CN106244780A - 一种核电用锻件材料氢含量的控制方法 - Google Patents

一种核电用锻件材料氢含量的控制方法 Download PDF

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Abstract

一种核电用锻件材料氢含量的控制方法，包括如下步骤：（1）选取经过烘烤后的炉料进行电炉冶炼；（2）步骤（1）中所用金属电极采用机加工方法处理，表面要求露出金属光泽；（3）步骤（2）完成后对真空预熔渣进行预先化渣处理，并在电渣过程中将液态的渣料浇入结晶器中；（4）步骤（3）完成后进行电渣熔炼，熔炼过程中向结晶器中通入经气体干燥机及分子筛处理后的惰性气体；（5）步骤（4）完成后进行锻造，锻造完成后进行去氢处理；（6）步骤（5）完成后进行二次热处理去氢。本发明可以显著提高合金锻件、特别是奥氏体合金锻件服役过程中的稳定性和可靠性，提高产品质量，降低锻件在服役过程中的风险。

Description

一种核电用锻件材料氢含量的控制方法
技术领域
本发明涉及一种核电用锻件材料的生产方法，特别是涉及一种核电用锻件材料氢含量的控制方法，属于冶金技术领域。
背景技术
随着煤炭、石油等能源的日益短缺，世界各国都在积极地开发新的可用能源，而核能是世界各国普遍认可并主张大力开发的一种安全、清洁、高效的能源。目前为止，美国、法国、英国、加拿大等国核能的利用率均很高，现阶段中国对核能的开发与利用与其相比还处于一种落后的局面。从长远看，核能不但可以用于发电，还将为交通运输和工业供热提供能源，逐步取代日益短缺的石油、煤炭等资源。
不锈钢和低合金钢锻件是核电用关键材料，其综合性能的优劣直接决定整体装备的稳定性和可靠性。氢是原子半径最小的元素，其在钢或合金中存在极易引发白点、发纹、氢鼓泡、氢致延迟断裂等严重问题，是造成合金锻件损伤失效的一个重要原因。由对氢的敏感性划分，目前核电用锻件可分为二类。
其一是易氢脆材料，氢在这类材料中的溶解度低而扩散速率快，极易形成氢致脆性断裂，如马氏体不锈钢和低合金结构钢。
其二是不易氢脆材料，氢在这类材料中的溶解度较大而扩散速率低，这类材料主要是指奥氏体不锈钢。
但是应予指出的是，当奥氏体不锈钢中的氢含量过高时，在其服役过程中氢会扩散偏聚于晶界等强的氢陷阱处，导致氢致延迟断裂发生，其危害亦不容忽视。含氢量高的F316LN安全端锻件、40NCD7.03主螺栓锻件及Z5CND13-04泵轴等锻件在力学性能方面表现为冲击韧性及延伸率非常差，均不满足技术条件要求。为保证核电用锻件的综合性能，确保其在服役过程中的稳定性和可靠性，需对锻件材料中的氢含量进行控制。
发明内容
本发明的目的就在于解决现有技术中因为有害元素氢含量不易控制而导致材料综合性能不满足技术要求而报废的问题，经过反复试验和研究后提供一种核电用锻件材料氢含量的控制方法。本发明可以显著提高合金锻件、特别是奥氏体合金锻件服役过程中的稳定性和可靠性，提高产品质量，降低锻件在服役过程中的风险。
本发明给出的技术方案是：一种核电用锻件材料氢含量的控制方法，其特征在于核电用锻件材料氢含量的控制方法，包括如下步骤。
（1）选取经过烘烤后的炉料进行电炉冶炼，熔炼过程中，吹氩全程搅拌并进行钢包精炼，真空除气过程中，真空度≤50Pa，并采用真空浇注，真空浇注控制真空度≤120Pa；奥氏体不锈钢电极的氢含量应≤2.0PPm，马氏体不锈钢及低合金钢的氢含量应≤1.0PPm。
（2）所述步骤（1）中所用金属电极采用机加工方法处理，表面要求露出金属光泽。
（3）所述步骤（2）完成后对真空预熔渣进行预先化渣处理，其中熔炼奥氏体不锈钢所用真空预溶渣的渣系为：CaF2 50%~60%，Al2O3 15%~25%，CaO 10%~20%，MgO 5%~10%，SiO23%~6%；熔炼马氏体不锈钢及低合金钢等真空预溶渣的渣系为：CaF2 25%~35%，Al2O3 30%~40%，CaO 15%~25%，MgO 3%~8%；所用化渣炉为具有一定抽真空能力的真空炉，化渣过程中真空度应在800Pa~860Pa之间，并在电渣过程中将液态的渣料浇入结晶器中。
（4）所述步骤（3）完成后，进行电渣熔炼；熔炼过程中向结晶器中通入经气体干燥机及分子筛处理后的惰性气体（氩气），通入量为10m3~15m3/h。
（5）所述步骤（4）完成后进行锻造，锻造完成后进行去氢处理，其中奥氏体不锈钢的去氢处理温度为650℃~750℃，马氏体不锈钢及低合金钢为950℃~980℃；锻后处理完成后直接进行热处理去氢处理，此过程锻件不允许出炉。
