KR20220023761A - 지르코늄 합금 배관의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
이 발명품은 수냉식 원자로, 특히 PWR형 원자로에서 쉘 및 채널 파이프로 사용되는 지르코늄 합금으로 만들어진 파이프 제품을 제조하는 방법과 관련이 있다.
질량%로 니오븀: 0.9-1.7, 철: 0.10-0.20, 산소: 0.10-0.20, 실리콘: 0.02 미만, 탄소: 0.02, 지르코늄: 나머지 등 다중을 포함하는 지르코늄 합금으로 파이프 제품을 제조하는 방법에는, 진공 아크 융합에 의한 잉곳 야금, 잉곳 기계 처리, 가열, 다단계의 열간단조 시 단조품 생산, 단조품의 열간처리, 후행 기계 처리 단조 시 파이프 주괴 생산 및 진공 열간 처리 실시, 주괴 보호 피복 코팅 및 고온 압착 온도로 가열, 고온 압축, 종피제거, 진공 열간처리, 총 패스당 변형 배율이 58-74%, 배관 계수 Q = 1.18-2.01 및 중간의 진공 열처리 시 파이프 제품 생산하는 여러 단계의 냉간압연이 포함된다는 사실에 의해 달성된다. 최종 진공 열처리는 마무리 크기에서 수행되며 후속 마감 작업이 수행된다.
기술적 성과는 배관 제품 제조에 사용되는 온·냉압 처리의 모든 단계에서 재료의 제조성이 향상되는 것은 물론, 기계적 특성이 안정적인 배관 제품의 높은 부식 저항성과 형상 변화에 대한 저항성이 향상되는 것이다.
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기술적 성과는 배관 제품 제조에 사용되는 온·냉압 처리의 모든 단계에서 재료의 제조성이 향상되는 것은 물론, 기계적 특성이 안정적인 배관 제품의 높은 부식 저항성과 형상 변화에 대한 저항성이 향상되는 것이다.
Description
이 발명품은 핵기술 분야, 특히 수냉식 원자로, 특히 PWR형 원자로에서 쉘 및 채널 파이프로 사용되는 지르코늄 합금으로 만들어진 파이프 제품을 제조하는 방법과 관련이 있다.
지르코늄 합금은 작은 열 중성자 흡수 단면적, 고온의 물과 수증기에서의 부식 저항성, 산화 및 수소화에 대한 저항성, 작은 방사선 성장 및 기타 물리적 및 기계적 특성 때문에 원자로의 구조적 요소에 대한 재료로 사용된다. 파이프 제품의 특성은 화학 성분 및 각 기술 작업에 따라 결정되며, 주괴 용해에서 시작하여 마감 작업으로 완료한다.
"지르코늄 합금(변종)으로 파이프 제품을 제조하는 방법" (RU 2123065C1공시 12.03.1997, 구분 C22F/1/18)에는 초기 주괴를 획득하는 바이너리 지르코늄 합금이 포함되며, 파이프 주괴를 획득하고 중간 및 최종 어닐링을 통해 파이프 주괴를 냉간 압연한다.
이 방법의 단점은 고온 압출 전에 공작물에 보호 코팅이 적용되지 않아 제조 공정 중 금속 산화 현상이 발생하고 파이프 제품의 제조성이 떨어지기 때문에 파이프 표면에 남아있는 기술적 불순물을 제거하기 위한 마감 작업이 제공되지 않는다는 점이다. 제품의 부식 저항성을 감소시키는 표면 거칠기를 감소시킨다.
"지르코늄 합금으로 제품을 생산하는 방법"(RU 211600C1 1998.05.10 공시, 구분 C22F/1/18)는, 열간 몰딩을 통한 초기 주괴 생산, 열간 몰딩, 절단된 치수 빈칸의 경화 및 템퍼링, 열간 몰딩 및 냉간 압연 전 템퍼링에 의한 중간 주괴 생산 등이 포함된다.
이 방법의 단점은, 고온 압출 전 잉곳에는 보호 코팅이 적용되지 않아 압출 과정에서 금속이 산화돼 파이프 제품의 제조성이 떨어진다는 점이다. 그리고 배관 제품 표면의 잔류 기술 오염을 제거하고 표면 거칠기를 줄여 제품의 내식성을 줄일 수 있는 마감 작업이 없다.
