CN105483323A - 核电站反应堆控制棒驱动机构12Cr13管坯的制造方法 - Google Patents

核电站反应堆控制棒驱动机构12Cr13管坯的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种核电站反应堆控制棒驱动机构12Cr13管坯的制造方法，目的是解决生产成本高，棒材夹杂物水平低、力学性能难以满足核电驱动杆标准要求的问题。本发明技术方案是利用现有设备，采用电弧炉+LF+VOD/VHD→电渣炉重熔冶炼→轧制成材→调质热处理工艺，其中化学成分满足标准要求，且各元素配比合理；冶炼过程脱氧效果要好，以降低夹杂物级别；控制加工过程轧制比保证晶粒度；经过合理的淬火+回火热处理获得较高的强度、良好的塑韧性和适宜的硬度。本发明有益效果是：利用现有设备、采用新工艺，低成本制造高质量12Cr13长管坯棒材，使其性能满足核电站反应堆控制棒驱动机构驱动杆标准要求。

Description

核电站反应堆控制棒驱动机构12Cr13管坯的制造方法
技术领域
本发明属于金属材料制造领域，具体涉及一种核电站反应堆控制棒驱动机构驱动杆12Cr13管坯的制造方法。
背景技术
目前，国内外均采用12Cr13长管材用于核电站控制棒驱动机构驱动杆，是核电站反应堆的关键部件之一，主要作用是在需要时能够及时、迅速、可靠地上下运动以控制燃料控制棒的插入或抽出；核电驱动杆用12Cr13长管材的使用要求高，不仅要求7m余长管坯棒材的质量高，具有足够的强度、塑韧性和适当的硬度，而且直线度要求严格，使其制造较有难度。目前，国内外核电驱动杆用12Cr13长管坯棒材的制造方法主要有：1）感应炉冶炼+电渣重熔冶炼；2）电弧炉冶炼+AOD+LF+电渣重熔冶炼。第一种冶炼方法成本较高，第二种冶炼方法夹杂物水平差些，夹杂物水平差会直接影响成品棒材的力学性能。
发明内容
本发明公开一种核电站反应堆控制棒驱动机构12Cr13管坯的制造方法，目的是解决生产成本高，棒材夹杂物水平低、力学性能难以满足核电驱动杆标准要求的问题。
本发明技术方案是利用现有技术，采用电弧炉+LF+VOD/VHD→电渣炉重熔冶炼→轧制成材→调质热处理工艺，其中化学成分满足标准要求，且各元素配比合理；冶炼过程脱氧效果要好，以降低夹杂物级别；控制加工过程轧制比保证晶粒度；经过合理的淬火+回火热处理获得较高的强度、良好的塑韧性和适宜的硬度，达到本发明的目的。
一、具体生产工艺步骤如下：
㈠采用电弧炉+LF+VOD/VHD炉方式冶炼自耗电极棒
1．电弧炉：炉料由废钢、生铁、本钢返回等组成，氧化法冶炼，出钢温度（T）不小于1630℃，磷不大于0.020%，钢水经脱磷后倒入钢包内;
2．LF炉：钢包转入LF炉，LF到位后加入碳粉、铝粉脱氧，给电烧渣不小于10min；加入合金料，调整成分，出钢温度（T）不小于1650℃，硫不大于0.020%;
3.VOD/VHD炉：钢水扒净初炼渣后入VOD罐，随渣料（白灰、萤石）加入脱氧剂Al粉，钙-硅块，真空脱气压不大于100Pa，保持时间不小于10min，微调整成分至控制范围，保持白渣，出VOD罐取成分分析试样，出钢温度（T）1570℃～1590℃;自耗电极棒的熔炼化学成分分析结果应符合表1规定。