（6）所述步骤（5）完成后进行二次热处理去氢，其中奥氏体不锈钢的去氢处理温度为530℃~570℃，并在该温度保温200h，空冷；马氏体不锈钢及低合金钢的去氢处理温度为350℃~650℃，最终冷却方式为炉冷。
本发明所述的这种核电用锻件材料氢含量的控制方法，适用于奥氏体不锈钢、马氏体不锈钢及低合金钢等。
本发明的设计思想是。
本发明给出的这种降低核电用锻件材料氢含量的方法，其设计思想为。
1）通过炉料烘烤（降低原材料的潮湿度）和熔炼电极表面加工（减少由于电极表面腐蚀氧化带入钢中的氢含量）减少氢源，有效降低熔炼过程中氢的进入。
2）熔炼过程中采用全程钢包吹氩搅拌，使钢液中氢随氩气气泡溢出，同时采用真空除气及真空浇注有效地切断大气与钢液接触途径，起到降低钢液中氢含量的作用。
3）通过渣系选择及辅助手段优化实现控氢目的，如熔炼奥氏体不锈钢时选取的渣系为：CaF2 50%~60%，Al2O3 15%~25%，CaO 10%~20%，MgO 5%~10%，SiO2 3%~6%，马氏体不锈钢及合金结构钢采用渣系为：CaF2 25%~35%，Al2O3 30%~40%，CaO 15%~25%，MgO 3%~8%。使用真空预溶渣且电渣过程中采用热渣启动均可很大程度降低由于电渣化渣过程中造成强烈吸氢的情况出现，有效降低钢中的氢含量。电渣过程中，向结晶器中通入经气体干燥机及分子筛处理后的惰性气体（氩气），通入量为8m3~12m3/h，切断了外界空气进入钢中的途径，避免增氢，降低氢含量。
4）通过锻后的一次去氢热处理和热处理过程的二次去氢处理达到有效控制氢含量的目的。通过锻后去氢处理和热处理去氢处理均可为氢溢出提供能量起伏，达到去氢效果，降低材料中的氢含量，达到材料的使用要求。
与现有技术相比，本发明的有益效果是。
1、采用本发明方法所生产的核电用奥氏体钢锻件产品氢含量≤2.0PPm，马氏体不锈钢及低合金钢氢含量≤1.5PPm，满足核电使用要求，降低了材料的废品率，降低了企业的生产成本。
2、本发明选用电渣奥氏体不锈钢电极的氢含量≤2.0PPm，马氏体不锈钢及低合金钢等氢含量≤1.0PPm，并车光表面的金属电极可有效降低金属电极自身带入钢中的氢，有效降低材料产生氢脆的倾向。使用真空预溶渣且电渣过程中采用热渣启动均可很大程度降低由于电渣化渣过程中造成强烈吸氢的情况出现，有效降低钢中的氢含量。电渣过程中向结晶器中通入经气体干燥机及分子筛处理后的惰性气体（氩气），通入量为8m3~12m3/h，切断外界空气进入钢中的途径，以此控制H含量的增加。所生产的核电锻件产品探伤过程中未发现氢脆引起的发纹、白点等现象，合格率大大提高。
附图说明
图1为本发明所涉及的锻件制备工艺路线流程图。
具体实施方式
下面通过实施例和附图对本发明做进一步详细描述。
实施例1。
电渣重熔核电用F316LN合金安全端锻件，电渣所用电极母材的氢含量经检测为1.7ppm。采用图1所示的锻件制备工艺路线，所选真空预熔渣渣量为200Kg，渣系配比为：CaF2 58%，Al2O3 20%，CaO 13%，MgO 6%，SiO2 3%，通干燥机及分子筛处理后的惰性气体（氩气），通入量为11m3/h进行保护。锻后去氢处理温度为750℃，保温10h随炉冷却至室温，随后不出炉进行550℃保温200h后空冷。所测的锻件氢含量结果如表1所示。
表1 F316LN合金成品锻件氢含量检测结果。
所测得F316LN合金安全端成品锻件的各项力学性能如表2所示。
表2 F316LN合金安全端成品锻件力学性能。
实施例2。
电渣重熔核电用40NCD7.03合金主螺栓锻件，电渣所用电极母材的氢含量经检测为1.2ppm。采用图1所示的锻件制备工艺路线，所选真空预熔渣渣量为200Kg，渣系配比为：CaF2 30%，Al2O3 40%，CaO 25%，MgO 5%，通干燥机及分子筛处理后的惰性气体（氩气），通入量为12m3/h进行保护。锻后去氢处理温度为1000℃，保温8h随炉冷却至室温，随后不出炉进行650℃保温30h后炉冷至350℃，保温30h后升温到650℃，保温50h，炉冷至350℃，保温100h后随炉冷至室温。所测的锻件氢含量结果如表3所示。
表3 40NCD7.03合金成品锻件氢含量检测结果。
所测得40NCD7.03合金主螺栓成品锻件的各项力学性能如表4所示。
表4 40NCD7.03合金主螺栓成品锻件力学性能。
实施例3。
电渣重熔核电用Z5CND13-04合金泵轴锻件，电渣所用电极母材的氢含量经检测为1.4ppm。采用图1所示的锻件制备工艺路线，所测的锻件氢含量结果如表5所示。
表5 Z5CND13-04合金成品锻件氢含量检测结果。
所测得Z5CND13-04合金泵轴成品锻件的各项力学性能如表6所示。
表6 Z5CND13-04合金成品锻件力学性能

