CN111304553A - 一种快中子反应堆核电站用f304l不锈钢法兰及其制造方法 - Google Patents

一种快中子反应堆核电站用f304l不锈钢法兰及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种快中子反应堆核电站用F304L不锈钢法兰,所述的不锈钢法兰含有下列化学成分:0.016~0.030wt%的碳、0.45~0.85wt%的硅、1.80~2.00wt%的锰、≤0.035wt%的磷、≤0.010wt%的硫、≤0.50wt%的铜、18.50~20.00wt%的铬、9.20~13.00wt%镍、0.07~0.10wt%的氮,余量为铁。还公开了一种快中子反应堆核电站用F304L不锈钢法兰的制造方法,包括如下步骤:原料冶炼;锻造;热处理;性能测试;机加工;无损检测;成品。通过上述方式,本发明对化学成分进行精控,使化学成分含量有力的保障了性能要求。调整了锻造工艺中的加热温度,使钢锭加热时充分消除元素偏析影响,避免材料过热过烧倾向。控制热处理工艺中的加热温度和保温时间,防止晶粒长大。

Description

一种快中子反应堆核电站用F304L不锈钢法兰及其制造方法
技术领域
本发明涉及不锈钢锻造技术领域,特别是涉及一种快中子反应堆核电站用F304L不锈钢法兰及其制造方法。
背景技术
在核电站的建设和发展中,经历了二代核电站和三代核电站,现在在建的核电站基本都是第三代压水堆核电站,安全性能明显高于二代和二代+核电站。目前我公司承接的核电站法兰和锻件,绝大部分是压水堆机型,具有多年生产经验,制造工艺成熟稳定。一般压水堆采用3%~4%的浓缩铀235为原料,这意味着,真正参与核反应的原料铀235只有3%~4%,余下是会产生辐射的铀238核废料。快中子反应堆则有望改变这一现状。
快中子反应堆,简称快堆。快中子堆是由快中子引起原子核裂变链式反应,并可实现核燃料增殖的核反应堆,能够使铀资源得到充分利用,还能处理热堆核电站生产的长寿命放射性废弃物。在快堆中,常用的核燃料是钚239,钚239发生裂变时放出来的快中子会被装在反应区周围的铀238吸收,又变成钚239,从而使堆中核燃料变多,反应开始循环持续下去,从而将铀资源的利用率从目前的约1%提高至60%以上。
快堆中大量使用F304L不锈钢法兰,304L不锈钢是一种通用性的不锈钢材料。在SA182标准中,304L化学成分为C≤0.03%,Si≤1.0%,Mn≤2.0%,P≤0.045%,S≤0.03%,Cr 18.0%~20.0%,Ni 9.0%~12.0%,其余为Fe元素。力学性能要求为Rm≥520MPa,Rp≥205MPa,A≥40%。
由于快堆与压水堆的差异较大,对法兰和锻件的性能要求与其他压水堆核电站不同。传统工艺生产的F304L法兰只能符合ASME标准和普通民用要求,而快堆核电站对F304L法兰材料性能有更加严格的要求。
例如快中子反应堆工程中,要求F304L不锈钢法兰在金相试验中奥氏体晶粒度≥4级;按NB-2540进行渗透探伤检测和超声波检测合格。但是按传统工艺生产的F304L一般是按SA182标准生产,其晶粒度一般是2级左右,不满足快中子反应堆工程的特殊要求。快中子反应堆核电站工程中要求F304L不锈钢法兰满足NB2540的检测要求,NB2540是核电站中一级部件检测要求,是检测最严格的等级。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种快中子反应堆核电站用F304L不锈钢法兰及其制造方法,能够满足快中子反应堆工程对不锈钢法兰在性能方面的特殊要求。
为达到上述目的,本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
