CN109513766B - 一种高同心度马氏体不锈钢无缝管材的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高同心度马氏体不锈钢无缝管材的制造方法，包括以下步骤：棒坯加工；钻中心通孔；精密镗制中心孔；精车外圆保证同心度；第一道次冷轧；冷轧管的清洗；轧后管材的退火；下一道次冷轧；轧后管材的成品热处理；成品管的精整；成品管无损探伤。该制造方法简便实用、成本合理、性价比好，且成品X12Cr13马氏体不锈钢管材的同心度高，能保证各项性能完全满足使用要求，适合批量化生产。
Description
技术领域
本发明涉及金属管材制造工艺的技术领域，特别涉及一种用于反应堆控制棒驱动机构用马氏体厚壁不锈钢无缝管材的制造方法。
背景技术
根据我国能源结构调整的需要，国家正积极发展核电产业。目前核电在我国的能源供给中占比还很低，未来具有良好的发展前景。我国已建核电机组的设备国产化比例尚有待提高，一些关键零部件和特殊材料还长期依赖于进口，其中反应堆控制棒驱动机构中的驱动杆用X12Cr13马氏体厚壁不锈钢管就全部依赖进口。
核电站反应堆控制棒驱动机构的驱动杆，其主要功能是带动控制棒组件在反应堆内上下运动，来调节核反应堆的发热功率。驱动杆位于竖直安装的控制棒驱动机构正中心位置，在紧急情况下依靠自重力而垂直下落，可快速地把控制棒组件插入反应堆堆芯以实现紧急停堆。由此可见，如果驱动杆管材的同心度不好，会导致驱动杆的设计几何中心与实际重心出现偏差，从而使得驱动杆在竖直下落时产生偏斜，将增大附加摩擦而减缓紧急落棒的速度，对反应堆安全停堆带来不利影响。
目前驱动杆所用的X12Cr13马氏体厚壁不锈钢无缝管材总长为7～8米，外径44.5～45mm，内径13～22mm，直线度要求全长小于等于4mm，外圆上车有环形槽与钩爪啮合，以完成提升和下降动作，因此要求驱动杆的材料既具有高强度、高韧性、硬度控制恰当，有很好的耐磨性，又要求该管材具有较高的同心度，并且材料的制造工序简便、成本合理。
与一般不锈钢管材相比，驱动杆用X12Cr13马氏体厚壁不锈钢无缝管材无论在材料性能及加工处理环节上都有很大不同，对制造设备和技术工艺都有严格要求，国内长期不能自主供货，以致于目前国内核电站反应堆控制棒驱动机构的驱动杆全是采用的是进口管材。而进口管材采用的是马氏体不锈钢坯料热挤压工艺进行生产，特点是成形快速高效、机械性能良好，但存在成品管的中心孔质量较差、同心度不好(最大壁厚差达1～1.5mm)等不足。
随着我国对新建核电项目国产化要求的不断提高，国内对驱动杆管材也开展了国产化研究并取得了一些进展，如申请号CN201010151820.2《核反应堆控制棒驱动机构驱动杆1Cr13厚壁管材的制备》、申请号CN201410038763.5《核电站控制棒驱动机构驱动杆及其制备方法》、申请号CN201510872110.1《核电站反应堆控制棒驱动机构12Cr13管坯的制造方法》都曾进行过相关试制工作。
但上述现有技术中，申请号CN201010151820.2和CN201410038763.5均采用热穿孔成型的工艺，仍然存在荒孔内壁质量和壁厚均匀性差、容易偏心等缺点，其成品管的最大壁厚差依然在1mm左右。为避免热穿孔成型工艺带来的缺点，申请号CN201510872110.1的方法是将外径大于Φ100mm的棒坯通过多道次轧制，直接轧成外径为Φ45mm的成品尺寸细长实心棒。但这样就要求驱动杆在加工时，须用特种钻头钻削出内径为Φ13.5～22mm的7米长深孔，并要求保持全长的壁厚均匀。由于此深孔的长径比已达400左右，这是难度极高的深孔加工，中心孔质量较差，普遍存在钻孔时留在中心孔表面的螺旋状划伤、细微裂纹及对接错边等各类中心孔缺陷，且成品管的最大壁厚差约为1～2mm，同心度不佳。