해당 방법에 가장 근접한 것은 "연료 요소 셸 및 생산 방법에 내식성이 향상된 지르코늄 합금"(US 2016/0307651A1 2016.10.20 고식, 구분G21C 3/07, B22D 21/00, B22D 7/00, C22C 16/00, C22F 1/18)이다. 이 방법은 내식성 지르코늄 합금의 구성과 잉곳으로부터 연료봉 쉘을 생산하는 방법을 보여준다. 여기에는 잉곳 정련, 보호용 강철 피복으로 잉곳 코팅, 열연 압연 전 피복으로 열처리, 열간 압연, 보호강 코팅 제거, 열간 압연 파이프 블랭크 열처리, 냉간 압연 3회 통과, 각 압연 후 중간 열처리 및 마감 열처리가 포함된다.
이 방법의 주요 단점은 패스당 총 변형률이 최대 60 %에 이르는 냉간 압연 소재에 대한 소규모 연구로 고르지 않은 열연 구조를 불완전하게 제거한다는 것이다. 또한 이 방법의 단점은 뜨거운 압연 온도에서 탄화물이 형성될 수 있는 지르코늄 합금과 상호작용하는 탄소가 함유된 강철 케이스의 사용이다. 또한, 지르코늄 합금의 제조 가능성과 형태 변화에 대한 내성의 특성(열, 복사열 크리프 및 방사선 성장에 대한 저항성)을 결정하는 주요 요인 중 하나는 물질의 재결정화 정도이다. 선택된 제조 변형 방식(제1 단계 570℃~580 ℃, 제 2단계 560℃~580℃, 제3 단계 560℃~580℃)의 저온(1단계와 3단계에서 30-40% 변형, 2단계 저온 변형에서는 50-60%)은 이완을 위해 불충분하다. 재결정화 공정의 진행으로 재료의 제조 가능성뿐만 아니라 방사선의 영향을 포함하여 형상 변화에 대한 내성의 특성에도 부정적인 영향을 미친다. 장기 최종 어닐링의 세 가지 레벨(제 1단계 460℃~470℃, 제2 단계 510℃~520℃, 제3 단계 580℃~590℃)을 사용하면 재질의 강도 증가를 얻을 수 있으며, 재질의 불완전성으로 인한 내성의 특성이 주로 악화된다. 이온 과정 기술방식은 배관제품 표면의 잔류 기술 오염을 제거하고 표면 거칠기를 줄여 제품의 내식성을 줄일 수 있는 마감작업은 제공하지 않는다.
이번 발명의 목적은 지르코늄 합금으로 다양한 지름의 파이프 제품을 생산하는 방법을 개발하는 것으로, 지르코늄 합금은 수냉식 원자로에서 쉘 파이프로 사용될 수 있다.
기술적 성과는 배관 제품 제조에 사용되는 온·냉압 처리의 모든 단계에서 재료의 제조성이 향상되는 것은 물론, 기계적 특성이 안정적인 배관 제품의 높은 부식 저항성과 형상 변화에 대한 저항성이 향상되는 것이다.
이러한 기술적 결과는, 질량%로 니오븀: 0.9-1.7, 철: 0.10-0.20, 산소: 0.10-0.20, 실리콘: 0.02 미만, 탄소: 0.02, 지르코늄: 나머지 등 다중을 포함하는 지르코늄 합금으로 파이프 제품을 제조하는 방법에는, 진공 아크 융합에 의해 잉곳 야금, 잉곳 기계 저리, 가열, 다단계의 열간단조 시 단조품 생산, 단조품의 열간처리, 후행 기계 처리 단조 시 파이프 주괴 생산 및 진공 열간 처리 실시, 주괴 보호 피복 코팅 및 고온 압착 온도로 가열, 고온 압축, 종피제거, 진공 열간처리, 총 패스당 변형 배율이 58-74 %, 배관 계수 Q = 1.18-2.01 및 중간의 진공 열처리 시 파이프 제품 생산하는 여러 단계의 냉간압연이 포함된다는 사실에 의해 달성된다. 최종 진공 열처리는 마무리 크기에서 수행되며 후속 마무리 작업이 수행된다.
