CN103084426B

CN103084426B - 一种核聚变反应堆用不锈钢异形管的制造方法

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Publication number: CN103084426B
Application number: CN201310023855.1A
Authority: CN
Inventors: 王伯文; 康喜唐; 陈洪琪; 刘承志; 侯楠; 程逸明; 张晓�; 拓雷锋; 张琳
Original assignee: Shanxi Taigang Stainless Steel Co Ltd
Current assignee: Shanxi Taigang Stainless Steel Co Ltd
Priority date: 2013-01-23
Filing date: 2013-01-23
Publication date: 2014-11-05
Anticipated expiration: 2033-01-23
Also published as: CN103084426A

Abstract

一种核聚变反应堆用不锈钢异形无缝管的制造方法，属于热轧和冷加工钢铁材料成型技术，它包括采用铁水为原料转炉冶炼加VOD真空脱碳、热挤压成型、钢管冷加工和保护气氛热处理工艺；其特征在于（1）采用铁水为原料转炉冶炼加VOD真空脱碳的冶炼方法，圆钢坯经电渣重熔处理；（2）采用曲线倒角+渐收变形区+硬质合金模具设计的拉拔模具和合理的工艺参数；（3）采用保护气氛热处理+外表面精抛+内表面拉削的表面处理方法。本发明经二十余项外形尺寸检验、理化性能检验、无损检验，各项性能参数完全满足核聚变堆的设计要求，达到了核聚变堆用不锈钢异型管制造的国际先进水平。

Description

一种核聚变反应堆用不锈钢异形管的制造方法

技术领域

本发明属于热轧和冷加工钢铁材料成型技术，具体涉及一种核聚变反应堆用不锈钢异形管的制造方法，其具有特殊的截面形状、较高的表面光洁度、较高的平直度、无磁性、良好的低温强度和低温韧性。

背景技术

核能包括裂变能和聚变能。核裂变能是重金属元素原子核中的质子通过裂变反应释放能量，因为裂变需要的铀等重金属元素在地球上含量稀少，而且常规裂变反应堆会产生放射性较强且很难分解的核废料，限制了裂变能的发展。核聚变能是主要借助氢的同位素通过聚变反应获得巨大能量，不产生核废料，不产生温室效应气体，放射性微乎其微，不对环境和周围居民构成威胁，而且氢同位素原料几乎是无限的。因此，聚变能是一种可持续利用、清洁安全的理想能源，被认为是未来解决世界能源和环境问题最重要的途径之一。

聚变堆需要利用超导体形成的强磁场约束带电粒子，将聚变原料加热到上亿摄氏度高温，实现聚变反应。为满足实现超导环境的4K（-269℃）超低温下的材料强度要求和无磁性要求，在核聚变反应堆内用于支撑和保护超导线圈的套管采用奥氏体不锈钢异形管，使用环境要求其具有无磁性、良好的低温强度和低温韧性。由于此异形管需头尾相接焊接成900米的连续套管，采用牵引穿缆的方法将Nb-Ti导体线束从一端穿至另一端，并预弯成紧密堆叠的螺旋形线圈，故要求其内外表面具有较高的光洁度和较高的管身平直度以减小穿缆阻力。

目前尚无专利涉及此用途的核聚变堆用不锈钢异形管。不锈钢异型管通常的制造方法为管坯热穿孔得到圆形荒管，通过冷轧或冷拔成型由圆形截面变为异形截面；或采用板材进行拼焊，机加工成最终形状；或采用热挤压机直接挤压成型。由于此管内径仅为38mm，最厚处壁厚为21mm，如采用圆形荒管加工，荒管径壁比（=外径/壁厚）将小于3.9，冷轧芯棒由于尺寸过细和变形力大极易发生断裂。如采用板材拼焊方法，首先会造成通长的焊缝大大降低材料可靠性并增加无损检验的难度，其次由于焊缝热影响区产生铁素体相不满足无磁性要求，另外其外方内圆的特殊形状会要求很大的机加工工作量。国内热挤压不锈钢异形管的技术尚处于起步阶段，对荒管弯曲度、截面尺寸精度、表面粗糙度的控制较差，不能满足此产品的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种核聚变反应堆用不锈钢异形管的制造方法，核聚变反应堆用不锈钢异形管具有特殊的截面形状、较高的表面光洁度、较高的平直度、无磁性、良好的低温强度和低温韧性，可用于核聚变反应堆支撑和保护超导线圈的套管。