发明内容
本发明的目的是提供一种高同心度马氏体不锈钢无缝管材的制造方法，解决上述现有技术问题中的一个或者多个。
本发明提供的一种高同心度马氏体不锈钢无缝管材的制造方法，包括以下步骤：
S1、棒坯加工：将冶炼所得马氏体不锈钢钢锭经锻造后得到锻棒坯，再经切除头尾料、切割定长与外层扒皮后，得到直径为Φ80～120mm的光圆棒坯。
S2、钻中心深孔：在深孔钻孔机床上，将光圆棒坯在中心位置沿轴向钻出内径为Φ40～70mm的通孔；可采用钻头从一端钻入直接钻通圆棒，也可以在圆棒两端面分别钻入、在圆棒中段使中心孔对接的方式，以减少钻深孔的难度。这是容易实现的工艺，因为钻头直径已足够大且可从两端钻入，容易得到对接处错边量小的中心孔。
S3、精密镗制中心孔：将已钻好中心通孔的圆棒装于深孔精密镗床上，以精密镗制方式加工出连续光洁的中心孔，精镗后的孔径会比钻孔时的孔径大1～4mm。精镗时采用精密镗刀从圆棒一端的孔切入并连贯而不停顿地从另一端切出，以完全去除步骤S2钻孔时留在管中心孔内表面上的钻头刀痕和对接痕迹等缺陷，最终得到内壁光洁连续的中心孔。操作上可用精密镗刀、浮动镗刀分2至3道次进行精密镗制的方式，加工出内表面十分光洁连续的中心孔，彻底消除钻孔时留在中心孔表面的螺旋状划伤、细微裂纹及对接错边等各类中心孔缺陷。
该步骤十分重要，是保证成品管内孔质量的核心环节，也是本发明区别于现有技术的关键点之一。因为现有技术中对于管内孔的处理为深孔打磨、酸洗等传统手段，并不能有效去除孔壁刀痕、对接痕及折叠、斑坑、纹裂纹等各种缺陷。
S4、精车外圆：以精镗后的中心孔为基准，在车床上精车圆棒的外圆，精车后圆棒外径会减小1～4mm，以实现外圆与中心孔具有很好的同心度。制成的同心度很高的轧前坯管，会为后续轧制及最终产品的高质量打好基础。该步骤亦十分重要，是保证成品管具有高同心度的核心环节，也是本发明区别于现有技术的关键点之一。
S5、第一道次冷轧：将轧前坯管装在冷轧管机上进行第一道次轧制，轧后管子外径与壁厚都将减小，控制本道次轧制变形量为38～42％。
S6、冷轧管的清洗：采用对马氏体不锈钢无腐蚀作用的碱性清洗剂或有机溶剂，对冷轧后的管材进行内外表面的浸泡和清洗，彻底去除轧制油污，之后用大量清水将管子洗净并晾干。
S7、轧后管材的退火：将洗净晾干后的清洁冷轧管规则地放置于热处理炉中，随炉升温至750℃～800℃，保温后出炉空冷。
S8、下一道次冷轧：将退火后的管子在冷轧管机上进行下一道次轧制，轧后管子外径与壁厚都将继续减小，控制本道次轧制变形量为38～42％。重复上述S6至S8步骤，使管子外径最终轧制到Φ44.5～47mm。本发明中如果圆棒坯采用的最初外径不大于90mm时，总轧制道次为2次；若圆棒外径大于90mm则总轧制道次将大于2次。
S9、轧后管材的成品热处理：将完成全部道次冷轧后的管材清洗干燥后，规则地放置于热处理炉中，淬火温度为950℃～1000℃，回火温度为600℃～650℃。
S10、成品管的精整：将热处理后的管子进行矫直、外圆车磨、抛光至最终要求的Φ44.5～45mm尺寸及精度。
S11、成品管无损探伤：对精整后的成品管进行全面的渗透探伤(PT)和超声波探伤(UT)，剔除有缺陷的管材。
其中，马氏体不锈钢的型号为X12Cr13。
有益的效果：
1、采用本发明工艺方法，产品的最终合格率高。由于采用精密镗制中心孔的冷精加工艺来替代了热穿孔、热挤压等对于中心孔质量难以保证的热粗加工手段，从而使成品管中心孔的表面质量大为改善，并使成品探伤合格率明显提高，保证了成品管的高品质。