表1自耗电极棒的熔炼化学成分
4．自耗电极浇注：下注法浇铸自耗电极锭，电极铸锭尺寸规格为ф470mm，浇注过程采用氩气保护。
㈡自耗电极锭电渣重熔冶炼成电渣锭
1．电渣重熔准备：采用双支臂电渣重熔炉,水冷结晶器，结晶器规格为ф610mm;
2.配制渣料：渣系CaF2:Al2O3:MgO=65:30:5，渣量36kg；
3.造渣化渣：将本钢种底垫放入结晶器底部，用石墨电极在结晶器内通电起弧，将配好的渣料加入结晶器内;
4.重熔：待渣料全部熔化后吊出石墨电极，调整电力参数：控制电流11000A～13000A、电压56V～67V；
5.电渣锭脱锭：电渣重熔结束20min～40min后脱电渣铸锭，罩冷不小于96h，不退火;取样分析化学成分，电渣锭的化学成分应符合表2规定。
表2电渣锭的化学成分
㈢电渣锭轧制生产棒材
1.加热：化学成分合格的电渣锭在均热炉中加热，加热温度按1190℃～1200℃；
2．轧制开坯：采用850轧机轧制电渣锭开坯；
3.棒坯退火：坯料轧后送退火，退火温度860℃～880℃；
4.修磨棒坯：退火出炉的棒坯表面进行修磨处理；
5.棒坯加热：修磨合格的棒坯在加热炉中加热，加热温度
1100℃～1140℃；
6.棒坯成材：坯料采用连轧机轧制长管坯棒材尺寸：Ф50mm×7.6m；
7.成品棒材退火：成品棒材采用连续式退火炉退火，退火温度820℃～860℃。
㈣采用连续式加热炉对成品棒材进行淬火+回火热处理
1.棒材淬火：采用连续式淬火炉进行淬火处理，淬火温度950℃～1000℃；
2.淬火冷却：成品棒材出淬火炉后采用水-空交替方式冷却；
3.棒材回火：采用连续式回火炉进行回火生产，回火温度595℃～760℃；
4.回火冷却：棒材出回火炉后采用空冷；
5.矫直：淬火+回火完成后对棒材进行矫直，保证棒材的直线度；
6.棒材去应力回火：采用连续式回火炉进行去应力回火热处理，去应力回火温度580℃～733℃，棒材出回火炉后采用空冷；
7.棒材削皮：棒材热处理完成后进行削皮，削皮后棒材的尺寸应满足合同要求。
二、核电站反应堆反应堆控制棒驱动机构驱动杆长管坯棒材性能标准要求
㈠力学性能
淬火+回火热处理后试样检验力学性能，应满足使用标准要求见表3；
表3试样力学性能
㈡磁性能
12Cr13长管坯棒材试样在磁场强度H=7958A/m时，磁导率可接受范围μ=170×10-6H/m～210×10-6H/m。
三、本技术方案的发明点
㈠控制炼钢工艺的关键环节
钢液的纯净度是影响管坯力学性能的重要因素之一，炼钢期间应减少形成夹杂物成分含量，而化学成分是影响管坯磁性能的一个主要因素，所以，在炼钢期间严格控制好以下工艺环节：
①电弧炉：氧化法冶炼，出钢温度（T）不小于1630℃，磷不大于0.020%，钢水经脱磷；
②LF炉：LF到位后加入碳粉、铝粉脱氧，给电烧渣不小于10min，氧化物充分上浮，加入合金料准确调整成分，出钢温度（T）不小于1650℃，硫不大于0.020%;
③VOD/VHD炉：钢水扒净初炼渣后入VOD罐，随渣料（白灰、萤石）加入脱氧剂Al粉，钙-硅块，真空脱气压不大于100Pa，保持时间不小于10min，微调整成分至控制范围，保持白渣，出钢温度（T）1570℃～1590℃;低温浇注去夹杂。