本发明采用的核聚变反应堆用不锈钢，要求成分质量分数为

Cr：16.00~18.50；

Ni：11.0~14.0；

Mo：2.00~2.50；

C：＜0.030；

Si：＜0.75；

Mn：＜2.00；

P：＜0.03；

S：＜0.01；

Co：＜0.10；

其余为Fe及不可避免的杂质。

为使材料无铁素体相以保证无磁性，并具有良好的低温强度和低温韧性，优选Cr含量17.50~18.50%，Ni含量12.0-14.0%，C含量＜0.020%，P含量＜0.02%，S含量＜0.003%。

本发明的核聚变反应堆用不锈钢采用铁水预处理加转炉加VOD真空脱碳的冶炼方式，浇铸成模铸坯，经电渣重熔，开坯热轧成方坯，锻造成230mm直径的圆锭，热挤压、冷拔、热处理、表面加工；

转炉冶炼是将预处理铁水和Cr合金、Ni合金加入转炉中冶炼成粗钢水，粗钢水的化学成分质量分数为：

C：0.03~0.05%，0<Si<0.50%，Cr：16.00~18.50%，Ni 11.0~14.0%，Mn 0.3~0.6%，P<0.025%，S<0.010%，Mo：2.00~2.50，Co：＜0.10，其余为Fe及不可避免的杂质；

VOD真空脱碳是将粗钢水倒入真空吹氧脱碳炉中精炼，精炼后钢水的化学成分质量分数为：

C：＜0.020%，0<Si<0.50%，Cr：17.50~18.50%，Ni 12.0~14.0%，Mn 0.3~0.6%，P<0.020%，S<0.003%，Mo：2.00~2.50，Co：＜0.10，其余为Fe及不可避免的杂质。

热挤压包括三段式加热工艺和管坯热挤压过程，其中加热温度分别为850~900℃、1180~1200℃、1200~1220℃，进行热挤压时坯料内外温度1200~1220℃，挤压比9.11~10.85，挤压速度320~350mm/s；管坯内外表面喷涂玻璃粉润滑剂，外表面润滑采用VP68/2886型玻璃粉，内孔润滑采用EG6807S1I型玻璃粉，玻璃垫采用EG6802S1PA或EG6808S1PA型玻璃粉。

冷加工包括冷拔、内表面拉削和外表面抛磨工艺环节，其中

冷拔工艺为将外边长是64mm内径是44.4mm（□64×Φ44.4mm ）的挤压荒管一次拉拔成为外边长是59mm内径是41mm（□59×Φ41mm）的外方内圆孔的管，外方内圆孔的管经完全退火酸洗后第二次拉拔为外边长是54.4mm内径是37.7mm（□54.4×Φ37.7mm），经过内表面拉削和外表面抛磨达到成品尺寸是外边长是54.2mm内径是38mm（□54.2×Φ38 mm）的核聚变反应堆用不锈钢异形管，实际尺寸公差±0.1mm。

冷拔工艺还包括拉拔模设计、工业钙基脂润滑、在拉拔模和钢管上涂抹SHELL 3#冷加工润滑脂。

拉拔模设计

采用YG8碳化钨+钴硬质合金材质制作拉拔模，经热处理使表面硬度达到HRC60以上。拉拔外模四角采用R9.5mm→R4mm的渐收倒角。弧边相对于定径带高度

(1)

