DE2607141C2 - Verfahren zur Verbesserung der Beständigkeit eines langgestreckten Gegenstandes aus einer Zirkonlegierung - Google Patents
Verfahren zur Verbesserung der Beständigkeit eines langgestreckten Gegenstandes aus einer ZirkonlegierungInfo
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Description
wicklung hoher Strahlungsfelder in der Nähe der Steuerstabmechanismen,
wo sich die Flocken ansammeln, und die Anwesenheit der dicken Oxidschichten verringert
die Wärmeübertragungswirksamkeit und kann zu einer lokalen Überhitzung des Brennstoff-Decküberzuges
führen.
Die zur Lösung dieses besonderen Problems unternommenen Anstrengungen waren bisher nicht erfolgreich,
obwohl das allgemeine Gebiet der Korrosion ι olcher
Legierungen seit langem intensiv bearbeitet wird. So ist in der US-PS 30 05 706 sin Zusatz von 0,03 bis 1 %
Beryllium zu Zirkonlegierungen vorgeschlagen, die in üblichen Boilern, Siedewasserreaktoren und ähnlichen
Vorrichtungen eingesetzt werden sollen, um deren Korrosionsbeständigkeit gegenüber heißem Wasser zu verstärken.
Ähnlich sind in den US-PS 32 61 682 und 31 50 982 Cer und/oder Yttrium und Kalzium in gleichen
Anteilen für den gleichen Zweck als Zusätze zu Zirkonlegierungen vorgeschlagen worden. Berichte
über die Langzeitergebnisse solcher Zusammensetzungsänderungen sind jedoch spärlich, und die kommerziellen
Zirkonlegierungen enthalten diese Zusätze nicht.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verbesserung der Beständigkeit
eines langgestreckten Gegenstandes aus einer Zirkonlegierung gegenüber der beschleunigten Pustelkorrosion
unter den Betriebsbedingungen des Siedewasserreaktors zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, .daß man
a) die aufeinanderfolgenden Teilbereiche des Gegenstandes jeweils während einer Zeit von 3 bis 30 Sekunden
axial durch eine Zone mit einer Temperatur im Bereich von 825 bis 11000C und
b) sie durch eine kurz danach folgende Abschreckzone führt, in der die Temperatur der Teilbereiche mit
einer Geschwindigkeit von 150 bis 400°C pro Sekunde
vermindert wird.
Durch die vorliegende Erfindung wird eine Ausdehnung der Gebrauchsdauer von Strukturkomponenten
von Siedewasserreaktoren um 100% oder mehr erreicht Diese Verbesserung wird durch die Wiederverteilung
der teilchenförmigen Phase innerhalb eines Kanales oder eines anderen Strukturbestandteiles erreicht.
Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß man die Temperatur
der aufeinanderfolgenden Teilbereiche des Gegenstandes innerhalb der Induktionsspule mißt und in Abhängigkeit
davon die Energiezufuhr der Induktionsspule so regelt, daß jeder Teilbereich die Temperatur im
Bereich von 825 bis HOO0C erreicht, während er durch
den Raum zwischen der Induktionsspule und der Abschreckzone bewegt wird.
Zweckmäßig erfolgt das Abschrecken dadurch, daß in der Abschreckzone Wasser mit einer Leitungstemperatur
oberhalb von 800C in Strömen gegen die äußere ringförmige Oberfläche der aufeinanderfolgenden Teilbereiche
gerichtet wird.
Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Legierung des Gegenstandes Zircaloy-4
und wird Wasser in Form belüfteter Sprühstrahlen verwendet.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß die aufeinanderfolgenden
Teilbereiche des Gegenstandes durch die Induktionsspule auf eine Temperatur im Bereich
von 860 bis 9300C erhitzt und daß die aufeinanderfolgenden
Teilbereiche nacheinander auf etwa 7000C abgekühlt werden und dann mit einer Geschwindigkeit
von 20 bis 4000C pro Sekunde auf etwa 5000C abgekühlt
werden.
Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert Im einzelnen zeigt
F i g. 1 eine fragmentarische perspektivische Ansicht
einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei der Gegenstand während des
Betriebes der Heiz- und Kühlstation an Ort und Stelle gezeigt ist,
Fig.2 eine ähnliche Ansicht wie nach Fig. 1, in der
die Zonen steigender Temperatur in dem Teil des Gegenstandes zwischen der Heiz- und Kühlstation veranschaulicht
sind,
F i g. 3 einen Verdrahtungsplan der Vorrichtung nach F i g. 1 und
F i g. 4 ein Diagramm, dessen Kurven die thermische Geschichte jedes zweier Teile eines Gegenstandes zeigen, welches durch die Heizstationen hindurchläuft.
F i g. 4 ein Diagramm, dessen Kurven die thermische Geschichte jedes zweier Teile eines Gegenstandes zeigen, welches durch die Heizstationen hindurchläuft.
Die abgebildete Vorrichtung schließt einen geeigneten,
in der Zeichnung nicht dargestellten Rahmen ein, um die koaxial angeordneten und im vertikalen Abstand
zueinander befindlichen Heiz- und Abschreckzonen 10 und 11 sowie eine vertikale Hebeeinrichtung, wie einen
nicht-dargestellten Kran zum Absenken eines Kanales 12 axial durch die Zonen 10 und 11 mit einer ausgewählt
festgelegten oder variablen Geschwindigkeit, abzustützen. Es kann weiter eine ebenfalls nicht dargestellte geeignete
Führungseinrichtung vorgesehen sein, um den Kanal 12 in enger Beziehung mit radialem Abstand zur
elektrischen Induktionsspule 14, die die Heizzone 10 bildet, und der Sprühdüsenanordnung 16 unterhalb der
Spule 14, welche die Abschreckzone 12 bildet, zu halten.
Ein 200 kW-Motor-Generator 17 dient als elektrische Energiequelle (3 kHz) für die Spule 14, und der Energieeingang
zur Spule wird automatisch so gesteuert, daß die Maximaltemperaturzone des Kanals 12 bei einer
ausgewählten Temperaturhöhe und an dem gewünschten Ort entlang dem Kanalverlauf gehalten wird. Zu
diesem Zweck verbindet, wie in F i g. 3 gezeigt, eine Abstimmungs- und Impedanzanpassungseinheit 20 die
Spule 14 mit dem Ausgang des Generators 17, und der Generator wird durch Signale gesteuert, die von der
Wechselstromquelle 21 über den Brückenschaltkrei« 23 auf das Generatorfeld angewendet werden, wenn der
Abgriff 24 betätigt und durch den Servomotor 25 in eine bestimmte Lage gebracht wird. Die Pyrometermeßeinheit
27 ist so angeordnet, daß sie Strahlung anzeigt, die von einem Teil des Kanales 12 innerhalb der Spule 14
kommt. Das Pyrometer ist mit einer elektronischen Einheit 30 verbunden, die ihrerseits mit einer kontinuierlichen
Ausgleichseinheit 32 und dem Potentiometer 33 verbunden ist.
Die Sprühdüsen 35 der Abschreckzone 11 sind in Vierer-Gruppen
um die vier Seiten des Kanales nerum angeordnet, um Sprühwasser gegen die äußere Oberfläche
des Kanales um seine Peripherie herum abzugeben, so daß das Abschrecken mehr oder weniger gleichförmig
in jedem aufeinanderfolgenden Teilstück der Kanallänge bewerkstelligt wird. Die Düsen 35 sind mit einer
geeigneten, in der Zeichnung aber nicht dargestellten Wasserquelle unter geeignetem Druck bei etwa Zimmertemperatur
und ebenfalls nicht-dargestellten Ventilen versehen, die die Wasserströmung zu den Düsen
durch die mit der Quelle verbindenden Leitungen regulieren. Wasser mit erhöhter Temperatur von etwa 800C
kann mit Vorteil angewendet werden, wenn eine mittlere Abschreckgeschwindigkeit erwünscht ist.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Beispiels näher erläutert.
gleiche Wärmebehandlung und das gleiche Gefüge in beiden Teilen und durch die ganze Länge des Kanaies
12.
