CN103025455B - 用于制造双材料套管的方法和装置以及所制造的套管 - Google Patents

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Abstract

一种制造双材料套管的方法，所述双材料套管由互相结合的环形外套管（17）和环形内套管（18）构成；在由第一锭模的壁和与第一锭模壁同心的第二锭模的可向上移动的外壁（8）形成的浇铸空间（7）中执行外套管（17）的下铸；提升第二锭模的所述可移动壁（8），以暴露贴靠外套管凝固的外套管（17）的表皮；在由所述表皮和所述第二锭模的固定内壁（9）形成的浇铸空间中执行下铸和内套管的凝固，通过所述套管之间的扩散实现二个套管的结合；并且还进行所述结合的套管的锻造和/或加工。使用该方法的装置和这样形成的套管。

Description

用于制造双材料套管的方法和装置以及所制造的套管
技术领域
本发明涉及冶金领域，更特别地涉及制造双材料套管，即二种互相连在一起的不同材料形成的环形同心部分形成的零件。
背景技术
与使用高压反应器有关的工业，如核能和石化工业，使用这种套管作为反应容器或增压器的组成部分。可以通过结合二个开始时分开并通过某种方法制造的套管或者通过结合套管和设于套管表面的带制造这些套管。例如外套管可以是16MND5型低碳钢，内套管是初始形状为带的304L型奥氏体不锈钢。
碳钢外套管可以通过锻造得到，如已经描述的，不锈钢内套管可以由结合在外套管的内表面的带构成。作为非限定方式，内套管的内径可以在2-9米之间，其高度可以在2-5米之间，套管的外套管厚度大约为50mm-600mm，内套管厚度为5mm-100mm。
该方法的实施比较简单，但不是最佳方法，因为它需要的实施时间较长。对于具有上述尺寸的反应堆芯的套管，结合部的结合和质量控制需要5-10周，持续时间根据套管的内部尺寸和希望的结合层的厚度而变化。必须非常仔细地检验结合质量，并且结合质量取决于使用的检测标准。
发明内容
本发明的目的是提出一种具有较高生产率和出色可靠性的双材料套管。
为此，本发明的目标是一种制造互相结合的环形外套管和环形内套管构成的双材料套管，二个套管的材料不同，其特征在于：
-在由浇铸基部、位于浇铸基部的第一锭模的壁和位于所述基部并与第一锭模同心的第二锭模的可以向上移动的外壁形成的浇铸空间执行外套管的下铸和凝固；
-提升所述第二锭模的可移动外壁，以便暴露外套管的贴靠可移动外壁凝固的表皮；
-在由预先贴靠第二锭模的可移动外壁凝固的所述外套管的表皮和所述第二锭模的固定内壁形成的浇铸空间中执行内套管的下铸和凝固，通过凝固时互相接触的套管的表面之间的材料扩散进行二个套管的结合；
-可能还要进行所述结合的套管形成的组件的锻造和/或加工。
当外套管凝固完成时，可以提升所述第二锭模的外壁。
可以在完成外套管的浇铸而它的凝固还没有完成时开始提升第二锭模的所述外壁。
可以在外套管的浇铸还未完成时开始提升第二锭模的所述外壁。
可以进行外套管与第二锭模的外壁之间的界面润滑。
可以进行第二锭模的内壁的强制冷却。
外套管可以由碳钢形成，内套管可以由不锈钢形成。
本发明的目标还在于一种制造由互相结合的环形外套管和环形内套管构成的双材料套管的装置，二个套管由不同材料形成，其特征在于包括：
–下铸基部；
–设在所述基部的用于构成外套管材料的液态金属的进入通道和它的排出通道，所述排出通道通向由基部上表面、第一锭模内壁和第二锭模外壁形成的第一浇铸空间；
–设在所述基部的用于构成内套管材料的液态金属的进入通道和它的排出通道，所述排出通道通向由基部上表面、第二锭模的所述外壁和第二锭模的内壁形成的第二浇铸空间；
–沿竖直方向提升第二锭模的所述内壁的部件，该部件可以暴露外套管的凝固内表面，并使其与用于构成内套管的液态金属接触。
可以包括被第二锭模内壁包围且内冷却的芯轴。
所述锭模可以包括冒口。
第二锭模的外壁可以包括对它与用于构成外套管的金属的界面润滑的部件。