주괴의 고온 다단계 단조는 980℃~700℃의 온도에서 총 변형 배율이 최대 93%이고 850℃~800℃의 온도에서 중간 예열로 수행된다.
단조의 열처리는 1050℃에서 1100℃ 사이의 온도에서 수행한 후 물에서 냉각한다.
파이프 주괴는 측정된 길이로 절단된 단조 공정에서 축방향 중심 홀을 드릴링 후 내면선삭함로써 얻는 것이다.
고온 압축 전에 파이프 주괴의 진공 열처리를 570℃에서 600℃ 사이의 온도에서 실시한다.
600℃에서 620℃ 사이의 온도에서 μ = 8.9의 드로우잉 비를 갖도록 파이프 주괴의 고온 압축을 실시한다.
고온 압축 뒤에 파이프 주괴의 진공 열처리를 565℃에서 595℃ 사이의 온도에서 실시한다.
565℃에서 595℃ 사이의 온도에서 다단계의 냉간압연 중 파이프 주괴의 중간 진공 열처리 및 피이프 주괴의 최종 진공 열처리를 실시한다.
1·10-4-1·10-5 Mmhg 용해로 잔류 압력을 갖는 가운데 파이프 주괴와 제품들의 진공 열처리 실시한다.
파이프 제품의 완료 크기로 표면의 약품처리 및 기계처리 실시한다.
지르코늄 합금에서 합금원소의 선택 비율은 파이프 제품의 조작능력, 부식 방지, 기계적 성질의 안정적, 형태 변화에 대한 저항특성을 보장한다.
청구된 방법에 따른 배관 제품을 얻을 때의 장점은 고온 단조 및 압착이 주괴 길이 및 단면을 따라 주조 구조를 균일하게 정교하게 만들 수 있으며 구리 보호 코팅을 사용하면 가스 포화로부터 보호하고 코팅-주괴의 확산 상호작용을 제거할 수 있다는 것이다. 냉열처리는 높은 기계적 특성을 가진 파이프 제품의 중간 균질 재결정화 구조와 횡방향 및 종방향 특성에 필요한 이방성을 가진 롤링을 제공한다. 마감작업은 외부 및 내부 표면에 Ra 0.8마이크론 미만의 거칠기를 제공하여 부식 안정성을 높인다. 내부 표면의 거칠기는 연료 펠릿을 파이프 제품에 적재하는 기술적 과정을 개선하는 것을 가능하게 한다.
그 방법은 다음과 같이 수행된다:
사례
주장된 기술적 해결책에 따르면, 지르코늄으로부터 파이프 제품을 제조하는 기술은 다음과 같은 작업을 포함한다. 성분을 가진 합금괴의 정련은 나이오븀: 1.00-1.03 질량%, 철: 0.116-0.119 질량%, 산소: 0.120-0.125 질량%, 실리콘: 0.002-0.003 질량%, 탄소: 0.003-0.005 질량%, 지르코늄: 나머지로 되어 있다. 초기 합금 구성 요소는 지르코늄 마그네슘 열 스펀지와 혼합된 다음 소모성 전극이 형성되고, 이 전극은 삼중 진공 아크 리멜팅에 의해 리멜팅된다. 잉곳은 전기 저항로에서 930℃~980 ℃의 온도로 가열된다. 가열 후 주괴의 다단계 단조는 980℃~700℃의 온도 범위에서 수행되며 850℃~800℃의 온도 범위에서 전기 저항로에서 중간 예열된다. 주괴의 열변형 처리 중 ∑ε의 총 변형률은 93 %에 달했다. 단조는 1050℃에서 1100℃의 온도로 가열된 다음 물에서 냉각된다. 단조는 측정된 길이로 절단하여 Ø109x28.5 mm의 크기로 기계적으로 가공한 후 축 중앙 홀을 천공하여 파이프 주괴를 생산하는 것이다. 진공 열처리는 570℃~600℃의 온도에서 수행된다. 공작물 표면의 거칠기는 Ra = 2.5 미크론에 지나지 않는다. 다음으로, 파이프 주괴에 구리 코팅을 적용하여 후속 가열 및 열간 압착 프로세스 동안 가스 포화로부터 보호한다. 고온 프레싱을 위한 파이프 주괴 가열은 유도로에서 수행된다. 압착 전 파이프 주괴의 가열 온도는 600℃에서 620℃ 사이이다. 후드ε = 8.9로 누름 작업을 수행한다. 그런 다음 구리 코팅을 제거하고 565℃~595℃의 온도에서 진공 열처리를 수행한다. 파이프 주괴는 냉간압연기, 2고정 크레이트 냉간압연기, KPW압연기 유형의 배관의 냉간 압연소에서 4회 패스로 압연되며, 파이프 계수 Q는, 1.18%~74% 범위에 있었다. 중간 열처리는 진공 상태에서 565℃~595℃의 온도 범위에서 수행되며 용해로의 잔류 압력은 1·10-4-1·10-5 Mmhg 이하이다.
