CN103667991B

CN103667991B - 核电站控制棒驱动机构密封壳及其制备方法

Info

Publication number: CN103667991B
Application number: CN201310689427.2A
Authority: CN
Inventors: 杨春乐; 杨孟嘉; 陈志强; 冉小兵; 邓小云; 戴长年; 刘宝亭; 米大为; 唐茂; 吴昊
Original assignee: China General Nuclear Power Corp; China Nuclear Power Engineering Co Ltd
Current assignee: China General Nuclear Power Corp; China Nuclear Power Engineering Co Ltd
Priority date: 2013-12-15
Filing date: 2013-12-15
Publication date: 2016-04-20
Anticipated expiration: 2033-12-15
Also published as: CN103667991A

Abstract

本发明公开了一种核电站控制棒驱动机构密封壳及其制备方法，其中，制备方法包括以下步骤：1)选取原料并通过电炉冶炼+AOD精炼+LF炉精炼，获得钢水；2)将钢水浇注成钢锭；3)将钢锭电渣重熔获得钢坯，其中，以重量百分比计，钢坯含有≤0.035%C、≤1.00%Si、≤2.00%Mn、≤0.03%P、18.50-20.00%Cr、9.00-10.00%Ni、≤0.015%S、≤0.08%N、≤1.00%Cu、≤0.10%Co、≤0.001%B、≤0.50%Al和余量Fe；以及4)锻造钢坯并在热处理后将钢坯加工成核电站控制棒驱动机构密封壳。本发明制备方法通过化学成份的优化组合和控制，CRDM密封壳达到力学性能和功能性的要求，保证在高温高压和辐射工况下运行的安全效果，寿命满足CRDM的设计规范和国家标准要求，质量达到国外同类产品的先进水平。

Description

核电站控制棒驱动机构密封壳及其制备方法

技术领域

本发明属于核电技术领域，更具体地说，本发明涉及一种核电站控制棒驱动机构密封壳及其制备方法。

背景技术

核电站核安全级设备--控制棒驱动机构(CRDM)是核电站反应堆系统中重要的机械设备，作为反应堆控制和保护系统的一部份，CRDM是极其重要的执行机构，其主要功能是驱动控制棒在堆芯中上、下运动，实现反应堆启动、提升功率、保持功率、负荷跟踪、正常停堆和事故停堆。

压水堆核电站CRDM密封壳属于核一级机械部件，用于核电站磁力提升式控制棒驱动机构的承压密封件，是耐压壳部件中的一个零件，内装驱动杆、钩爪等部件，外装线圈部件。CRDM密封壳工作在一回路高温、高压水和辐射环境中，是一回路压力边界材料，电磁线圈通电后，磁回路横穿壳壁。因此，要求CRDM密封壳具有耐高温高压的力学性能，纯奥氏体组织，无磁性，不会被磁化，耐腐蚀。

但是，CRDM密封壳长期被国外少数几个国家垄断，他们长期控制着全球核电项目的CRDM密封壳供货市场。完全依赖于国外少数CRDM设备生产厂家供货，我国不仅需要多付出昂贵的采购成本，而且供货周期不确定，风险大，曾经不同程度影响到我国在建核电新项目的工期进度。

有鉴于此，确有必要提供一种核电站控制棒驱动机构密封壳及其制备方法。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种核电站控制棒驱动机构密封壳及其制备方法。

为了实现上述发明目的，本发明提供了一种核电站控制棒驱动机构密封壳的制备方法，其包括以下步骤：

1)选取原料并通过电炉冶炼+AOD精炼+LF炉精炼，获得钢水；

2)将钢水浇注成钢锭；

3)将钢锭电渣重熔获得钢坯，其中，以重量百分比计，钢坯含有≤0.035%C、≤1.00%Si、≤2.00%Mn、≤0.03%P、18.50-20.00%Cr、9.00-10.00%Ni、≤0.015%S、≤0.08%N、≤1.00%Cu、≤0.10%Co、≤0.001%B、≤0.50%Al和余量Fe；以及