本发明的目标还在于一种互相结合的环形外套管和环形内套管构成的双材料套管，二个套管由不同材料形成，其特征在于，通过上述方法得到该双材料套管。
外套管可以由16MND5碳钢形成，内套管可以由304L不锈钢形成。
套管可以是核反应堆或石化反应容器的组成部分。
套管可以是核反应堆增压器的组成部分。
正如已经了解的，本发明旨在相继或几乎同时实现二个空心锭模的凝固，二个锭模的形状和成分与希望得到的双材料套管的二个组成部分的形状和成分对应。构成内套管的铸锭外表面的凝固直接在构成外套管的铸锭内表面上进行，或者相反，并且它们的凝固通过构成套管的材料的结合-扩散或共同凝固而执行。
附图说明
阅读下面参照以下附图进行的描述将更好地了解本发明。
图1示意示出实施本发明方法的设备的正剖面图；
图2示出外套管在凝固过程中的同一设备；
图3示出外套管完全凝固并且内套管在凝固过程中的同一设备。
具体实施方式
图1示出本发明的用于制造双材料套管的装置的示例。作为主要零件，该装置首先包括用于在所示示例中略微锥形的环形铸锭的下铸基部1。在所示示例中，该基部1的中央部分包括基本为圆柱形并且相对于基部1的其它部分突起的底座2。
第一锭模部分地由位于基部1上的柱形金属壁3构成，它的下部夹紧底座2，底座2的上表面构成第一锭模的底部。第一锭模的壁3也可通过流体循环进行外部或内部冷却，或者不冷却。第一锭模3的内表面的作用是保证套管外部的凝固。为此，基部1包括液态金属（例如16MND5低碳钢）的进入通道4，通道4与未出示的铸造浇口连接，即与用于接收从浇铸包底部溢出的液态金属的竖直通道连接，浇铸包中的温度和成分已经经过调节。进入通道4分为多个排出通道（图中可以看见其中二个排出通道5、6），它们通向底座2的上表面，并且可以使液态金属到达第一锭模的壁3在外部形成的环形浇铸空间7的多个位置。
第二锭模由基部1的底座2的上表面、另外二个同心柱形金属壁8、9形成，金属壁8、9之间形成用于浇铸套管内部的环形空间10。为此，基部1包括用于液态金属（例如304L奥氏体不锈钢）的另一进入通道11，该进入通道11与供应上述进入通道4的铸造浇口不同的另一铸造浇口连接。该另一进入通道11最好分为多个排出通道（和进入通道11一样，其中二个排出通道12、13位于附图的剖面平面后部）在附图中用虚线表示。它们通向底座2的上表面，并且可以使液态金属到达第二锭模的壁8、9形成的环形浇铸空间10。
根据本发明，该第二锭模的特点是，分开二个浇铸空间7、10的最外壁8（并因此构成第一锭模的内壁）可以根据控制按照下面将看到的方式竖直移动。受操作者或自动装置控制的未出示的提升部件可保证该活动。第二锭模的最内壁9也是固定的或可拆卸的。
形成第二锭模的最内壁9的冷却系统完善该设备。例如该冷却系统可以是通过循环流体（例如水）而内冷却的芯轴14，如文献FR-A-2 525131、FR-A-2 543 031、FR-A-2 676670、或FR-A-2 676 671描述的。该芯轴14与形成第二锭模的最内壁9接触，以便在使用设备时保证它的冷却和支撑。
所述设备最好在浇铸空间7、10的上部设有冒口15、16，即位于锭模的固定壁上的耐火材料制成的外围零件：
–第一锭模3的内表面；
–以及第二锭模的最内壁9。
这些冒口15、16在液态金属锭浇铸的作用原理是众所周知的，其作用是延迟与之相对区域中的金属的凝固，使得在该区域中尽可能长时间地形成液态金属的储存，这些液态金属将提供给铸锭的轴向部分，以保证铸锭的凝固尽可能均匀。实际上，从锭模的相对壁形成的凝固表皮可能以不规则的方式生长，并以预期的方式局部连接在一起而结束，因此形成一些限制了仍处于液态的金属的“桥”。这些金属凝固时将减小体积，因此留下叫做“缩孔”的真空空间，这具有对金属锭和由此形成的产品的质量形成瑕疵的危险。在本发明要制造的套管的类型的情况下，这些缩孔更加有害，由于套管不能或几乎不能承受以后的塑性变形，这些塑性变形肯定会封闭缩孔。通过冒口保留的液态金属在凝固过程中可以提供给金属锭的中央部分，因此避免形成产生缩孔的桥，或者在其形成后重新熔化。
