CN107760990A

CN107760990A - 核电蒸汽发生器用法兰锻件的锻造方法

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Publication number: CN107760990A
Application number: CN201711000009.2A
Authority: CN
Inventors: 周丽明; 李慧
Original assignee: SHANGHAI SHENJIANG FORGING CO Ltd
Current assignee: SHANGHAI SHENJIANG FORGING CO Ltd
Priority date: 2017-10-24
Filing date: 2017-10-24
Publication date: 2018-03-06
Anticipated expiration: 2037-10-24
Also published as: CN107760990B

Abstract

本发明涉及核电蒸汽发生器用法兰锻件的锻造方法，采用真空感应炉制造电极棒+电渣重熔炉二次熔炼制造Incoloy‑800H电渣钢锭，电渣钢锭的加热后进行锻造；采用二墩二拔冲孔和扩孔的锻造工艺进行锻造，锻造比大于6，获得粗锻件；依次经过第一次粗加工、探伤、固溶化热处理将晶粒度控制在≥5级、第二次粗加工二次探伤、理化性能检验、精加工、观尺寸检查后获得成品，本发明实现了用Incoloy‑800H钢锻造大尺寸蒸汽发生器用法兰锻件，锻件在高温下具有优异的理化性能，可被广泛的推广和应用。

Description

核电蒸汽发生器用法兰锻件的锻造方法

[技术领域]

本发明涉及锻件的锻造方法，具体涉及一种核电蒸汽发生器用法兰锻件的锻造方法。

[背景技术]

高温气冷堆核电设备是世界上最安全的核电设备，在任何情况下，高温气冷堆都不会发生堆芯融化事故和大量放射性释放事故，不会对人类健康和环境造成影响。

法兰锻件是高温气冷堆核电设备蒸汽发生器中的重要零件，需要具有耐高温的强度、抗氧化、抗腐蚀还要在高温使用下具有最佳抗蠕度和抗断裂的特性。

Incoloy-800H钢是美国特殊合金法人集团通过多年科学研究，长期实验在Incoloy-800H钢的基础上开发出的新钢种，具有耐高温强度、抗氧化、抗渗碳，在高温使用下具有最佳的蠕度和抗断裂的特性以及抵抗其他类型高温腐蚀的性能是属于铁基变形耐蚀高温合金不锈钢。国内外目前使用此新钢种比较少，有关此钢种的技术资料就更少了，特别是热加工的技术参数少之更少。

有关资料提出该钢种化学成分中c,和Al、Ti的最佳值：C含量控制在0.08％max，Al+Ti控制在0.40～0.70％范围内，详见下表

表1 800、800H、800HT耐热镍铬合金元素含量范围

根据有关资料介绍Incoloy-800H钢目前的使用范围仅限于热交换器，蒸汽发生器的加热管，炉管、耐热构件及厚度≤70mm的钢板等小尺寸的零件。在冶炼、锻造，热处理、机械加工等领域都具有很大的技术难度。而用此钢种来锻造大型的法兰锻件更是无资料可循。

[发明内容]

本发明地目的在于满足和达到蒸汽发生器用Incoloy-800H钢锻件技术条件中各项技术指标，提供一种核电蒸汽发生器用法兰锻件的锻造方法，包括以下步骤：

a.采用真空感应炉制造电极棒+电渣重熔炉二次熔炼制造Incoloy-800H电渣钢锭，其中各化学成分控制在如下质量百分比：

C：0.05～0.10％；Si：≤1.00％；Mn：≤1.50％；P：≤0.015％；S：≤0.010％；Ni：30.0～35.0％；Cr：19.0～23.0％；Fe：≥39.5％；Al：0.15～0.60％；Ti：0.15～0.60％；Cu：≤0.75％；As：≤0.010％；Sn：≤0.010％；Sb≤0.0025％；Bi：≤0.001％；Pb：≤0.001％；Co≤0.08％；