2、采用本发明工艺方法，成品管的同心度高，实际的最大壁厚差仅为0.1～0.15mm，仅为进口管材和现有技术的大约1/10，使成品管材的同心度得到了本质性提高，这对于提升控制棒驱动机构的整机性能大为有益。
3、本发明方法工序简便，无需用到热挤压机、热穿孔机等重型热加工设备，不仅清洁环保，还降低了设备投资及折旧成本，使成品的综合成本合理可控。
4、采用本发明生产出的成品管，孔径精准、中心孔光洁、壁厚均匀、同心度好、机械性能优良，综合质量明显优于热穿孔、热挤压的产品，而且成品造价较低，性价比高。
具体实施方式
下面通过实施方式对本发明进行进一步详细的说明。
实施案例1：
一种高同心度马氏体不锈钢无缝管材的制造方法，包括以下步骤：
α1、棒坯加工：将冶炼所得的马氏体钢钢锭经锻造后得到锻棒坯，保证锻造比大于3；再经切除头尾料、切割定长与外层扒皮后，得到直径为Φ120mm的光圆棒坯，长度为1.4米左右；
α2、钻中心深孔：在深孔钻孔机床上，将上述探伤合格的光圆棒坯在中心位置沿轴向钻出内径为Φ61mm的通孔；
α3、精密镗制中心孔：将已钻好中心孔的圆棒装于深孔精密镗床上，以精密镗刀、浮动镗刀分2道次进行精密镗制的方式，加工出内径为Φ64mm的十分光洁连续的中心孔；
α4、精车外圆保证同心度：以精镗后的中心孔为基准，在车床上精车圆棒的外圆到Φ117mm，以保证外圆与中心孔的同心度很高；
α5、第一道次冷轧：将上述坯管装在冷轧管机上进行第一道次轧制，轧后的管子外径为Φ100mm，控制本道次轧制变形量为38％；
α6、冷轧管的清洗：采用对马氏体不锈钢无腐蚀作用的碱性清洗剂或有机溶剂，对冷轧后的管材进行内外表面的浸泡和清洗，彻底去除轧制油污，之后用大量清水将管子洗净并晾干；
α7、轧后管材的退火：将洗净晾干后的清洁冷轧管规则地放置于卧式热处理炉中，随炉升温至750℃，保温后出炉空冷；
α8、第二道次冷轧：将退火后的管子在冷轧管机上进行第二道次轧制，轧后管子外径为Φ80mm，控制本道次轧制变形量为38％；
α9、重复上述α6至α8步骤：将退火后的管子在冷轧管机上进行第三道次轧制，轧后管子外径为Φ60mm；再将退火后的管子在冷轧管机上进行第四道次轧制，轧后管子外径为Φ44.7mm。控制每道次轧制变形量为39～40％；
α10、轧后管材的成品热处理：将清洗干燥后的冷轧管规则地放置于卧式热处理炉中，淬火温度为950℃，回火温度为600℃；
α11、成品管的精整：将成品热处理后的管子进行矫直、外圆车磨、抛光至最终要求的Φ44.5mm尺寸及精度；
α12、成品管无损探伤：对抛磨后的成品管进行全面的渗透探伤(PT)和超声波探伤(UT)，剔除有缺陷的成品管。
实施案例2：
一种高同心度马氏体不锈钢无缝管材的制造方法，包括以下步骤：
β1、棒坯加工：将冶炼所得的马氏体钢钢锭经锻造后得到锻棒坯，保证锻造比大于3；再经切除头尾料、切割定长与外层扒皮后，得到直径为Φ102mm的光圆棒坯，长度为2.2米左右；
β2、钻中心深孔：在深孔钻孔机床上，将上述探伤合格的光圆棒坯在中心位置沿轴向钻出内径为Φ58mm的通孔；
β3、精密镗制中心孔：将已钻好中心孔的圆棒装于深孔精密镗床上，以精密镗刀、浮动镗刀分2道次进行精密镗制的方式，加工出内径为Φ60mm的十分光洁连续的中心孔；
β4、精车外圆保证同心度：以精镗后的中心孔为基准，在车床上精车圆棒的外圆到Φ100mm，以保证外圆与中心孔的同心度很高；
β5、第一道次冷轧：将上述坯管装在冷轧管机上进行第一道次轧制，轧后的管子外径为Φ80mm，控制本道次轧制变形量为42％；