入口锥面任一截面的弧方形弧边的曲率半径

(2)

d 弧边宽度，

L入口锥长度，

L _x截面与入口平面距离，

R ₁ 入口锥出口平面弧边曲率半径，

R ₂ 入口锥入口平面弧边曲率半径，

q 弧边与定径带相贯线宽度，q=2~7mm；

热处理

成品采用保护气氛辊底式炉进行固溶热处理，加热段和均热段充入N₂和H₂，体积百分比为N₂为 70%，H₂为30%，预热温度1020℃±10℃，均热段保温温度1080±10℃，保温时间按照最大壁厚1.5min/mm。

保温完成后采用喷流冷却方法进行固溶处理。

（9）、表面加工

拉拔后的钢管经保护气氛固溶热处理后，进行拉力矫直处理，然后进行外表面抛磨和内表面拉削，外表面抛磨包括4道次采用千页砂轮和布轮进行的抛磨，每道次外径减小量0.05mm，使钢管外径从54.4mm达到54.2mm；内表面拉削包括6道次内表面拉削，每道次拉削量0.05mm，使钢管内径从37.7mm达到38.0mm；拉削刀具设计了每刀片0.01mm的拉削量和10mm宽的环形容屑槽。

本发明的核聚变反应堆用不锈钢异形管的参数是：外方边长54.2mm，内圆直径Φ38.0 mm，公差±0.2mm；长度≥7 m；；四边圆角及公差是4±1mm；截面面积公差±20mm²；内外表面粗糙度Ra＜1.6μm；弯曲度＜1 mm·m^-1；轴向扭转度＜1 mm·m^-1；壁厚不均匀度<10%。材料金相组织铁素体相含量<0.1%，在放大500倍的显微照片上不能存在铁素体相，晶粒度为5级或者更细，晶粒尺寸波动范围不大于±1级，室温和超低温（4K）力学性能符合表1要求。钢管须通过100%截面涡流检验和晶间腐蚀检验。

表1 钢管力学性能要求

本发明采用热挤压方法得到外方内圆形荒管，通过控制挤压温度、挤压力和优化模具设计使荒管表面质量较好，尺寸精度在0.5mm以内；荒管进行两道次冷拔得到最终成品尺寸，采用N₂和H₂保护气氛固溶热处理，满足其材料无磁性和良好的低温力学性能要求。最后采用异形辊矫直方法保证管身平直度，外表面机械抛磨和内表面拉削方法保证内外表面光洁度。

本发明的有益效果：

本发明经外形尺寸检验、理化性能检验、无损检验等，各项性能参数完全满足核聚变反应堆设计方（法国）的设计要求，达到了核聚变反应堆用不锈钢异型管的国际先进水平。

具体检验指标分述如下：

1、表面质量和尺寸公差

对成品管每1m取一个测量截面，每个截面测量外边长、内径、对角线壁厚、最小壁厚、椭圆度、表面粗糙度等参数，尺寸公差均符合技术规范要求；经过拉削和抛光处理的表面平整光滑，无任何有害缺陷，内表面粗糙度＜ 1.2μm，外表面粗糙度＜0.8μm。

2、无损检验结果

钢管逐支进行涡流探伤，检验标准ASTM E309，通孔直径0.8mm；钢管全长未发现有害缺陷。

3、金相检验结果

每批钢管分别取1个试样进行晶粒度、夹杂物、晶间腐蚀、铁素体含量检验，结果如下。

晶粒度6-7级，检验标准ASTM E112。

铁素体含量检验结果。采用金相法检测，检验标准JIS Z3119。铁素体含量为0.0706%。检测面积230mm²，5个检验视场均无明显铁素体相。

4、夹杂物检验结果（表1）

宏观夹杂物为0。

微观夹杂物。检测标准： ASTM E45-05

表1 非金属夹杂物检验结果

5、晶间腐蚀试验，碳化物、碳氮化物检验结果

晶间腐蚀检测标准ASTM A262A，无晶间腐蚀倾向。产品在500倍金相显微镜下进行检验，无碳化物和碳氮化物。

6、力学性能检验结果

每批取4个试样进行室温拉伸试验，标准ASTM A370-03a，结果见表2。

表2 室温拉伸试验结果

编号	Rp0.2（MPa）	Rm（MPa）	A_50mm(%)
				1	226	515	56
2	217	515	57
				3	217	510	56
4	225	510	55