钢锭的Ti/C质量比控制在5～7的范围内，熔炼中控制C的质量百分比含量约等于0.06～0.10％，Al+Ti的质量百分比含量限制在0.85～1.20％之间，有害元素低于Incoloy-800H的标准要求；

b.电渣钢锭的加热，以大于等于250℃的初始温度进行加热，以≥80℃/h的升温速率加热至850℃，保温2小时，全功率升至1170±10℃，均温保温3小时后进行锻造；

c.钢锭的锻造变形，采用二墩二拔冲孔和扩孔的锻造工艺进行锻造，锻造比大于6，获得法兰的粗锻件；

d.第一次粗加工，将粗锻件加工至要求的第一粗尺寸；

e.超声波初次探伤；

f.固溶化热处理，初始温度≥450℃，以≥80℃/h的升温速率加热至870℃，均温保温3小时，全功率升至1150±10℃，均温保温5小时，然后水冷至≥150℃，将晶粒度控制在≥5级；

g.第二次粗加工，将固溶化热处理后的粗锻件加工至要求的第二粗尺寸；

h.超声波二次探伤；

i.理化性能检验；

j.精加工，精加工至要求的产品尺寸；

k.外观尺寸检查；

l.成品。

上述锻造方法还具有如下优化工艺：

所述的Incoloy-800H电渣钢锭各化学成分优选控制在如下质量百分比：

C：0.07～0.10％；Mn：0.60～1.50％；P：≤0.015％；S：≤0.010％；Si：0.50～1.00；Cr：21.0～23.0％；Ni：34.0～35.0％；Cu：≤0.75％；Al：0.25～0.60％；Ti：0.25～0.60％；Fe：≥39.5％；As：≤0.010％；Sn：≤0.010％；Sb≤0.0025％；Bi：≤0.001％；Pb：≤0.001％；Co≤0.08％；O：≤0.003％；N：≤0.008％，H：小于等于0.0005％。

所述的Incoloy-800H电渣钢锭的Ti/C重量百分比＝6.395。

成品的法兰锻件尺寸为外径Φ955mm，内径Φ800mm，高度200mm。

所述的锻造变形依次包括:下料加热、镦粗、拔长、二次镦粗、冲孔、扩孔成型、锻后冷却步骤。

本发明在没有现有技术参考的前提下，对法兰锻件产品进行技术分析和研究，提出了针对法兰锻件的特有的锻造技术路线，实现了用Incoloy-800H钢锻造大尺寸锻件，通过本发明工艺锻造的蒸汽发生器用法兰锻件在高温下具有优异的理化性能，可被广泛的推广和应用。

本发明同现有技术相比：

1).对Incoloy-800H耐热镍铬不锈高温合金钢的化学成分进行了优化，提出了C及各主要化学元素的上下限的控制范围，C：Ti的控制比，有害元素的含量，这些元素含量的控制都经过设计计算确定，经过选择决定配比，

2).首次提出了针对锻造蒸气发生器法兰用INCOLOY 800H钢的冶炼方法：通过VIM+ESR的冶炼方法，控制适当技术参数，确保了钢的质量；

3).提出了INCOLOY 800H钢锻造大尺寸法兰的锻造工艺：确定了锻件的锻造比，以及钢锭的加热工艺确定(加热温度，加热速度，保温时间)；

4).提出了INCOLOY 800H钢锻造大尺寸法兰的热处理工艺：包括确定了固溶化热处理温度，升温速率，保温时间和实际操作技术等。

5).晶粒度、夹杂物等的控制，力学性能，特别是350℃高温性能与晶粒度大小影响很大。

[附图说明]

图1为Incoloy-800H钢的加热工艺示意图；

图2为第一次粗加工法兰锻件尺寸示意图；

图3为Incoloy-800H钢法兰锻件的性能热处理工艺示意图；

图4为第二次粗加工法兰锻件尺寸示意图；

图5为取样位置示意图；

图6展示了非金属杂物检测结果；

图7展示了晶粒度检测结果；

图8为锻件尺寸示意图；

图9为锻造变形的主要步骤流程图。

[具体实施方式]