β6、冷轧管的清洗：采用对马氏体不锈钢无腐蚀作用的碱性清洗剂或有机溶剂，对冷轧后的管材进行内外表面的浸泡和清洗，彻底去除轧制油污，之后用大量清水将管子洗净并晾干；
β7、轧后管材的退火：将洗净晾干后的清洁冷轧管规则地放置于卧式热处理炉中，随炉升温至750℃，保温后出炉空冷；
β8、第二道次冷轧：将退火后的管子在冷轧管机上进行第二道次轧制，轧后管子外径为Φ60mm，控制本道次轧制变形量为42％；
β9、重复上述β6至β8步骤：将退火后的管子在冷轧管机上再进行第三道次轧制，轧后管子外径为Φ44.7mm，控制本道次轧制变形量为40～42％；
β10、轧后管材的成品热处理：将清洗干燥后的冷轧管规则地放置于卧式热处理炉中，淬火温度为950℃，回火温度为600℃；
β11、成品管的精整：将成品热处理后的管子进行矫直、外圆车磨、抛光至最终要求的Φ44.5mm尺寸及精度；
β12、成品管无损探伤：对抛磨后的成品管进行全面的渗透探伤(PT)和超声波探伤(UT)，剔除有缺陷的成品管。
实施例3：
一种高同心度马氏体不锈钢无缝管材的制造方法，包括以下步骤：
γ1、棒坯加工：将冶炼所得的马氏体钢钢锭经锻造后得到锻棒坯，再经切除头尾料、切割定长与外层扒皮后，得到直径为Φ84mm的光圆棒坯，长度为3米左右。锻棒坯的锻造比为3；
γ2、第一次无损探伤：对上述光圆棒坯进行全面的超声波(UT)探伤，剔除内部存在的通过深孔钻削仍不可去除缺陷的棒坯；
γ3、钻深孔：在深孔钻孔机床上，将上述探伤合格的光圆棒坯在中心位置沿轴向钻出内径为Φ43mm的通孔；
γ4、精密镗制中心孔：将已钻好中心孔的圆棒装于深孔精密镗床上，以精密镗刀、浮动镗刀分2道次进行精密镗制的方式，加工出内径为Φ44mm的十分光洁连续的中心孔；
γ5、精车外圆保证同心度：以精镗后的中心孔为基准，在车床上精车圆棒的外圆，以保证外圆与中心孔的同心度非常好，外圆直径精车可到Φ83mm；
γ6、第二次无损探伤：对上述轧前坯管进行超声波(UT)探伤，剔除有材质缺陷的坯管；
γ7、第一道次冷轧：将再次探伤合格的轧前坯管在冷轧管机上进行第一道次轧制，轧后的管子外径为Φ62mm，长度延长到5米左右，控制本道次轧制变形量为40％；
γ8、冷轧管的清洗：采用对马氏体不锈钢无腐蚀作用的碱性清洗剂或有机溶剂，对冷轧后的管材进行内外表面的浸泡和清洗，彻底去除轧制油污，之后用大量清水将管子洗净并晾干；
γ9、轧后管材的退火：将洗净晾干后的清洁冷轧管规则地放置于卧式热处理炉中，随炉升温至780℃，保温后出炉空冷；
γ10、下一道次冷轧：将退火后的管子在冷轧管机上进行下一道次轧制，轧后管子外径为Φ46mm，长度延长到8米左右；控制本道次轧制变形量为40％；
γ11、轧后管材的成品热处理：将清洗干燥后的二次冷轧管规则地放置于卧式热处理炉中，淬火温度为980℃，回火温度为620℃；
γ12、成品管的精整：将成品热处理后的管子进行矫直、外圆车磨、抛光至最终要求的Φ44.6mm尺寸及精度；
γ13、第三次无损探伤：对抛磨后的成品管进行全面的渗透探伤(PT)和超声波探伤(UT)，剔除有缺陷的成品管。
本发明实施例的工艺方法简便实用、同心度高、内孔质量好，成本合理且能够保证成品X12Cr13马氏体不锈钢无缝管材的性能与质量完全满足使用要求，适合批量化生产。
以上表述仅为本发明的优选方式，应当指出，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些也应视为发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种高同心度马氏体不锈钢无缝管材的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、棒坯加工：将冶炼所得马氏体不锈钢的钢锭经锻造后得到锻棒坯，再经切除头尾料、切割定长与外层扒皮后，得到直径为Φ80～120mm的光圆棒坯；