图2示出碳钢制成的外套管17浇铸和凝固过程中的设备。将液态碳钢通过进入通道4引入到装置中，并且使其深入到由第一锭模3的内壁和第二锭模的外壁8形成的浇铸空间7中。
在图2中，套管17处于凝固过程中，并且贴靠第一锭模的壁形成凝固表皮18。
图3示出正在浇铸和凝固不锈钢内套管过程中的设备。在提升分隔二个浇铸空间7、10的柱形壁8以便暴露外套管7的凝固表皮后，通过进入通道11引入液态不锈钢。液态不锈钢深入到由外套管17和形成第二套管的浇铸空间10的另一壁9形成的浇铸空间10中。后者贴靠被芯轴14冷却的壁9凝固，并且还贴靠外套管17的内表面凝固。在浇铸内套管的时刻选择二种材料（凝固套管17和用于构成环形内套管的液态金属）的温度，使碳钢与不锈钢之间的化学-冶金扩散以明显方式在它们的界面处进行，或者在该界面产生共-凝固。这样就通过结合-扩散或共同凝固现象而得到二个套管的非常好的凝固质量。
不锈钢18完全凝固后，去除第一锭模3和第二锭模的壁9，因此得到所需准备锻造或加工的双材料套管毛坯，以便在可能的热处理后得到最终套管。
有利地，为了便于提升分隔二个浇铸空间7、10的壁8，并且不损伤套管17的表面，可以规定用于与外套管17接触的表面装有润滑部件，例如与连续浇铸钢锭模相似的通向壁表面的注油管道，或者注射加压气体以允许迅速剥离壁8的管道。
已经描述了为了浇铸不锈钢内套管而等待外套管17完全凝固的情况。但是，根据本发明，不等待完全凝固，并进行柱形壁8的提升，然后浇铸不锈钢18，而此时外套管17的凝固还没有完全完成。只需使壁8上形成的凝固表皮已足够坚固，以便不被壁8的运动损害，并耐受浇铸时不锈钢18施加在它上面的压力即可。该方法的优点是在外套管的内表面的温度比较高时执行浇铸，这增加了材料互相扩散的强度。因此二个套管的附着得到更好保证。
同样，可以考虑开始提升柱形壁8，然后在外套管17浇铸结束前浇铸内套管，但是此时外套管17的凝固发展得足以使贴靠柱形壁8的凝固表皮足够厚和足够坚固以便无损坏地支撑壁8的移动和注入的液态金属18施加的压力，以形成内套管。外套管17的凝固甚至可以在壁8运动时继续。
与到目前已知的技术相比，本发明可以取消不锈钢带的结合和检验结合的阶段，因此使大尺寸双部件套管的整体的制造时间至少节约5%-10%。例如，以非限定方式，这相当于可能长达一百周的制造过程中的5-10周。
双材料套管的制造就过渡至双部件空心钢锭的制造。
可以制造该套管的锭模多数是铸铁制成的，可拆卸内装置自身由铸铁或钢制造。锻造和/或圆形轧制阶段可以形成基本具有双部件套管最终长度的毛坯，并且毛坯的最小厚度与以后的加工阶段相适应。最后，执行加工阶段以便使毛坯状态的双材料套管达到预先确定尺寸的最终零件状态。
已经参照外部为碳钢并且内部为不锈钢的双材料套管的制造对本发明进行了描述。当然，该示例不是限制性的，也可使用其它材料。同样，已经描述的示例中的尺寸的数量级也是不限制性的。
在本发明的范围内，环形套管17、18可以是具有矩形或其它截面的柱形、锥台形。
还可考虑在外套管17前浇铸内套管18，条件是设置冷却部件，该冷却部件保证内套管18首先以强制方式冷却。和前面在相反情况下的描述相同，外套管17的浇铸可以在已经部分或全部凝固或仍在凝固过程中的内套管18上执行。

Claims (15)

1.一种制造用于核反应堆或石化反应容器或核反应堆增压器的双材料套管的方法，所述双材料套管由以碳钢形成的环形的外套管(17)和以不锈钢形成的环形的内套管(18)构成，所述外套管(17)和所述内套管(18)互相结合且由不同材料形成，其特征在于：
-在由浇铸基部(1)、位于所述浇铸基部(1)上的第一锭模壁和位于所述浇铸基部(1)上并与所述第一锭模壁同心的能够向上移动的可移动壁(8)形成的浇铸空间中执行第一套管的下铸和凝固，所述第一套管是所述外套管(17)和所述内套管(18)中的一者；
-在所述第一套管未完全凝固时，提升所述可移动壁(8)，以暴露所述第一套管的贴靠所述可移动壁凝固的表皮；