表3 超低温拉伸试验结果（4K）

编号	Rp0.2（MPa）	Rm（MPa）	A_50mm(%)
				1	301	580	40
2	308	580	44
				3	301	575	45
4	323	560	45

附图说明

图1是本发明实施例的拉拔模入口锥曲面参数设计图。图中，A-A为入口锥入口平面，B-B为入口锥出口平面。

图2是图1的A-A面参数设计图。

图3是本发明实施例的第一道次拉拔外模倒角设计图。

图4是本发明实施例的第一道次拉拔外模剖面设计图。

图5是本发明实施例的第二道次拉拔外模倒角设计图。

图6是本发明实施例的第二道次拉拔外模剖面设计图。

图7是本发明实施例中成品钢管热处理制度（图中S为壁厚）。

具体实施方式

本发明的工艺步骤是：铁水预处理→转炉冶炼→VOD真空脱碳精炼→模注钢锭→电渣重熔→锻造管坯→热挤压→冷加工→保护气氛固溶退火热处理→内表面拉削→外表面抛磨。

1、冶炼和管坯加工

采用以铁水为原料，经预处理脱P、S后进行转炉冶炼成粗钢水，VOD真空脱碳精炼，浇铸成模铸坯，电渣重熔，开坯热轧成方坯，锻造成230mm直径的圆锭。为使材料无铁素体相以保证无磁性，并具有良好的低温强度和低温韧性，优选Cr含量17.50~18.50，Ni含量12.0-14.0，C含量＜0.020，P含量＜0.02，S含量＜0.003，＜使化学成分Delong相图中相点位于铁素体相线以上，严格控制铁素体相形成。

表2 冶炼成分取样结果（wt.%）

	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Mo	Co	Cu	Nb	Ti	N
														炉号1	0.006	0.43	1.13	0.013	0.002	16.68	13.43	2.12	0.02	0.01	0.001	0.003	0.020
炉号2	0.010	0.39	1.13	0.015	0.003	16.62	14.0	2.12	0.02	0.02	0.002	0.005	0.020

2、钢管热挤压

圆管坯通过车削加工保证管坯表面粗糙度Ra≤3.2μm，消除表面的所有缺陷。热挤压前采用三段式加热工艺，见表3。

表3 热挤压加热制度

加热方式	加热制度
		环形加热炉	850~900℃
一次感应加热	1180~1200℃
		二次感应加热	1200~1220℃

管坯经过三段式加热后进行热挤压，坯料内外温度严格控制在1200~1220℃。挤压比9.11~10.85，挤压速度320~350mm/s；管坯内外表面均匀喷涂玻璃粉润滑剂，外表面润滑采用VP68/2886型玻璃粉，内孔润滑采用EG6807S1I型玻璃粉，玻璃垫采用EG6802S1PA或EG6808S1PA型玻璃粉。挤压力控制在25~35MN（均值），40~50MN（峰值）。

3、冷加工及模具设计

冷加工工艺为□64×Φ44.4mm （挤压荒管）一次拉拔为□59×Φ41mm，经完全退火酸洗后第二次拉拔为□54.4×Φ37.7mm，经过内表面拉削和外表面抛磨达到成品尺寸□54.2×Φ38 mm，实际尺寸公差±0.1mm。