一种快中子反应堆核电站用F304L不锈钢法兰,所述的不锈钢法兰含有下列化学成分:0.016~0.030wt%的碳、0.45~0.85wt%的硅、1.80~2.00wt%的锰、≤0.035wt%的磷、≤0.010wt%的硫、≤0.50wt%的铜、18.50~20.00wt%的铬、9.20~13.00wt%镍、0.07~0.10wt%的氮,余量为铁。
优选的,所述的不锈钢法兰含有下列化学成分:0.028%的碳、0.80%的硅、1.96%的锰、0.035%的磷、0.01%的硫、0.45%的铜、18.50%的铬、9.20%镍、0.09%的氮,余量为铁。
一种快中子反应堆核电站用F304L不锈钢法兰的制造方法,包括如下步骤:
原料冶炼:将原料冶炼成上述成分的不锈钢,并铸成钢锭;
锻造:将冶炼得到的不锈钢钢锭,用液压机或空气锤锻造成产品锻件;最后一个锻造火次锻造变形量大于等于总变形量的20%;
热处理:将锻造后的锻件置于电阻炉内进行固溶热处理,并通过液体介质冷却;
性能测试:热处理后,从热处理后的锻件上切取试验用试料,用试料加工成拉伸试样和冲击试样,进行力学性能试验;
机加工:将力学性能测试合格后的锻件通过机加工制成不锈钢法兰;
无损检测:通过超声波探伤仪、渗透探伤仪对机加工后的不锈钢法兰进行探伤、检验;
成品:将探伤、检验后的工件包装入库。
优选的,在锻造工艺中,钢锭锻造比≥3.5。
优选的,在热处理工艺中,液体介质为冷却水,在进行水冷时通过大型水池与外部蓄水池快速循环冷却。
优选的,在热处理工艺中,将锻造后的不锈钢锻件加热至1060℃~1120℃并保温;保温时间按不锈钢锻件的厚度1.2min/mm~1.8min/mm计算,且保温时间≤4h。
由于上述技术方案的运用,本发明与现有技术相比具有下列有益效果:
(1)对化学成分进行精控,使化学成分含量有力的保障了性能要求。C元素是该材料主要强化元素,通过提高C和Mn的含量增加不锈钢材料强度。由于N与C在提高强度方面有相似作用,而本材料是低碳材料,通过提高N的含量进一步增加不锈钢材料强度。P和S是有害元素,本发明大幅降低了这两种元素的含量。
(2)调整了锻造工艺中的加热温度,使钢锭加热时充分消除元素偏析影响,避免材料过热过烧倾向。
(3)通过液体冷却介质循环冷却,增加冷却能力,提高材料固溶处理效果。
(4)控制热处理工艺中的加热温度和保温时间,防止晶粒长大。
具体实施方式
下面对本发明的较佳实施例进行详细阐述,以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解,从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
一种快中子反应堆核电站用F304L不锈钢法兰,不锈钢法兰含有下列化学成分:0.016~0.030wt%的碳、0.45~0.85wt%的硅、1.80~2.00wt%的锰、≤0.035wt%的磷、≤0.010wt%的硫、≤0.50wt%的铜、18.50~20.00wt%的铬、9.20~13.00wt%镍、0.07~0.10wt%的氮,余量为铁。
一种快中子反应堆核电站用F304L不锈钢法兰的制造方法,包括如下步骤:
原料冶炼:将原料冶炼成如权利要求1所述的不锈钢,并铸成钢锭。
锻造:将冶炼得到的不锈钢钢锭,用液压机或空气锤锻造成产品锻件。最后一个锻造火次锻造变形量大于等于总变形量的20%。在锻造工艺中,钢锭锻造比≥3.5。
热处理:将锻造后的锻件置于电阻炉内进行固溶热处理,并通过液体介质冷却。
在热处理工艺中,液体介质为冷却水,在进行水冷时通过大型水池与外部蓄水池快速循环冷却。
在热处理工艺中,将锻造后的不锈钢锻件加热至1060℃~1120℃并保温。保温时间按不锈钢锻件的厚度1.2min/mm~1.8min/mm计算,且保温时间≤4h。
性能测试:热处理后,从热处理后的锻件上切取试验用试料,用试料加工成拉伸试样和冲击试样,进行力学性能试验。