以下，结合实施例对于本发明做进一步说明，实施例和附图仅用于解释说明而不用于限定本发明的保护范围。

蒸汽发生器是核电设备的重要设备之一，法兰锻件是蒸汽发生器的重要零件。本实施例采用Incoloy-800H锻造蒸汽发生器的法兰锻件。

项目主要内容、目标：

主要内容：核电高温气冷堆核蒸汽发生器用Incoloy-800H钢制造法兰锻件具体尺寸外径Φ955mm，内径Φ800mm，高度200mm的锻件其各项考核指标达到和满足清华大学核能技术设计研究院的技术条件要求。具体内容：Incoloy-800H钢的冶炼、加热、锻造、性能热处理、各项理化检测等。

目标是满足和达到蒸汽发生器用Incoloy-800H钢锻件技术条件中各项技术指标，完成蒸汽发生器科研用Incoloy-800H钢制造法兰锻件的国产化任务。

(2)、关键技术：

①、Incoloy-800H钢的化学成分合金元素的优化组合是技术关键之一。Incoloy-800H钢中主要合金元素C、Cr、Ni、Ti、Al、Fe之间的配比最佳含量控制对钢的性能影响很大。

要求C：约等于0.06～0.10％，Al+Ti含量限制在0.85～1.20％之间。有害元素：As、Sn、Sb、Bi、Pb越少越好，低于标准要求。

②、Incoloy-800H钢是耐热耐融镍铬铁基高温合金冶炼工艺是关键技术之一。

除了控制各合金元素的含量外，提供钢水的纯净度更为重要。为了减少钢中的非金属夹杂物和气体的含量。必须选用优质高纯净的炉料和各种低碳的铁合金元素，冶炼方法是采用真空感应炉(VIM)制造电极棒+电渣重熔炉(ESR)制造电渣钢锭。二次熔炼工艺确保Incoloy-800H钢的化学成分符合技术条件的要求并获得高纯净度电渣重熔钢锭。

③、Incoloy-800H钢的加热，锻造是关键技术之一：

Incoloy-800H钢是耐热耐融镍铬铁基高温合金其导热系小，加热过程温度控制比较困难，此种钢是属于奥氏体镍铬不锈钢。加热过程中升温度、加热温度和保温时间等工艺参数要考虑防止晶粒长大和钢要加热透是技术关键。电渣钢锭选用的尺寸是Φ390nm×830nm，锻造比>6，此种钢的锻造区域在1140℃～900℃之间，锻造区域比较狭窄，变形抗力很大，要求锻造设备能力要大，保证钢锭的中心铸造组织打碎、细化晶粒、优化微观组织，防止在锻造过程中钢的开裂影响成形。

④、Incoloy-800H钢法兰锻件力学性能要求常温和675℃高温，同时还要求做高温675℃的高温持久强度实验。钢的晶粒度要求：5级或更粗。一般的常温力学性能高要求钢的晶粒度越细越好，但是高温力学性能和高温持久强度的晶粒度粗些才能达到技术条件要求。因此Incoloy-800H钢奥氏体镍铬不锈钢的晶粒度控制是关键技术之一。

⑤、Incoloy-800H钢研制法兰锻件的性能热处理是关键技术之一。

Incoloy-800H钢的耐热耐蚀镍铬铁基高温合金的力学性能包括常温、高温675℃的数据与晶粒度有关外，与性能热处理有关。如热处理的进炉温度，升温速度，固溶化温度，保温时间，水淬速度，固溶化前后的水温度差及出水时锻件的表面温度等工艺参数也决定着Incoloy-800H钢的力学性能和其它技术指标能否达标。

主要技术指标或经济指标：

(1)、蒸汽发生器用Incoloy-800H钢研制法兰锻件技术条件的技术指标：

表1：Incoloy-800H钢的化学成分：

Incoloy 800H耐热镍铬不锈钢是铁基固溶强化钢，化学成分中的C、Cr、Mn、N等都是固溶强化元素，可以提高原子结合力降低扩散系数，可以形成单向固溶体，由于化学成分中含有Al、Ti等元素是沉淀强化元素可以形成细小弥散分布的稳定碳化物(TiC、TiN)和稳定性更高的金属间化合物(Ni₃Ti、Ni₃Al)。所以，Incoloy 800H钢通过固溶化热处理获得良好的高温强度，持久能力和抗断裂性能。