由于第二道次拉拔变形延伸系数（加工前截面面积/加工后截面面积）＞1.25，使成品具有较好的力学性能和晶粒尺寸。

冷拔过程中除采用工业钙基脂润滑外，在拉拔模和钢管上涂抹SHELL 3#冷加工润滑脂，以改进冷拔钢管表面质量，减少划痕、粗糙等表面缺陷。

采用YG8碳化钨+钴硬质合金材质制作拉拔模，经热处理使表面硬度达到HRC60以上，以提高产品表面光洁度，减少拉伤、划痕等缺陷。拉拔外模四角采用R9.5mm→R4mm的渐收倒角以保证钢管四边倒角精度。

图1、图2所示，弧边相对于定径带高度

(1)

入口锥面任一截面的弧方形弧边的曲率半径

(2)

d 弧边宽度，L入口锥长度，L_x截面与入口平面距离

R₁ 入口锥出口平面弧边曲率半径，R₂ 入口锥入口平面弧边曲率半径

q 弧边与定径带相贯线宽度，q=2~7mm

拉拔后的钢管经保护气氛固溶热处理后，进行拉力矫直处理，并进行外表面精抛和内表面拉削，使表面光洁度满足要求。

经过保护气氛热处理后的钢管表面粗糙度约2.0μm，不满足成品表面粗糙度＜1.6μm的要求。＜为满足表面质量要求，设计了4道次的外表面抛磨工艺，采用千页砂轮和布轮进行抛磨每道次外径减小量0.05mm，使钢管外径从54.4mm达到54.2mm；设计了6道次的内表面拉削工艺，每道次拉削量0.05mm，使钢管内径从37.7mm达到38.0mm。

由于奥氏体不锈钢切削加工性较差，拉削加工时难以断屑，拉削刀具设计了每刀片0.01mm的拉削量和10mm宽的环形容屑槽。

经过拉削和抛磨处理后内表面粗糙度＜1.2μm，外表面粗糙度＜0.8μm。

4、热处理

成品采用保护气氛辊底式炉进行固溶热处理，热处理过程共分为5段。第1段钢管入炉后抽真空，抽去空气；第二段充入N₂和H₂，体积百分比为N₂ 70%，H₂30%；第三段为加热段，预热温度1020℃±10℃；第四段为均热段，均热保温温度1080℃±10℃，均热保温时间按照最大壁厚1.5min/mm。保温完成后采用喷流冷却技术进行固溶处理，使成品晶粒尺寸均匀。第五段为再次抽真空段。

Claims

1.一种核聚变反应堆用不锈钢异形管的制造方法，包括下述步骤：

（1）、将预处理铁水和Cr合金、Ni合金加入转炉中冶炼成粗钢水，粗钢水的化学成分质量分数为：

C：0.03-0.05%，0<Si<0.50%，Cr：16.00-18.50%，Ni：11.0-14.0%，Mn：0.3-0.6%，P<0.025%，S<0.010%，Mo：2.00-2.50%，Co＜0.10%，其余为Fe及不可避免的杂质；

（2）、将粗钢水倒入真空吹氧脱碳炉中精炼，精炼后钢水的化学成分质量分数为：

C：＜0.020%，0<Si<0.50%，Cr：17.50-18.50%，Ni：12.0-14.0%，Mn：0.3-0.6%，P<0.020%，S<0.003%，Mo：2.00-2.50%，Co＜0.10%，其余为Fe及不可避免的杂质；

（3）、模铸

精炼钢水经模铸成不锈钢钢锭；

（4）、管坯锻造

钢锭经电渣重熔后，开坯热轧，锻造成230mm圆钢锭；

（5）、热挤压

采用三段式加热工艺，加热温度分别为第一段是850~900℃，第二段是1180~1200℃，第三段是1200~1220℃，进行热挤压时坯料内外温度1200~1220℃，挤压比9.11~10.85，挤压速度320~350mm/s；管坯内外表面喷涂采用玻璃粉润滑剂，外表面润滑采用VP68/2886型玻璃粉，内孔润滑采用EG6807S1I型玻璃粉，玻璃垫采用EG6802S1PA或EG6808S1PA型玻璃粉；