4)锻造钢坯并在热处理后将钢坯加工成核电站控制棒驱动机构密封壳。

作为本发明制备方法的一种改进，步骤1)中，采用高碳铬铁、中碳铬铁、镍板、低P原料、金属锰、含氮铬铁、硅铁作为原料。

作为本发明制备方法的一种改进，步骤2)中，浇注钢锭在氩气保护气氛中进行。

作为本发明制备方法的一种改进，步骤3)中，电渣重熔前，对钢锭表面进行清除氧化皮处理。

作为本发明制备方法的一种改进，步骤3)中，电渣重熔采用CaF₂：Al₂O₃：CaO：MgO四元渣系，且使用前对渣料进行烘烤。

作为本发明制备方法的一种改进，步骤4)中，钢坯脱模后进行表面精整处理。

作为本发明制备方法的一种改进，步骤4)中，所述钢坯加热保温后采用快锻开坯和径锻进行锻造。

作为本发明制备方法的一种改进，步骤4)中，钢坯加热保温工艺为：将钢坯自≤700℃缓慢加热至900-1000℃，在900-1000℃保温2小时再缓慢加热至1000-1100℃；在1000-1100℃保温2小时之后，出炉锻造。

作为本发明制备方法的一种改进，步骤4)中，锻造时钢坯镦粗二次，镦粗保温后钢坯出炉进行拔长锻造，经多次锻造后钢坯锻到所需中间坯尺寸，开坯后切除钢锭头、尾。

作为本发明制备方法的一种改进，步骤4)中，所述钢坯在径锻加热炉中加热，加热温度＞1120℃，加热2.5-4.5小时，保温1.5-2.5小时，钢坯出炉后在径锻机上锻造到毛坯尺寸。

作为本发明制备方法的一种改进，所述热处理为固溶处理，具体工艺为：自≤650℃升温至＞1000℃，保温2.5小时后，经水冷至钢坯表面温度<40℃。

此外，本发明还提供了一种核电站控制棒驱动机构密封壳，以重量百分比计，所述核电站控制棒驱动机构密封壳含有≤0.035%C、≤1.00%Si、≤2.00%Mn、≤0.03%P、18.50-20.00%Cr、9.00-10.00%Ni、≤0.015%S、≤0.08%N、≤1.00%Cu、≤0.10%Co、≤0.001%B、≤0.50%Al和余量Fe，且其具有纯奥氏体组织。

作为本发明核电站控制棒驱动机构密封壳的一种改进，所述核电站控制棒驱动机构密封壳是通过前述制备方法获得。

相对于现有技术，本发明核电站控制棒驱动机构密封壳及其制备方法具有以下技术效果：

1.通过化学成份的优化组合和控制，CRDM密封壳达到力学性能和功能性的要求，保证在高温高压和辐射工况下运行的安全效果，寿命满足CRDM的设计规范和国家标准要求，质量达到国外同类产品的先进水平。经检验，安装在设备CRDM中运行时各项指标性能优良，保证安全可靠。

2.能利用国内现有的工艺设备加工制造，利于批量生产，实现CRDM密封壳制造的国产化。

3.采用电炉+AOD精炼+LF精炼，在冶炼过程中严格控制化学成分的优化配比，以阻止铁素体析出，最终获得纯奥氏体组织。经逐点测量磁导率，相对磁导率可控制在1.02以下。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式，对本发明核电站控制棒驱动机构密封壳及其制备方法进行详细说明，附图中：

图1为本发明核电站控制棒驱动机构密封壳的制备方法中，锻造钢坯时的快锻开坯加热工艺曲线。

图2为本发明核电站控制棒驱动机构密封壳的制备方法中，固溶处理的热处理工艺曲线。

图3为根据本发明核电站控制棒驱动机构密封壳的制备方法获得的试样的非金属夹杂物形貌图。

图4为根据本发明核电站控制棒驱动机构密封壳的制备方法获得的试样的α相形貌图。

图5为根据本发明核电站控制棒驱动机构密封壳的制备方法获得的试样的晶粒度形貌图。

具体实施方式

为了使本发明的发明目的、技术方案及其技术效果更加清晰，以下结合附图和具体实施方式，对本发明进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的具体实施方式仅仅是为了解释本发明，并非为了限定本发明。