机加工:将力学性能测试合格后的锻件通过机加工制成不锈钢法兰。
无损检测:通过超声波探伤仪、渗透探伤仪对机加工后的不锈钢法兰进行探伤、检验。
成品:将探伤、检验后的工件包装入库。
下面结合具体实施例一、对比例一和对比例二对本发明进行具体阐述。并对实施例一、对比例一和对比例二中的不锈钢法兰进行验收,验收要求如表1所示,其中Rm为抗拉强度,Rp为屈服强度,A为伸长率,Z为断面收缩率;且奥氏体晶粒度≥4级。按NB-2540进行渗透探伤检测和超声波检测。
表1验收要求中拉伸实验的规定值
Rm(MPa) Rp(MPa) A(%) Z(%)
≥485 ≥170 ≥30 ≥50
实施例一:制作材质为不锈钢材料的法兰,不锈钢的化学成分为本发明中的化学成分,具体见表2。
表2实施例一、对比例一和对比例二中不锈钢的化学成分
化学成分 C Mn P S Si Cu Cr Ni N
实施例一 0.028 1.96 0.035 0.01 0.80 0.45 18.50 9.20 0.09
对比例一 0.015 0.92 0.04 0.027 0.82 0.80 18.06 8.12 0.03
对比例二 0.028 1.96 0.035 0.01 0.80 0.45 18.50 9.20 0.09
实施例一中的不锈钢法兰采用本发明中的制造方法制得,制造步骤为原料冶炼→锻造→热处理→性能试验→机加工→无损检测→成品,具体为:
在原料冶炼工艺中,将原料冶炼铸成钢锭。
在锻造工艺中,钢锭锻造比为3.5,最后一个锻造火次锻造变形量为总变形量的27%。
在热处理工艺中,将锻造后的不锈钢锻件加热至1080℃并保温。保温时间按不锈钢锻件的厚度1.5min/mm计算,保温时间为3.6h。
热处理完成后从锻件本体上切取试验用试料,用试料加工拉伸试样和冲击试样,进行力学性能试验,力学性能试验数据见表3。
按ASTM E112《金属平均晶粒度测定的标准实验方法》测定晶粒度,晶粒度级别为5.5级。
力学性能试验之后将锻件进行机加工,机加工的目的是为随后的无损检测做准备,无损检测项目为超声波检测和渗透探伤检测。超声波检测中没有发现当量大于2mm的缺陷,渗透探伤检测没有发现超过1mm的圆形缺陷,未见任何线性缺陷。
对比例一:制作材质为不锈钢材料的法兰,不锈钢的化学成分为传统的化学成分,具体见表2。
对比例一中的不锈钢法兰采用实施例一的制造方法制得。
热处理完成后从锻件本体上切取试验用试料,用试料加工拉伸试样和冲击试样,进行力学性能试验,力学性能试验数据见表3。
按ASTM E112《金属平均晶粒度测定的标准实验方法》测定晶粒度,晶粒度级别为4级。
力学性能试验之后将锻件进行机加工,机加工的目的是为随后的无损检测做准备,无损检测项目为超声波检测和渗透探伤检测。超声波检测中没有发现当量大于2mm的缺陷,渗透探伤检测没有发现超过1mm的圆形缺陷,未见任何线性缺陷。
对比例二:制作材质为不锈钢材料的法兰,不锈钢的化学成分为实施例一种的化学成分,具体见表2。
对比例二中的不锈钢法兰采用传统的制造方法制得。
传统的制造方法为:原料冶炼→锻造→热处理→性能试验→机加工→无损检测→成品,具体为:在锻造工艺中,钢锭锻造比为3。在热处理工艺中,将锻造后的不锈钢锻件加热至1000℃并保温,保温时间为4.5h。在热处理工艺中,通过空气对不锈钢锻件进行冷却。
热处理完成后从锻件本体上切取试验用试料,用试料加工拉伸试样和冲击试样,进行力学性能试验,力学性能试验数据见表3。
按ASTM E112《金属平均晶粒度测定的标准实验方法》测定晶粒度,晶粒度级别为2级。
力学性能试验之后将锻件进行机加工,机加工的目的是为随后的无损检测做准备,无损检测项目为超声波检测和渗透探伤检测。超声波检测中发现多处当量大于2mm的缺陷,但缺陷当量符合NB-2540标准要求;渗透探伤检测发现多处超过1mm的圆形缺陷和线性缺陷。