㈡控制电渣重熔工艺的关键环节
再次提高钢液纯净度，防止钢锭偏析，需控制好以下电渣重熔冶炼工艺环节：
①结晶器规格为ф610mm;
②采用三元渣系CaF2:Al2O3:MgO=65:30:5，渣量36kg。
③重熔控制电流10000A～13000A、电压58V～63V；
④电渣重熔结束20min～40min后脱电渣铸锭，罩冷不小于96h，不退火。
㈢控制轧制工艺的关键环节
合理的加热温度和轧制比是管坯晶粒度的保证，需控制好以下轧制工艺环节：
①电渣锭加热温度按1190℃～1200℃；
②采用850轧机轧制电渣锭开190mm方坯；
③坯料轧后送退火，退火温度860℃-880℃，保温时间不小于12h；
④退火出炉的棒坯进行表面修磨处理；
⑤修磨后的棒坯加热温度1140℃～1150℃；
⑥成品棒材采用连续式退火炉，退火温度830℃～850℃，保温3h～6h。
㈣控制调质工艺的关键环节
合理的淬火温度、回火温度和保温时间能够得到很好的强度和塑韧性匹配，需控制以下调质环节：
①棒坯采用连续式淬火炉进行淬火处理，淬火温度950℃～1000℃，保温至少1.5h；
②成品棒材出淬火炉后采用水-空交替方式冷却。淬水前水温不大于50℃；
③采用连续式回火炉进行回火生产，回火温度595℃～760℃，保温至少2h，棒材出回火炉后采用空冷；
④棒材采用连续式回火炉进行去应力回火处理，去应力回火温度
580℃～733℃，保温至少2h，出回火炉后空冷。
本发明有益效果是：采用电弧炉+LF+VOD/VHD→电渣炉重熔冶炼→轧制成材→调质热处理制造低成本、高质量的12Cr13长管坯棒材，使其性能满足核电站反应堆控制棒驱动机构驱动杆标准要求。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细的说明。
下面结合实施例对本发明做进一步详细的说明。
实施例1～实施例4
实施例1～实施例4采用同一工艺流程：电弧炉+LF+VOD/VHD+模铸（自耗电极棒Φ470mm）→电渣炉重熔冶炼（电渣锭Φ610mm）→轧制成材→调质热处理。在该工艺流程中，实施例1～实施例4采用的相同工艺步骤如下：
1．采用电弧炉+LF+VOD/VHD+模铸生产自耗电极铸锭；
①炉料组成：由废钢、生铁等组成，氧化法冶炼；
②自耗电极浇注：下注法浇铸成自耗电极钢锭，电极钢锭尺寸规格为ф470mm；
2．电极棒经化学成分检验和表面清理后进行电渣重熔，每1支电极搭配冶炼1支ф610mm电渣锭；
①电渣重熔准备：采用单支臂电渣重熔炉,水冷结晶器，结晶器规格为ф610/600mm，即上底直径为ф610mm，下底直径为ф600mm；
②配制渣料：采用三元渣系CaF2:Al2O3:MgO=65:30:5，渣量36kg；
③造渣化渣：将本钢种底垫放入结晶器底部，用石墨电极在结晶器内通电起弧，将配比好的渣料均匀地加入结晶器内，直至渣料全部熔化；
④电渣锭脱锭：调整电力参数转入充填补缩操作，充填时间25min～30min；电渣重熔结束20min～30min后脱电渣铸锭，罩冷96h，不退火。
3.化学成分合格的电渣锭采用轧制工艺生产管坯棒材；
①电渣锭加热：化学成分合格的电渣锭在均热炉中加热；
②电渣锭轧制开坯：采用850轧机轧制电渣锭，电渣锭开坯尺寸190mm方；