（6）、冷加工包括冷拔、内表面拉削和外表面抛磨工艺环节，其中冷拔工艺为将外边长是64mm内径是44.4mm的挤压荒管一次拉拔成为外边长是59mm内径是41mm的外方内圆孔的管，外方内圆孔的管经完全退火酸洗后第二次拉拔为外边长是54.4mm内径是37.7mm，经过内表面拉削和外表面抛磨达到成品尺寸是外边长是54.2mm内径是38mm的核聚变反应堆用不锈钢异形管。

2.根据权利要求1所述的一种核聚变反应堆用不锈钢异形管的制造方法，其特征是所述冷拔包括拉拔模设计，拉拔模设计采用YG8碳化钨+钴硬质合金材质制作拉拔模，拉拔模经热处理使表面硬度达到HRC60以上；拉拔外模四角采用R9.5→R4的渐收倒角；弧边相对于定径带高度是

(1)

入口锥面任一截面的弧方形弧边的曲率半径是

(2)

其中，d 为弧边宽度，L为入口锥长度，L_x为截面与入口平面距离，

R₁ 为入口锥出口平面弧边曲率半径，R₂ 为入口锥入口平面弧边曲率半径，q 为弧边与定径带相贯线宽度，q=2~7mm；

所述热处理是采用保护气氛辊底式炉进行固溶热处理，加热段和均热段充入N₂和H₂，体积百分比为N₂ 为70%，H₂为30%，加热段预热温度为1020℃±10℃，均热段保温温度为1080℃±10℃，保温时间按照最大壁厚1.5min/mm。

3.根据权利要求1所述的一种核聚变反应堆用不锈钢异形管的制造方法，其特征是拉拔后的钢管经保护气氛固溶热处理后，进行拉力矫直处理，然后进行外表面抛磨和内表面拉削，外表面抛磨包括4道次的外表面抛磨，采用千页砂轮和布轮进行抛磨每道次外径减小量0.05mm，使钢管外径从54.4mm达到54.2mm；内表面拉削包括6道次内表面拉削，每道次拉削量0.05mm，使钢管内径从37.7mm达到38.0mm。

4.根据权利要求1所述的一种核聚变反应堆用不锈钢异形管的制造方法，其特征是所述的核聚变反应堆用不锈钢异形管的检验指标如下：

（1）、表面质量：

对成品管每1m取一个测量截面，经过拉削和抛光处理的表面平整光滑，内表面粗糙度＜1.2μm，外表面粗糙度＜0.8μm；

（2）、无损检验结果：

钢管逐支进行涡流探伤，通孔直径0.8mm；钢管全长符合检验标准ASTM E309；

（3）、金相检验结果：

每批钢管分别取1个试样进行晶粒度、夹杂物、晶间腐蚀、铁素体含量检验，晶粒度6-7级，检验标准ASTM E112；

铁素体含量检验采用金相法检测，检验标准JIS Z3119；铁素体含量为0.0706%；检测面积230mm²；

（4）、夹杂物检验结果：

宏观夹杂物为0；

微观夹杂物检测标准： ASTM E45-05

非金属夹杂物检验结果

（5）、晶间腐蚀试验，碳化物、碳氮化物检验结果：

晶间腐蚀检测标准ASTM A262A，无晶间腐蚀倾向；

产品在500倍金相显微镜下进行检验，无碳化物和碳氮化物；

（6）、力学性能检验结果：

每批取4个试样进行室温拉伸试验，检验标准为ASTM A370-03a，结果见表1、表2：

表1 室温拉伸试验结果

表2 超低温拉伸试验结果4K(-269℃ )

。