Das untere Ende der maximalen Temperaturzone befindet sich benachbart der Kühlzone 11, wie in den
F i g. 1 und 2 gezeigt, so daß das belüftete Wasser, das aus der Batterie von Düsen 35 ausgestoßen wird, die
äußere Kanaloberfläche an einem Punkt trifft, wo nahezu die Maximaltemperatur des Kanaies erreicht ist. Die
Geschwindigkeit, mit der die Kanaltemperatur verringert wird, kann durch Verändern der Luft/Wasser-Mischung
der Sprühdüsen eingestellt werden, und es kann auch unbelüftetes Wasser verwendet werden.
Die Nachbearbeitungsstufen, die eine Dimensionierung, ein Sandstrahlen und ein Trimmen der Kanalendstücke
einschließen, werden ausgeführt, nachdem der Kanal 12 aus der Wärmebehandlungsvorrichtung herausgenommen
worden ist. Danach werden konventio-
Ein etwa 4,3 m langer Kanal allgemein quadratischen
Querschnittes (213 cm2) (entsprechend 14,6 cm Seitenlänge) mit abgerundeten Ecken wurde aus Zirkaloy-4 io einzelnen Sprühstrahlen überlappen sich, so daß das ASTM B352 Grad RA2 aus etwa 2,5 mm dickem Aus- Abschrecken mit vernünftiger Gleichmäßigkeit um die gangsmaterial zu zwei zusammenpassenden Ab- Peripherie des Kanaies herum und durch die Kanalschnitten geformt, die entlang ihrer Kanten über die wand hindurch stattfindet und die Kanaltemperatur inganze Länge des Kanaies zusammengeschweißt v/ur- nerha'.b von ! bis 2 Sekunder, auf 7000C und ir. weiteren den. Dieser Kanal, der in der Zeichnung die Bezugsziffer 15 sechs Sekunden auf unter 5000C verringert wird. Die 12 trägt, wurde an seinem oberen Ende an mit einem
Motor betriebenen Lift befestigt, und mit dessen Hilfe
wurde er längs mit einer Geschwindigkeit von etwa
12 mm/sek. durch die Heiz- und Kühlzonen 10 und 11
abgesenkt. Die Energiezufuhr zu der Spule 14 wurde 20
beim Eintreten des Kanaies 12 in die Spule manuell
gesteuert, und die automatische Steuerung wurde in
dem Moment eingerichtet, in dem das Pyrometer 27
Strahlung von dem Kanal von etwa dem Mittelpunkt
Querschnittes (213 cm2) (entsprechend 14,6 cm Seitenlänge) mit abgerundeten Ecken wurde aus Zirkaloy-4 io einzelnen Sprühstrahlen überlappen sich, so daß das ASTM B352 Grad RA2 aus etwa 2,5 mm dickem Aus- Abschrecken mit vernünftiger Gleichmäßigkeit um die gangsmaterial zu zwei zusammenpassenden Ab- Peripherie des Kanaies herum und durch die Kanalschnitten geformt, die entlang ihrer Kanten über die wand hindurch stattfindet und die Kanaltemperatur inganze Länge des Kanaies zusammengeschweißt v/ur- nerha'.b von ! bis 2 Sekunder, auf 7000C und ir. weiteren den. Dieser Kanal, der in der Zeichnung die Bezugsziffer 15 sechs Sekunden auf unter 5000C verringert wird. Die 12 trägt, wurde an seinem oberen Ende an mit einem
Motor betriebenen Lift befestigt, und mit dessen Hilfe
wurde er längs mit einer Geschwindigkeit von etwa
12 mm/sek. durch die Heiz- und Kühlzonen 10 und 11
abgesenkt. Die Energiezufuhr zu der Spule 14 wurde 20
beim Eintreten des Kanaies 12 in die Spule manuell