S2、钻中心深孔：在深孔钻孔机床上，将光圆棒坯在中心位置沿轴向钻出内径为Φ40～70mm的通孔；
S3、精密镗制中心孔：将已钻好中心通孔的圆棒装于深孔精密镗床上，以精密镗制方式加工出连续光洁的中心孔，精镗后孔径将增大1～4mm；
S4、精车外圆：以精镗后的中心孔为基准，在车床上精车圆棒的外圆，以保证外圆与中心孔的同心度很高，精车后圆棒外径会减小1～4mm，制成轧前坯管；
S5、第一道次冷轧：将轧前坯管装在冷轧管机上进行第一道次轧制，轧后坯管外径和壁厚都减小，控制本道次轧制变形量为38～42％；
S6、冷轧管的清洗：采用碱性清洗剂或有机溶剂，对冷轧后的管材进行内外表面清洗，彻底去除轧制油污，之后用清水将冷轧管洗净；
S7、轧后管材的退火：将洗净晾干后的清洁冷轧管规则地放置于热处理炉中，随炉升温至750℃～800℃，保温后出炉空冷；
S8、下一道次冷轧：将退火后的管子在冷轧管机上进行下一道次轧制，轧后管子的外径和壁厚都将继续减小，控制每道次轧制变形量为38～42％； 重复S6至S8步骤，使管子外径最终轧制到Φ44.5～47mm为止；
S9、轧后管材的成品热处理：将完成全部道次冷轧后的管材清洗干燥，再规则地放置于热处理炉中，淬火温度为950℃～1000℃，回火温度为600℃～650℃；
S10、成品管的精整：将热处理后的管子进行矫直、外圆车磨、抛光至使用要求的尺寸及精度；
S11、成品管无损探伤：对最终的成品管进行全面的渗透探伤和超声波探伤，剔除有缺陷的管子。
2.根据权利要求1所述的一种高同心度马氏体不锈钢无缝管材的制造方法，其特征在于，所述步骤S3中精密镗制中心孔的方法为，采用精密镗刀从圆棒一端的孔切入并连贯不停地从另一端切出，以完全去除步骤S2钻孔时留在管中心孔内表面上的刀痕及中段对接的痕迹，以得到内壁光洁连续的中心孔。
3.根据权利要求1所述的一种高同心度马氏体不锈钢无缝管材的制造方法，其特征在于，所述步骤S4中精车外圆的方法为，以精镗后的中心孔为基准来精车圆棒的外圆，使外圆与中心孔保证具有高度的同心，以此作为轧前坯管。
4.根据权利要求1所述的一种高同心度马氏体不锈钢无缝管材的制造方法，其特征在于，所述步骤S8下一道次冷轧中，如果圆棒坯采用的最初外径不大于90mm，圆管坯到成品管的总轧制道次为2次；若圆棒外径大于90mm则总轧制道次大于2次。
5.根据权利要求1所述的一种高同心度马氏体不锈钢无缝管材的制造方法，其特征在于，所述步骤S1中，得到光圆棒坯的直径为100mm。
6.根据权利要求1所述的一种高同心度马氏体不锈钢无缝管材的制造方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述通孔直径为50mm。
7.根据权利要求1所述的一种高同心度马氏体不锈钢无缝管材的制造方法，其特征在于，所述步骤S7中，所述热处理炉的加热温度为780℃。
8.根据权利要求1所述的一种高同心度马氏体不锈钢无缝管材的制造方法，其特征在于，所述步骤S9中，所述淬火温度为980℃，回火温度为620℃。
9.根据权利要求1至8中任一权利要求所述的一种高同心度马氏体不锈钢无缝管材的制造方法，其特征在于，所述马氏体不锈钢的型号为X12Cr13。
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