表2：力学性能：

③、高温持久强度：

在675℃温度下进行高温持久强度试验

δ10⁵≥55Mpa

δ3*10⁵≥47Mpa

④、低倍组织：

横向低倍组织不得有肉眼可见的残余缩孔痕迹，孔洞，针孔，裂纹和夹杂(包括外来金属夹杂)

表3：非金属夹杂物：

夹杂类型	A	B	C	D	总和
						量级	≤1.5	≤1.0	≤1.0	≤1.0	≤3.5

Ti(C、N)夹杂的级别按ASTME45中的A法，级别≤2.5级

⑥、晶粒度：

锻件晶粒度应为5级或更粗

⑦、液体渗透检验：

按ASME V SE-165标准

⑧、超声波检验：

按ASME V SA-745标准

技术路线(工艺路线)

(1)、对法兰锻件产品进行技术分析和研究，决定研制法兰锻件的技术路线。

①、Incoloy-800H钢的化学成分最佳合金元素成分的配比和对力学性能内在影响。

②、Incoloy-800H钢的冶炼方法和有关的工艺参数确定，

③、Incoloy-800H钢的加热，锻造工艺有关工艺参数的确定，

④、Incoloy-800H钢法兰锻件的粗加工工艺编制和加工，

⑤、Incoloy-800H钢性能热处理工艺的确定，

⑥、法兰锻件的理化检测及外观粗糙度和尺寸的检查。

(2)、工艺路线

电渣钢锭的冶炼(MIV+ESR)→电渣钢锭的加热→钢锭的锻造→粗加工(Ⅰ)→超声波初探→固溶化热处理→粗加工(Ⅱ)→超声波探伤→理化检验→精加工→外观、尺寸检查→合格后包装并出具质量合格证书。

具体工艺步骤如下：

核电蒸汽发生器用法兰锻件的锻造方法，包括以下步骤：

a.采用真空感应炉制造电极棒+电渣重熔炉二次熔炼制造Incoloy-800H电渣钢锭，钢锭的Ti/C质量比控制在5～7的范围内，各成分含量参照表1；

b.如图1所示，电渣钢锭的加热，以大于等于250℃的初始温度进行加热，以＞80℃/h的升温速率加热至850℃，保温2小时，全功率升至1170±10℃，均温保温3小时后进行锻造；

c.钢锭的锻造变形，采用二墩二拔冲孔和扩孔的锻造工艺进行锻造，锻造比大于6，获得粗锻件；

在本实施例中，锻造变形依次经过以下步骤，如图9所示，

i.下料加热，采用3吨电渣钢锭，钢锭的利用率为65％，即应取出锭头25％，锭底10％的料，开坯成Φ400圆，锯床下料：尺寸：无Φ400*600 2件；有Φ400*7901件，按加热规范加热，做好现场记录；

ii.镦粗，注意平整，锻造比r＝2，

iii.拔长，锻造比r＝2.4，

iv.二次镦粗，注意平整，锻造比r＝3，

v.冲孔，选用Φ180开门冲，再冲头扩孔，

vi.扩孔成型:采用马架扩孔，逐步按工艺尺寸，做好现场记录，逐渐做好标识，r_扩＝1.7，R_总＝7。

vii.锻后冷却步骤，采用空冷，

viii.检验。

d.第一次粗加工，锻件尺寸参见图2；

将锻件粗加工至图2尺寸，不带试棒锻件单重为413Kg，带试棒锻件单重为571Kg，焊接热缓冲环；

e.超声波初次探伤；

f.如图3所示，固溶化热处理，热处理分2炉批，每个熔炼炉号的3个锻件组成一炉批，初始温度≥450℃，以≥80℃/h的升温速率加热至870℃，均温保温3小时，全功率升至1150±10℃，均温保温5小时，然后水冷至≥150℃，将晶粒度控制在≥5级。