③棒坯退火：棒坯轧后送退火，退火温度870℃，保温15h；
④修磨棒坯：退火出炉的棒坯表面若不好，需进行表面修磨处理。然后轧制成材。
4.采用连续式加热炉对成品棒材进行淬火+回火热处理；
①棒材淬火：棒材装淬火炉前进行矫直，平整摆放，采用连续式淬火炉进行淬火生产；
②淬火冷却：棒材出淬火炉后立即采用水-空交替方式冷却；
③棒材回火：装回火炉的棒材平整摆放，采用连续式回火炉进行回火生产；
④回火冷却：棒材出回火炉后采用空冷，冷却至室温；
⑤矫直：棒材经过淬火+回火完成后进行矫直，保证管棒材的直线度；
⑥棒材去应力回火：采用连续式回火炉进行去应力回火，出回火炉后采用空冷；
⑦棒材削皮：热处理完的棒材表面氧化铁皮较多，需要进行削皮，削皮后管坯的尺寸应满足合同要求。
实施例1
1．炼钢工艺
①电炉工艺
出钢温度（T）1677℃，磷含量为0.007%，钢水经脱磷后倒入钢包内；
②LF炉：钢包转入LF炉，LF到位后加入碳粉脱氧，给电烧渣20min，加入合金料，调整成分，出钢温度（T）1678℃，硫含量为0.010%；
③VOD/VHD炉：钢水扒净初炼渣后入VOD罐，随渣料（白灰、萤石）加入脱氧剂铝粉50kg，真空脱气压强100Pa，保持时间15min；微调整成分至控制范围，出钢温度（T）1580℃；取样分析熔炼化学成分，电极棒化学成分见表4；
2.电渣重熔工艺
①调整电力参数：电流12060A～12767A、电压60V～62V；
②电渣锭化学成分见表4；
3.轧制成材工艺
①电渣锭加热温度1190±10℃保温4h；
②棒坯加热温度1140℃；
③成品棒材尺寸：Ф50mm*7.6m；
④成品棒材退火：成品棒材采用连续式退火炉，退火温度840℃，保温时间3.5h；
4.成品棒材淬火+回火热处理
①棒材淬火温度970℃，头端保温2.5h，尾端保温1.5h；
②棒材回火温度640℃，头端保温3.8h，尾端保温2.7h；
③棒材去应力回火温度613℃，头端保温2.5h，尾端保温1.6h。
实施例2.
1．炼钢工艺
①电炉工艺
出钢温度（T）1677℃，磷含量为0.007%，钢水经脱磷后倒入钢包内；
②LF炉：钢包转入LF炉，LF到位后加入碳粉脱氧，给电烧渣20min；加入合金料，调整成分，出钢温度（T）1678℃，硫含量为0.010%；
③VOD/VHD炉：钢水扒净初炼渣后入VOD罐，随渣料（白灰、萤石）加入脱氧剂铝粉50kg，真空脱气压强100Pa，保持时间15min；微调整成分至控制范围，出钢温度（T）1580℃；取样分析熔炼化学成分，电极棒化学成分见表4；
2.电渣重熔工艺
①调整电力参数：电流10931A～12329A、电压61V～63V；
②电渣锭化学成分见表4；
3.轧制成材工艺
①电渣锭加热温度1190±10℃保温4h；
②棒坯加热温度1135℃；
③成品棒材尺寸：Ф50mm*7.6m；
④成品棒材退火：成品棒材采用连续式退火炉，退火温度840℃，保温时间3.5h；
4.成品棒材淬火+回火热处理
①棒材淬火温度970℃，头端保温2.5h，尾端保温1.5h；
②棒材回火温度640℃，头端保温3.8h，尾端保温2.7h；
③棒材去应力回火温度613℃，头端保温2.5h，尾端保温1.6h。
实施例3.
