.020～0.030%； Si：0.05～0.25% ； Mn：0.05～0.31%；P：≤0.015%； S： ≤0.010%； Cr：28.0～31.0%；Ni：58.0～63%； Cu：0.001～0.20%； Ti： 0.005～0.15%；Al：0.25～0.5%； Fe：7.0～11.0%； RE：0.01～1.0%;Nb:0.001～0.10%； Mo：0.001～0.003%; 余量为不可避免的杂质；
B 、将前述配制的原料表面清洁干燥后，按熔炼顺序C- Fe- Ni- Cr- Si- Mn- Cu- Al- Ti-RE装入真空冶炼炉中进行高真空冶炼；精炼温度：1480℃～1580℃，精炼时间大于50分钟；其中真空熔炼加料顺序： C- Fe- Ni- Cr- Si- Mn- Cu- Al- Ti，混合稀土金属RE在出钢前5～8分钟内一次性加入钢液中充分搅拌均匀，同时根据加入微量的Nb、Mo进行终脱氧;其他元素为带入残余物质不需要添加；
C、电渣重熔精炼，精炼温度：1480℃～1580℃、熔炼电压：50/55V；熔炼电流4500/5000A；
D、锻造，经过电渣重熔后的钢锭加热温度：1150℃ ～1180℃；开锻温度≥1150℃，终锻温度≥950℃；
E、热轧，经过锻造加工后有钢坯加热温度1150℃～1180℃；热轧温度≥1150℃；终轧温度≥950℃；
F、特殊热处理过程：真空固溶热处理，固溶温度：1075℃～1090℃，加真空回火：725℃～732℃，保温8～10小时；热处理保温期间的温度偏差不得超过±10℃；
G、棒材，热轧加工后的棒材表面通过机加工、磨削去除表面层至少0.80mm的厚度；
H、采用多道次的拉拔→退火→拉拔→线切割，得到抗振材料成品。
2.根据权利要求1所述的一种核电站蒸汽发生器用抗振合金材料的制备方法，其特征在于：其中所述拉拔采用直线式拉拔机单车进行；所述退火温度：1010℃～1090℃；所述线切割采用机械慢速线切割按图纸进行。
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