Claims (2)

1.一种核电用锻件材料氢含量的控制方法，其特征在于核电用锻件材料氢含量的控制方法，包括如下步骤：
（1）选取经过烘烤后的炉料进行电炉冶炼，熔炼过程中，吹氩全程搅拌并进行钢包精炼，真空除气过程中，真空度≤50Pa，并采用真空浇注，真空浇注控制真空度≤120Pa；奥氏体不锈钢电极的氢含量应≤2.0PPm，马氏体不锈钢及低合金钢的氢含量应≤1.0PPm ；
（2）所述步骤（1）中所用金属电极采用机加工方法处理，表面要求露出金属光泽；
（3）所述步骤（2）完成后对真空预熔渣进行预先化渣处理，其中熔炼奥氏体不锈钢所用真空预溶渣的渣系为：CaF2 50%~60%，Al2O3 15%~25%，CaO 10%~20%，MgO 5%~10%，SiO2 3%~6%；熔炼马氏体不锈钢及低合金钢等真空预溶渣的渣系为：CaF2 25%~35%，Al2O3 30%~40%，CaO 15%~25%，MgO 3%~8%；所用化渣炉为具有一定抽真空能力的真空炉，化渣过程中真空度应在800Pa~860Pa之间，并在电渣过程中将液态的渣料浇入结晶器中；
（4）所述步骤（3）完成后，进行电渣熔炼；熔炼过程中向结晶器中通入经气体干燥机及分子筛处理后的惰性气体（氩气），通入量为10m3~15m3/h；
（5）所述步骤（4）完成后进行锻造，锻造完成后进行去氢处理，其中奥氏体不锈钢的去氢处理温度为650℃~750℃，马氏体不锈钢及低合金钢为950℃~980℃，锻后处理完成后直接进行热处理去氢处理，此过程锻件不允许出炉；
（6）所述步骤（5）完成后进行二次热处理去氢，其中奥氏体不锈钢的去氢处理温度为530℃~570℃，并在该温度保温200h，空冷；马氏体不锈钢及低合金钢的去氢处理温度为350℃~650℃，最终冷却方式为炉冷。
2.按照权利要求1所述的一种降低核电用锻件材料氢含量的方法，适用于奥氏体不锈钢、马氏体不锈钢及低合金钢。
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