本发明核电站控制棒驱动机构密封壳的制备方法的主要工艺流程包括：原料精选→电炉冶炼+AOD精炼+LF炉精炼→浇铸电极→表面精整→电渣重熔→锻造毛坯→热处理→取样→理化性能检验→机加工→磁性能检验→无损检测。

1.电炉冶炼+AOD精炼+LF炉精炼：

原料采用高碳铬铁、中碳铬铁、镍板、低P原料、金属锰、含氮铬铁和硅铁，原料在电炉中熔化，然后将钢水倒入AOD精炼炉中吹氧脱碳、吹氮，加入合金料，调整化学成分。达到炼钢工艺规范规定的成分和钢水温度后出钢，钢水倒入钢包。

钢包移入LF精炼炉进行第二次精炼，根据炉前分析结果加入合金料，调整化学成分、同时调整钢水温度，待钢水达到满足炼钢工艺规范要求的化学成分及出钢温度后出钢。

为了保证钢的性能满足技术要求，对钢的主要元素进行控制，各主要金属及其含量见表1。

表1钢的主要元素及含量(重量百分比)

2.浇注钢锭：为了保护钢水浇铸过程中不氧化或少氧化，采用氩气保护浇铸。

3.电渣重熔：为了提高钢的冶金质量，进行电渣重熔二次冶炼，以提高钢的纯净度，减少钢中夹杂物，减小夹杂物的尺寸、改变夹杂物的分布。

电渣重熔采用不锈钢通用的电渣重熔工艺，控制电压、电流，保证电渣过程平稳进行。电渣前，电极表面先进行清理，清除表面氧化皮。电渣重熔时，采用四元渣系：CaF₂：Al₂O₃：CaO：MgO，为了去除渣料中水分，使用前渣料进行烘烤，采用电阻炉烘烤渣料。钢坯脱模后表面精整，去除钢坯表面缺陷。

4.锻造：钢坯采用快锻+径锻组合锻造工艺，钢锭加热保温后采用快锻开坯，然后径锻至成品钢坯。

钢锭加热：钢锭在室式炉中按图1所示的工艺曲线图进行加热，将钢锭自≤700℃缓慢加热至900-1000℃，在900-1000℃保温2小时后再缓慢加热至1000-1100℃；在1000-1100℃保温2小时之后，出炉锻造。

快锻开坯：钢锭在2000吨快锻机组上进行开坯，为保证钢棒有良好的组织以满足力学性能和探伤要求，锻造时钢锭镦粗二次。镦粗保温后钢坯出炉进行拔长锻造。经多个火次锻造后钢坯锻到所需中间坯尺寸。开坯后切除钢锭头、尾。锻造压缩比大于5。钢坯冷却后表面精整，去除钢坯表面缺陷。

径锻：钢坯在径锻加热炉中加热。加热温度＞1120℃，加热2.5-4.5小时，保温1.5-2.5小时。钢坯出炉后在1300吨径锻机上锻造到毛坯尺寸。

5.固溶处理:锻件钢坯按图2所示工艺进行固溶热处理，具体工艺为:自≤650℃升温至＞1000℃，保温2.5小时后，经水冷至钢坯表面温度＜40℃。固溶处理后进行机加工，获得符合要求的核电站控制棒驱动机构密封壳。为了确保最终成品的性能，在使用之前还需对成品进行磁性能检验和无损检测。

非金属夹杂物检验

按GB/T10561-2005进行非金属夹杂物检验：取密封壳坯料1/2半径处纵截面试样磨制抛光后，在显微镜下检验非金属夹杂物，非金属夹杂物形貌如图3所示，非金属夹杂物的检验结果如表2所示。

表2非金属夹杂物检验结果

α相检验

按GB/T13305-2008进行α相检验：取密封壳坯料中心处纵截面试样磨制抛光后，用碱性铁氰化钾水溶液腐蚀检验α相。α相检验以最严重视场为中心，测量相邻5个视场的铁素体含量并报出，α相形貌如图4所示，α相检验结果如表3所示。

表3α相检验结果一览表

晶粒度评级

按GB/T6394-2002进行晶粒度评级：取密封壳坯料1/2半径处横截面试样磨制抛光后，用10%草酸水溶液电解腐蚀，检验晶粒度。晶粒度形貌如图5所示，晶粒度评级为3.5级。