表3实施例一、对比例一和对比例二的力学性能测试
检测项目 Rm(MPa) Rp(MPa) A(%) Z(%)
实施例一 560 247 56 71
对比例一 489 166 49 65
对比例二 536 233 52 67
将本发明的实施例一与对比例一、对比例二进行比较,得出如下结论:
对于对比例一,由于采用了传统化学成分,力学性能指标中抗拉强度和屈服强度较实施例大幅降低,说明化学成分调整对力学性能提升产生较好效果。由于化学成分之外的其他制备方法没有改变,晶粒度、产品表面缺陷和内部缺陷与实施例一相差不大。
对于对比例二,采用了实施例一中的化学成分,因为使用了发明成分,强化元素含量高,所以强度适当与实施例接近。但由于传统制造方法中热处理加热温度较高,奥氏体晶粒明显增大,说明热处理参数优化调整对力学性能提升产生较好效果。由于传统工艺锻造比较小,对锻件锻透和压实效果没有实施例一好,所以超声波检测时发现多处大于2mm的缺陷,渗透探伤检测发现超过1mm的圆形缺陷和线性缺陷。
从检测数据可以看出,使用本发明的合金钢成分以及制造方法生产的锻件性能优异,锻件性能指标远超传统工艺生产的锻件,锻件无损检测中发现的缺陷数量和尺寸也远优于传统工艺,实施例工艺比传统工艺有更好的效果,实施例一成分比传统化学成分具有更好的力学性能。
以上仅为本发明的实施例,并非因此限制本发明的专利范围,凡是利用本发明说明书所作的等效结构或等效流程变换,或直接或间接运用在其他相关的技术领域,均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种快中子反应堆核电站用F304L不锈钢法兰,其特征在于,所述的不锈钢法兰含有下列化学成分:0.016~0.030wt%的碳、0.45~0.85wt%的硅、1.80~2.00wt%的锰、≤0.035wt%的磷、≤0.010wt%的硫、≤0.50wt%的铜、18.50~20.00wt%的铬、9.20~13.00wt%镍、0.07~0.10wt%的氮,余量为铁。
2.根据权利要求1所述的一种快中子反应堆核电站用F304L不锈钢法兰,其特征在于,所述的不锈钢法兰含有下列化学成分:0.028%的碳、0.80%的硅、1.96%的锰、0.035%的磷、0.01%的硫、0.45%的铜、18.50%的铬、9.20%镍、0.09%的氮,余量为铁。
3.一种快中子反应堆核电站用F304L不锈钢法兰的制造方法,其特征在于,包括如下步骤:
原料冶炼:将原料冶炼成如权利要求1或2所述的不锈钢,并铸成钢锭;
锻造:将冶炼得到的不锈钢钢锭,用液压机或空气锤锻造成产品锻件;最后一个锻造火次锻造变形量大于等于总变形量的20%;
热处理:将锻造后的锻件置于电阻炉内进行固溶热处理,并通过液体介质冷却;
性能测试:热处理后,从热处理后的锻件上切取试验用试料,用试料加工成拉伸试样和冲击试样,进行力学性能试验;
机加工:将力学性能测试合格后的锻件通过机加工制成不锈钢法兰;
无损检测:通过超声波探伤仪、渗透探伤仪对机加工后的不锈钢法兰进行探伤、检验;
成品:将探伤、检验后的工件包装入库。
4.根据权利要求3所述的一种快中子反应堆核电站用F304L不锈钢法兰的制造方法,其特征在于:在锻造工艺中,钢锭锻造比≥3.5。
5.根据权利要求3所述的一种快中子反应堆核电站用F304L不锈钢法兰的制造方法,其特征在于:在热处理工艺中,液体介质为冷却水,在进行水冷时通过大型水池与外部蓄水池快速循环冷却。
6.根据权利要求3所述的一种快中子反应堆核电站用F304L不锈钢法兰的制造方法,其特征在于:在热处理工艺中,将锻造后的不锈钢锻件加热至1060℃~1120℃并保温;保温时间按不锈钢锻件的厚度1.2min/mm~1.8min/mm计算,且保温时间≤4h。
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