gesteuert, und die automatische Steuerung wurde in
dem Moment eingerichtet, in dem das Pyrometer 27
Strahlung von dem Kanal von etwa dem Mittelpunkt
der Spule feststellte. Mit Hilfe des Potentiometers 33, 25 neue Steuerstabführungsköpfe, die nicht dargestellt
das in vorbestimmter Weise eingestellt war, um sicher- sind, an dem Kanal befestigt, der dann geladene Brennzustellen,
daß der Kanal eine Temperatur von 900 bis Stoffstäbe und Abstandsgitter aufnehmen kann, bevor
920° C erreichte, wenn er den Raum zwischen den Zo- man ihn in einem Siedewasser-Kernreaktor installiert,
nen 10 und 11 passierte, wurde das durch das Pyrometer An Stelle der Regulierung der Energiezufuhr zur Spu-
nen 10 und 11 passierte, wurde das durch das Pyrometer An Stelle der Regulierung der Energiezufuhr zur Spu-
erzeugte Signal durch die Ausgleichseinheit 32 ange- 30 Ie 14 oder zusätzlich dazu kann das erfindungsgemäße
paßt mit dem Ergebnis, daß der Servomotor 25 mit Verfahren aber auch in einer Weise ausgeführt werden,
Energie versehen wurde, um den Wechselstornabgriff bei der die Bewegungsgeschwindigkeit des Kanales 12
24zu bewegen und die Energie durch den Brücken- reguliert wird. Dies kann in Übereinstimmung mit Sistromkreis
23 zum Generatorfeld zu erhöhen oder zu gnalen vom Pyrometer oder einer anderen Temperaturverringern.
Erhöhungen oder Verringerungen der Ge- 35 Meßeinrichtung zur Überwachung der Temperatur des
nerator-Energieabgabe zur Spule werden auf diese Kanaies automatisch ausgeführt werden, wenn der Ka-Weise
automatisch als Konsequenz der vorweggenom- nai einen Zwischenpunkt innerhalb der Spule 14 pasmenen
Neigung der Heizgeschwindigkeitskurve vorge- siert. Wenn daher das Erhitzen mit der durch die Kurve
nommen, während sich der in Frage kommende Kanal- B in F i g. 3 angegebenen Geschwindigkeit erfolgt, dann
teil noch innerhalb der Spule 14 befindet Die automat!- 40 würde der die Absenkgeschwindigkeit des Kanaies konsche
Steuerungseinheit wirkt auf diese Weise kontinu- trollierende Motor automatisch verlangsamt werden,
ierlich, während der Kanal von einem zum anderen En- um ein längeres Erhitzen bis zur gewünschten Maximalde
zonenweise wärmebehandelt wird, wie in F i g. 4 an- temperatur zu gestatten.
gedeutet, in der die Kurven A und B die thermische
Geschichte von zwei verschiedenen Längsteilen des Kanaies
12 wiedergeben. Der Kanalteil A wurde nach dem Zeitplan der Kurve A erhitzt während er sich durch die
Spule 14 bewegte und er erreichte das Zwischenniveau am Punkt des halben Weges in der Spule, auf den das
Pyrometer 27 gerichtet ist um /^-Strahlung für der.
oben beschriebenen Zweck zu empfangen. Da das Erhitzen in diesem Falle bei einer Geschwindigkeit erfolgt,
die für diesen Teil des Kanaies erforderlich ist um das ausgewählte Maximum von etwa 920° C zu erreichen,
nachdem der Kanal die Spule 14 verläßt, wird keine Veränderung bei der Energieaufnahme der Spule vorgenommen.