1．炼钢工艺
①电炉工艺
出钢温度（T）1677℃，磷含量为0.007%，钢水经脱磷后倒入钢包内；
②LF炉：钢包转入LF炉，LF到位后加入碳粉脱氧，给电烧渣20min；加入合金料，调整成分，出钢温度（T）1678℃，硫含量为0.010%；
③VOD/VHD炉：钢水扒净初炼渣后入VOD罐，随渣料（白灰、萤石）加入脱氧剂铝粉50kg，真空脱气压强100Pa，保持时间15min；微调整成分至控制范围，出钢温度（T）1580℃；取样分析熔炼化学成分，电极棒化学成分见表4；
2.电渣重熔工艺
①调整电力参数：电流11101A～12678A、电压59V～61V；
②电渣锭化学成分见表4；
3.轧制成材工艺
①电渣锭加热温度1190±10℃保温4h；
②棒坯加热温度1140℃；
③成品棒材尺寸：Ф50mm*7.6m；
④成品棒材退火：成品棒材采用连续式退火炉，退火温度840℃，保温时间3.5h；
4.成品棒材淬火+回火热处理
①棒材淬火温度970℃，头端保温2.5h，尾端保温1.5h；
②棒材回火温度640℃，头端保温3.8h，尾端保温2.7h；
③棒材去应力回火温度613℃，头端保温2.5h，尾端保温1.6h。
实施例4.
1．炼钢工艺
①电炉工艺
出钢温度（T）1687℃，磷含量为0.069%，钢水经脱磷后倒入钢包内；
②LF炉：钢包转入LF炉，LF到位后加入碳粉脱氧，给电烧渣25min，加入合金料，调整成分，出钢温度（T）1685℃，硫含量为0.014%；
③VOD/VHD炉：钢水扒净初炼渣后入VOD罐，随渣料（白灰、萤石）加入脱氧剂铝粉60kg，真空脱气压强80Pa-100Pa，保持时间14min；微调整成分至控制范围，出钢温度（T）1579℃；取样分析熔炼化学成分，电极棒化学成分见表4；
2.电渣重熔工艺
①调整电力参数：电流10000A～11276A、电压60V～65V；
②电渣锭化学成分见表4；
3.轧制成材工艺
①电渣锭加热温度1200±10℃保温4h；
②棒坯加热温度1140℃；
③成品棒材尺寸：Ф50mm*7.6m；
④成品棒材退火：成品棒材采用连续式退火炉，退火温度840℃，保温时间4h；
4.成品棒材淬火+回火热处理
①棒材淬火温度970℃，头端保温2.5h，尾端保温1.5h；
②棒材回火温度657℃，头端保温4h，尾端保温3h；
③棒材去应力回火温度630℃，头端保温2.6h，尾端保温1.7h。
5、检验结果
①室温力学性能检验结果见5；
②350℃高温性能检验结果见表6；
③磁性能检验结果见表7；
④非金属夹杂物和晶粒度检验结果见表8。
【附】实施例1～4的检验结果。
表4化学成分检验结果
表5室温性能检验结果
表6350℃高温性能检验结果
表7磁性能检验结果
表8非金属夹杂物和晶粒度检验结果

Claims (3)

1.一种核电站反应堆控制棒驱动机构12Cr13管坯的制造方法，其特
征在于：所述制造方法是采用电弧炉+LF+VOD/VHD→电渣炉重熔冶炼→轧制成材→调质热处理→剥皮加工工艺；
所述采用电弧炉+LF+VOD/VHD炉冶炼，其中：
电弧炉：炉料由废钢、生铁、本钢返回等组成，氧化法冶炼，出钢温度（T）不小于1630℃，磷不大于0.020%，钢水经脱磷后倒入钢包内;
LF炉：钢包转入LF炉，LF到位后加入碳粉、铝粉脱氧，给电烧渣不小于10min；加入合金料，调整成分，出钢温度（T）不小于1650℃，硫不大于0.020%;
VOD/VHD炉：钢水扒净初炼渣后入VOD罐，随渣料（白灰、萤石）加入脱氧剂Al粉，钙-硅块，真空脱气压不大于100Pa，保持时间不小于10min，微调整成分至控制范围，保持白渣，出VOD罐取成分分析试样，出钢温度（T）1570℃～1590℃;
浇注：下注法浇铸自耗电极锭，电极铸锭尺寸规格为ф470mm，浇注过程采用氩气保护；