-在由预先贴靠所述可移动壁(8)凝固的所述第一套管的所述表皮和第二固定锭模壁形成的浇铸空间中执行第二套管的下铸和凝固，所述第二套管是所述外套管(17)和所述内套管(18)中的另一者，通过凝固时互相接触的所述第一套管和所述第二套管的表面之间的材料扩散或通过共同凝固而进行所述第一套管和所述第二套管的结合；
-还能进行由所结合的所述第一套管和所述第二套管形成的双材料套管的锻造和/或加工。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一套管是环形的所述外套管(17)。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述第一套管的浇铸完成但它的凝固还未完成时开始提升所述可移动壁(8)。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述第一套管的浇铸还未完成时开始提升所述可移动壁(8)。
5.如权利要求1-4之一所述的方法，其特征在于，将所述第一套管与所述可移动壁(8)之间的界面润滑。
6.如权利要求1-4之一所述的方法，其特征在于，在所述第一套管与所述可移动壁(8)之间的界面处注入加压气体。
7.如权利要求1-4之一所述的方法，其特征在于，对所述第一锭模壁和/或所述第二固定锭模壁进行强制冷却。
8.一种制造用于核反应堆或石化反应容器或核反应堆增压器的双材料套管的装置，所述套管由以碳钢形成的环形的外套管(17)和以不锈钢形成的环形的内套管(18)构成，所述外套管(17)和所述内套管(18)互相结合且由不同材料形成，其特征在于包括：
–浇铸基部(1)；
–设在所述浇铸基部(1)中的用于构成所述外套管(17)的材料的液态金属的进入通道(4)和排出通道(5、6)，用于构成所述外套管(17)的材料的液态金属的所述排出通道(5、6)通向由所述浇铸基部(1)的上表面、第一锭模(3)的内壁和第二锭模的外壁形成的第一浇铸空间(7)；
–设在所述浇铸基部(1)中的用于构成所述内套管的材料的液态金属的进入通道(11)和排出通道(12、13)，用于构成内套管的材料的液态金属的所述排出通道(12、13)通向由所述浇铸基部(1)的上表面、第二锭模的所述外壁和第二锭模的内壁(9)形成的第二浇铸空间(10)；
–沿竖直方向提升第二锭模的所述外壁的部件，该部件能够暴露所述外套管(17)的凝固的内表面，并使其与用于构成内套管的液态金属接触。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述装置包括用于冷却第二锭模的内壁(9)的部件。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，用于冷却第二锭模的内壁(9)的所述部件是被内冷却并被第二锭模的内壁(9)包围的芯轴(14)。
11.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述第一锭模和所述第二锭模包括冒口(15、16)。
12.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述第二锭模的外壁包括用于将所述外壁与用于构成所述外套管(17)的金属的界面进行润滑的部件。
13.如权利要求8-12之一所述的装置，其特征在于，所述第二锭模的外壁包括用于在所述外壁与用于构成所述外套管(17)的金属的界面处注入加压气体的部件。
14.一种用于核反应堆或石化反应容器或核反应堆增压器的双材料套管，所述双材料套管由以碳钢形成的环形的外套管(17)和以不锈钢形成的环形的内套管(18)构成，所述外套管(17)和所述内套管(18)互相结合且由不同材料形成，其特征在于，通过根据权利要求1-7之一的方法得到所述双材料套管。
15.如权利要求14所述的双材料套管，其特征在于，所述外套管(17)由16MND5碳钢形成，所述内套管(18)由304L不锈钢形成。
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