Im Falle des Kanalteiles B jedoch erfolgt das Aufheizen bei einer geringeren Geschwindigkeit so
daß beim Erreichen des Mittelpunktes in der Spule die Infrarotstrahlung geringer ist als für das automatische
Steuerungssystem erforderlich, und die Ausgleichseinheit 32 betätigt daher den Servomotor 25, der über den
Abgriff 24 und den Stromkreis 23 die Energieaufnahme der Spule 14 vom Generator 17 erhöht Die Änderung in
der Neigung der Kurve B resultiert aus der höheren Energie in der Spule, und der Kanalteil B erreicht daher
die erwünschte Maximaltemperatur am gleichen Punkt außerhalb der Spule 14 wie der Teil A und sichert so die
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (5)
1. Verfahren zur Verbesserung der Beständigkeit Verwendung eines Abschirmungsringes um die Heizeines
langgestreckten Gegenstandes aus einer Zir- 5 spule herum, wobei dieser Ring aus einem stark-leitenkonlegierung
gegenüber der beschleunigten Pustel- den Material, vorzugsweise Kupfer, hergestellt ist Mit
korrosion unter den Betriebsbedingungen eines Sie- dem Erhitzen nach der US-PS 24 61 283 soll ein Oberflädewasserreaktors
durch Zonenwärmebehandeln chenliärten des stabförmigen Gegenstandes erreicht
mittels einer elektrischen Induktionsspule und an- werden.
schließendes Abschrecken, dadurch gekenn- 10 In der DE-PS 38 364 ist ein Verfahren zur Leistungszeichnet,
daß man steuerung an Induktions-Erwärmungsanlagen beschrie
ben, mit dem die erforderliche Leistung schon dann rich-
a) die aufeinanderfolgenden Teilbereiche des Ge- tig eingestellt werden soll, wenn das Erwärmungsgut
genstandes jeweils während einer Zeit von 3 bis noch im Wirkungsbereich des Induktors liegt Als An-30
Sekunden axial durch eine Zone mit einer 15 Wendungsgebiete sind induktive Schmiedeerwärmungs-Temperatur
im Bereich von 825 bis 1100° C und einrichtungen oder induktive Nachwärmstrecken in
b) sie durch eine kurz danach folgende Abschreck- kontinuierlichen Feineisen- und Drahtstraßen genannt
zone führt, in der die Temperatur der Teilberei- In dem Buch ^Induktionserwärmung« von Günter
ehe mit einer Geschwindigkeit von 150 bis Benkowsky, 2. Auflage, VEB Verlag Technik Berlin ist
400° C pro Sekunde vermindert wird. 20 auf den Seiten 199 und 200 das bekannte Zonenschmelz-
verfahren von Pfann beschrieben.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- In der US-PS 28 94 866 ist ein Verfahren zum Herstelzeichnet,
daß man die Temperatur der aufeinander- len von Werkstücken aus Zirkoniumlegierung beschriefolgenden
Teilbereiche des Gegenstandes innerhalb ben, die eine geringe Menge eines die «-Phase stabilisieder
Induktionsspule mißt und in Abhängigkeit davon 25 renden Zusatzes einhält, wie Zircaloy-2, bei dem bei
die Energiezufuhr der Induktionsspule so regelt, daß einer Teirpertemperatur außerhalb des «-plus-/?-Bereijeder
Teilbereich die Temperatur im Bereich von ches eine Querschnittsreduktion stattfindet, dann das
825 bis 1100° C erreicht, während er durch den Raum Werkstück auf eine Temperatur im /^-Bereich erhitzt
zwischen der Induktionsspule und der Abschreckzo- und für mindestens 30 min. in diesem Bereich gehalten
r.e bewegt wird. 30 wird, woraufhin man das Werkstück abschreckt, seinen
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge- Querschnitt um mindestens 20% vermindert, während
kennzeichnet, daß in der Abschreckzone Wasser mit seine Temperatur unterhalb etwa 500° C gehalten wird,
einer Leitungstemperatur oberhalb von 8O0C in das Werkstück dann für mindestens 15 min. bei einer
Strömen gegen die äußere ringförmige Oberfläche Temperatur im oberen Teil des «-Bereiches wärmebeder