所述电渣重熔冶炼，其中：
采用双支臂电渣重熔炉,水冷结晶器规格为ф610mm；
配制渣料CaF2:Al2O3:MgO=65:30:5渣系，渣量36kg；
用石墨电极在结晶器内造渣化渣;
控制电流11000A～13000A、电压56V～67V，电渣重熔；
电渣重熔结束20min～40min后脱锭，罩冷不小于96h，不退火;
所述轧制棒材，其中：
化学成分合格的电渣锭在均热炉中加热，加热温度按1190℃～1200℃；
采用850轧机轧制电渣锭开坯；
棒坯轧后送退火，退火温度860℃～880℃；
退火出炉的棒坯表面进行修磨处理；
修磨合格的棒坯在加热炉中加热，加热温度1100℃～1140℃；
棒坯采用连轧机轧制长管坯棒材尺寸：Ф50mm×7.6m；
成品棒材采用连续式退火炉退火，退火温度820℃～860℃；
所述成品棒材进行淬火+回火热处理，其中：
采用连续式淬火炉进行淬火处理，淬火温度950℃～1000℃；
成品棒材出淬火炉后采用水-空交替方式冷却；
采用连续式回火炉进行回火生产，回火温度595℃～760℃；
棒材出回火炉后采用空冷；
淬火+回火完成后对棒材进行矫直，保证棒材的直线度；
采用连续式回火炉进行去应力回火热处理，去应力回火温度580℃～733℃，棒材出回火炉后采用空冷；
所述削皮加工是棒材热处理后进行车削去皮，削皮后棒材的尺寸满足合同要求。
2.根据权利要求1所述核电站反应堆控制棒驱动机构12Cr13管坯的制造方法，其特征在于：所述炼钢工艺，其中：
电炉：出钢温度（T）1677℃，磷含量为0.007%，钢水经脱磷后倒入钢包内；
LF炉：钢包转入LF炉，LF到位后加入碳粉脱氧，给电烧渣20min；加入合金料，调整成分，出钢温度（T）1678℃，硫含量为0.010%；
VOD/VHD炉：钢水扒净初炼渣后入VOD罐，随渣料（白灰、萤石）加入脱氧剂铝粉50kg，真空脱气压强100Pa，保持时间15min；微调整成分至控制范围，出钢温度（T）1580℃；
所述电渣重熔工艺，其中：
调整电力参数：电流12060A～12767A、电压60V～62V；
所述轧制成材工艺，其中：
电渣锭加热温度1190±10℃保温4h；
棒坯加热温度1140℃；
成品棒材尺寸：Ф50mm*7.6m；
成品棒材退火：成品棒材采用连续式退火炉，退火温度840℃，保温时间3.5h；
所述成品棒材淬火+回火热处理，其中：
棒材淬火温度970℃，头端保温2.5h，尾端保温1.5h；
棒材回火温度640℃，头端保温3.8h，尾端保温2.7h；
棒材去应力回火温度613℃，头端保温2.5h，尾端保温1.6h。
3.根据权利要求2所述核电站反应堆控制棒驱动机构12Cr13管坯的制造方法，其特征在于：所述炼钢工艺，其中：
电炉：出钢温度（T）1687℃，磷含量为0.069%，钢水经脱磷后倒入钢包内；
LF炉：钢包转入LF炉，LF到位后加入碳粉脱氧，给电烧渣25min；加入合金料，调整成分，出钢温度（T）1685℃，硫含量为0.014%；
VOD/VHD炉：钢水扒净初炼渣后入VOD罐，随渣料（白灰、萤石）加入脱氧剂铝粉60kg，真空脱气压强80Pa～100Pa，保持时间14min；微调整成分至控制范围，出钢温度（T）1579℃；
所述电渣重熔工艺，其中：
调整电力参数：电流10000A～11276A、电压60V～65V；
所述轧制成材工艺，其中：
电渣锭加热温度1200±10℃保温4h；
所述成品棒材淬火+回火热处理，其中：
棒材回火温度657℃，头端保温4h，尾端保温3h；
棒材去应力回火温度630℃，头端保温2.6h，尾端保温1.7h。
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