565℃~595℃의 온도에서 배관 제품의 최종 진공 열처리 후 배치 또는 제트 에칭, 내부 표면의 연마처리, 외부 표면의 연마처리 및 광택이 수행된다.
청구된 기술 용액에 따라 제조된 지르코늄 합금으로 만들어진 파이프 제품은 다음과 같은 특성을 특징으로 한다(표 1).
따라서 제시된 배관 제조방식은 기계적 특성이 안정적이고 형상변화에 강한 내식성 파이프 제품을 얻을 수 있다.
표 1 - 기술 솔루션에 따라 제조된 Zr-Nb 합금 파이프의 특성
Claims (10)
- 질량%로 니오븀: 0.9-1.7, 철: 0.10-0.20, 산소: 0.10-0.20, 실리콘: 0.02 미만, 탄소: 0.02, 지르코늄: 나머지 등 다중을 포함하는 지르코늄 합금으로 파이프 제품을 제조하는 방법으로서, 진공 아크 융합에 의한 잉곳 야금, 잉곳 기계 처리, 가열, 다단계의 열간단조 시 단조품 생산, 단조품의 열간처리, 후행 기계 처리 단조 시 파이프 주괴 생산 및 진공 열간 처리 실시, 주괴 보호 피복 코팅 및 고온 압착 온도로 가열, 고온 압축, 종피제거, 진공 열간처리, 총 패스당 변형 배율이 58-74%, 배관 계수 Q = 1.18-2.01 및 중간의 진공 열처리 시 파이프 제품 생산하는 여러 단계의 냉간압연이 포함된다는 사실에 의해 달성되고, 최종 진공 열처리는 마무리 크기에서 수행되며 후속 마감 작업이 수행되는 것인, 방법.
- 제1항에 있어서,
주괴의 고온 다단계 단조가 980℃~700℃의 온도에서 93%까지의 총 변형 정도와 850℃~800℃의 온도에서 중간 예열로 수행되는 것을 특징으로 하는 방법. - 제1항에 있어서,
단조의 열처리가 1050℃에서 1100℃ 사이의 온도에서 수행된 후 물에서 냉각되는 것을 특징으로 하는 방법. - 제1항에 있어서,
단조 측정된 길이로 절단된 단조 공정에서 축방향 중심 홀을 드릴링하여 파이프 주괴를 얻는 것을 특징으로 하는 방법. - 제1항에 있어서,
570℃~600℃의 온도에서 고온압착 전에 파이프 주괴의 진공 열처리를 수행하는 것을 특징으로 하는 방법. - 제1항에 있어서,
600℃~620℃의 온도, 드로우잉 비μ = 8.9에서 파이프 주괴의 고온압착이 수행되는 것을 특징으로 하는 방법. - 제1항에 있어서,
고온 압착 후 파이프 주괴의 진공 열처리가 565℃~595℃의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법. - 제1항에 있어서,
파이프 제품의 다중 냉연 및 파이프 제품의 최종 진공 열처리 사이의 중간 진공 열처리가 565℃~595℃의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법. - 제5항, 제7항 및 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
파이프 주괴 및 제품의 진공 열처리가 1·10-4-1·10-5 Mmhg의 용해로 잔류 압력을 갖는 가운데 수행되는 것을 특징으로 하는 방법. - 제1항에 있어서,
파이프 제품의 최종 크기에 대해 표면의 화학적, 기계적 처리가 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
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