晶间腐蚀试验

按RCCC-MMC1310进行晶间腐蚀试验：取密封壳坯料1/2半径处纵向试样2件，将表面抛光后按照RCC-MMC1310方法B进行敏化处理，敏化后的试样加铜屑腐蚀24小时，弯曲90°，检验结果2件试样均无晶间腐蚀倾向。

拉伸试验

按GB/T228.1-2010和GB/T4338-2006进行室温拉伸和350℃拉伸试验：在密封壳坯料1/2半径位置处取环向拉伸试样6件，进行室温和350℃高温拉伸试验，试样工作部分直径为Φ10mm，拉伸试验结果如表4所示。

表4拉伸试验结果

低温冲击试验

按GB/T229-2007进行低温冲击试验：在密封壳坯料1/2半径位置处取环向冲击试样3件，进行0℃低温冲击试验，试样采用10mm×10mm×55mm标准V型缺口试样，缺口轴线垂直于坯料外表面，冲击试验结果如表5所示。

表5低温冲击试验结果表

结合以上的详细描述和实验结果可以看出，相对于现有技术，本发明核电站控制棒驱动机构密封壳及其制备方法具有以下技术效果：

3.采用电炉+AOD精炼+LF精炼，在冶炼过程中严格控制化学成分的优化配比，以阻止铁素体析出，最终获得纯奥氏体组织。经逐点测量磁导率，相对磁导率控制在1.02以下。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims

1.一种核电站控制棒驱动机构密封壳的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)选取原料并通过电炉冶炼+AOD精炼+LF炉精炼，获得钢水；

2)将钢水浇注成钢锭；

3)将钢锭电渣重熔获得钢坯，其中，以重量百分比计，钢坯含有≤0.035％C、≤1.00％Si、≤2.00％Mn、≤0.03％P、18.50-20.00％Cr、9.00-10.00％Ni、≤0.015％S、≤0.08％N、≤1.00％Cu、≤0.10％Co、≤0.001％B、≤0.50％Al和余量Fe；以及

4)锻造钢坯并在热处理后将钢坯加工成核电站控制棒驱动机构密封壳；锻造钢坯的过程是钢坯加热保温后采用快锻开坯和径锻进行锻造，钢坯加热保温工艺为：将钢坯自≤700℃缓慢加热至900-1000℃，在900-1000℃保温2小时再缓慢加热至1000-1100℃；在1000-1100℃保温2小时之后，出炉锻造。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中，采用高碳铬铁、中碳铬铁、镍板、低P原料、金属锰、含氮铬铁、硅铁作为原料。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中，浇注钢锭在氩气保护气氛中进行。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3)中，电渣重熔前，对钢锭表面进行清除氧化皮处理。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3)中，电渣重熔采用CaF₂：Al₂O₃：CaO：MgO四元渣系，且使用前对渣料进行烘烤。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤4)中，钢坯脱模后进行表面精整处理。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤4)中，锻造时钢坯镦粗二次，镦粗保温后钢坯出炉进行拔长锻造，经多次锻造后钢坯锻到所需中间坯尺寸，开坯后切除钢锭头、尾。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤4)中，所述钢坯在径锻加热炉中加热，加热温度＞1120℃，加热2.5-4.5小时，保温1.5-2.5小时，钢坯出炉后在径锻机上锻造到毛坯尺寸。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述热处理为固溶处理，具体工艺为：自≤650℃升温至＞1000℃，保温2.5小时后，经水冷至钢坯表面温度<40℃。

10.一种核电站控制棒驱动机构密封壳，其特征在于，以重量百分比计，所述核电站控制棒驱动机构密封壳含有≤0.035％C、≤1.00％Si、≤2.00％Mn、≤0.03％P、18.50-20.00％Cr、9.00-10.00％Ni、≤0.015％S、≤0.08％N、≤1.00％Cu、≤0.10％Co、≤0.001％B、≤0.50％Al和余量Fe，且其具有纯奥氏体组织，是通过权利要求1-9中任一项所述的制备方法获得。