Incoloy 800H钢的固溶化热处理温度在980～1150℃之间，此钢加热升高到一定温度能够促使晶粒长大，从儿得到最佳抗时间蠕变能力。根据工件本身的晶粒尺寸以及热处理炉的性能，要灵活调整固溶化温度和保温时间，确保钢的晶粒度达到ASTM NO 5或者更粗的晶粒度，但晶粒度过度长大会引起工件的韧性下降。

Incoloy 800H耐热镍铬不锈钢是奥氏体固溶强化合金钢，一般在其微观结构中会出现钛氮化合物、钛碳化合物以及钛铬化合物。氮化物在熔点以下的所有温度都很稳定。因此不受热处理影响。碳铬化物则在540～1095℃温度下沉淀在合金中，因此该钢与其他奥氏体不锈钢相似，在540～760℃温度范围内易产生晶间腐蚀，因此要急速冷却避开次温度范围。

g.第二次粗加工，锻件尺寸如图4所示；

h.超声波二次探伤；

i.理化性能检验；

检验工作是按照制定的工艺路线进行的

①、Incoloy-800H钢的冶炼和钢的实际化学成分：

冶炼方法：真空感应炉(MIV)+电渣重熔炉(ESR)

化学成分，检测依据ASME II A751：

力学性能检测结果：

常温拉伸试验检测标准为GB/T228.1-2010；

高温拉伸试验检测标准为GB/4338-2006；

如图5所示，其取样(切向取样)数量如下：

室温拉伸试样，对应序号1,3；

675℃拉伸试样，对应序号2,4；

低倍组织试样：对应序号1的端部；

金相试样：对应序号5,7；

成品分析试样，对应序号6；

非金属夹杂物检测结果参见图6，检测标准为GB/T10561；

晶粒度检测结果参见图7，检测标准为GB/T6394；

j.精加工；

k.外观尺寸检查；

l.成品，成品尺寸如图8所示。

液体渗透和超声波探伤结果均达到技术条件的要求标准合格。Incoloy-800H钢法兰锻件的研制中克服很多技术难关和关键技术，例如：力学性能中常温、675℃高温性能数据与晶粒度的关系。Incoloy-800H钢是耐热耐蚀的镍铬铁基的奥氏体不锈钢，其晶粒度的控制是很难的。晶粒度的调整采用热处理工艺——重结晶细化晶粒度是不可的，只能依靠锻造的变形量来控制晶粒度同时还要防止产生混晶的问题。要达到常温的力学性能数据晶粒度要细，而要达到675℃高温性能数据晶粒度要粗，因此要适当调整晶粒度大小，同时满足常温、675℃高温的力学性能才能达到技术条件要求的指标。

Claims

1.一种核电蒸汽发生器用法兰锻件的锻造方法，其特征在于包括以下步骤：

d.第一次粗加工，将粗锻件加工至要求的第一粗尺寸；

e.超声波初次探伤；

h.超声波二次探伤；

i.理化性能检验；

j.精加工，精加工至要求的产品尺寸；

k.外观尺寸检查；

l.成品。

2.如权利要求1所述的核电蒸汽发生器用法兰锻件的锻造方法，其特征在于所述的Incoloy-800H电渣钢锭各化学成分控制在如下质量百分比：

3.如权利要求1所述的核电蒸汽发生器用法兰锻件的锻造方法，其特征在于所述的Incoloy-800H电渣钢锭的Ti/C重量百分比＝6.395。

4.如权利要求1所述的核电蒸汽发生器用法兰锻件的锻造方法，其特征在于成品的法兰锻件尺寸为外径Φ955mm，内径Φ800mm，高度200mm。

5.如权利要求1所述的核电蒸汽发生器用法兰锻件的锻造方法，其特征在于所述的锻造变形依次包括：下料加热、镦粗、拔长、二次镦粗、冲孔、扩孔成型、锻后冷却步骤。