aufeinanderfolgenden Teilbereiche gerichtet 35 handelt und danach abgeschreckt wird. Mit diesem Verwirf fahren soll ein hoher Grad der Isotropie hinsichtlich der
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mechanischen Eigenschaften erzielt werden,
dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung des Ge- In der US-PS 23 29 188 ist eine Vorrichtung zum aufgenstandes Zircaloy-4 ist und daß Wasser in Form einanderfolgenden Erhitzen und Abschrecken zum Härbelüfteter Sprühstrahlen verwendet wird. 40 ten eines metallischen Gegenstandes beschrieben, bei
dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung des Ge- In der US-PS 23 29 188 ist eine Vorrichtung zum aufgenstandes Zircaloy-4 ist und daß Wasser in Form einanderfolgenden Erhitzen und Abschrecken zum Härbelüfteter Sprühstrahlen verwendet wird. 40 ten eines metallischen Gegenstandes beschrieben, bei
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dem ein Heiz- und ein Abschreckteil vorhanden sind,
dadurch gekennzeichnet daß die aufeinanderfolgen- wobei der Abstand zwischen diesen beiden Teilen variden
Teilbereiche des Gegenstandes durch die Induk- iert werden kann. Das Abschrecken erfolgt mittels einer
tionsspule auf eine Temperatur im Bereich von 860 auf die erhitzte Oberfläche des Gegenstandes gesprühbis
930° C erhitzt und 45 ten Kühlflüssigkeit.
daß die aufeinanderfolgenden Teilbereiche nachein- Wesentliche Anforderungen an Materialien, die für
ander auf etwa 700°C abgekühlt werden und die Konstruktion von Siedewasser-Kernreaktoren ver-
dann mit einer Geschwindigkeit von 20 bis 4000C wendet werden, schließen eine geringe Absorption von
pro Sekunde auf etwa 500° C abgekühlt werden. thermischen Neutronen, Beständigkeit gegenüber Kor
so rosion und Belastungskorrosion sowie mechanische Fe-
stigkeit ein. Legierungen auf Zirkonbasis erfüllen diese
Anforderungen in zufriedenstellender Weise, so daß sie für solche Zwecke in weitem Rahmen eingesetzt wer-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur den. Zwei der beduetenden kommerziellen Legierun-Verbesserung
der Beständigkeit eines langgestreckten 55 gen, die üblicherweise einen derartigen Einsatz finden,
Gegenstandes aus einer Zirkonlegierung gegenüber der sind »Zircaloy-2«, die etwa 1,5% Zink, 0,15% Eisen,
beschleunigten Pustelkorrosion unter den Betriebsbe- 0,1 % Chrom, 0,05% Nickel und 0,1 % Sauerstoff enthält,
dingungen eines Siedewasserreaktors durch Zonenwär- sowie »Zircaloy-4«, die im wesentlichen kein Nickel, damebehandeln
mittels einer elektrischen Induktionsspule für aber 0,2% Eisen enthält und ansonsten ähnlich Zir-
und anschließendes Abschrecken. 6o kaIoy-2 ist. Diese beiden Legierungen erfüllen jedoch
In der US-PS 24 61 283 ist ein Verfahren zum Zonen- nicht entfernt alles, was man sich von einem solchen
wärmebehandeln eines langgestreckten Gegenstandes Material wünschen würde, insbesondere nicht im Hinbeschrieben,
bei dem der Gegenstand nacheinander blick auf die beschleunigte Pustelkorrosion, die unter
durch Heiz- und Kühlzonen geführt wird. Es soll dabei den normalen Betriebsbedingungen des Siedewasserreauf
einfache, zuverlässige und wirksame Weise eine im 65 aktors auftritt und zum Abspalten von dicken Oxidwesentlichen gleichmäßige Leistungszuführung und schichten von den Kanälen und zum Verdicken der
Heizgeschwindigkeit während der gesamten Heizope- Oxidschichten auf den Brennstoffstäben führt. Das Abration
auf Temperaturen oberhalb des Curie-Punktes spalten der Oxidflocken führt in einigen Fällen zur Ent-
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