KR20220023763A - 지르코늄 합금 배관의 제조방법 - Google Patents

지르코늄 합금 배관의 제조방법 Download PDF

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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% 니오븀 - 0.9 - 1.7, 철 - 0.4 - 0.10, 산소 - 0.03 - 0.10, 실리콘 - 0.02 미만, 탄소 - 0.02 미만, 지르코늄 - 나머지는 다중을 포함하는 지르코늄 합금으로 파이프 제품을 제조하는 방법은 반복적인 진공 아크 리멜팅에 의한 잉곳 용해, 잉곳 기계적 처리, 가열, 주괴 고온 변형, 파이프 빌릿 획득을 위한 후속 기계적 처리, 파이프 빌릿 열처리, 보호 코팅 적용, 고온 압착 온도로 가열, 보호피불 제거, 다단계 냉간 방사형 단조, 진공 열처리, 패스당 총 변형도 50~80 % 및 배관 계수 Q = 1.0 ~ 2.7의 중간의 진공 열처리 시 파이프 제품 생산하는 여러단계의 냉간압연이 포함된다는 사실에 의해 달성된다. 최종 진공 열처리는 마무리 크기에서 수행되며 후속 마무리 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.

Description

지르코늄 합금 배관의 제조방법
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 빌릿을 획득하는 바이너리 지르코늄 합금이 포함되며, 파이프 빌릿을 획득하고 중간 및 최종 어닐링을 통해 파이프 빌릿을 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 빌릿 생산, 열간 몰딩, 절단된 치수 빈칸의 경화 및 템퍼링, 열간 몰딩 및 냉간 압연 전 템퍼링에 의한 중간 빌릿 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 셸을 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 크립 및 방사선 성장에 대한 저항성)을 결정하는 주요 요인 중 하나는 물질의 재결정화 정도이다. 선택된 제조 변형 방식(제1단계 570 °C ~ 590 °C, 제2단계 560 °C ~ 580 °C, 제3단계 560 °C ~ 580 °C)의 저온은(1단계와 3단계에서 30 - 40% 변형, 2단계 저온 변형에서는 50 - 60%) 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(제1단계 460 °C ~ 470 °C, 제2단계: 510 °C ~ 520 °C, 제3단계 580 °C ~ 590 °C)을 사용하면 재질의 강도 증가를 얻을 수 있으며, 재질의 불완전성으로 인한 내성의 특성이 주로 악화된다. 이온 과정. 기술방식은 배관제품 표면의 잔류기술오염을 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 셸 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 성과는 질량% 니오븀 - 0.9 - 1.7, 철 - 0.4 - 0.10, 산소 - 0.03 - 0.10, 실리콘 - 0.02 미만, 탄소 - 0.02 미만, 지르코늄 - 나머지는 다중을 포함하는 지르코늄 합금으로 파이프 제품을 제조하는 방법에는 반복적인 진공 아크 리멜팅에 의한 잉곳 용해, 잉곳 기계적 처리, 가열, 주괴 고온 변형, 파이프 빌릿 획득을 위한 후속 기계적 처리, 파이프 빌릿 열처리, 보호 코팅 적용, 고온 압착 온도로 가열, 보호 코팅 제거, 다단계 냉간 방사형 단조, 진공 열처리, 패스당 총 변형도 50 - 80 % 및 배관 계수 Q = 1.0 - 2.7의 중간의 진공 열처리 시 파이프 제품 생산하는 여러단계의 냉간압연이 포함된다는 사실에 의해 달성된다. 최종 진공 열처리는 마무리 크기에서 수행되며 후속 마무리 작업이 수행된다.
고온 변형은 980 °C ~ 700 °C의 온도 범위에서 67 - 83 %의 총 변형 및 850 °C ~ 800 °C의 온도에서 중간 예열에 의해 수행된다.
파이프 빌릿은 주괴 열간 변형 후 측정된 길이로 절단된 단조 공정에서 축방향 중심 홀을 드릴링 후 내면선삭으로써 얻는 것이다.
파이프 빌릿의 고온 다단계 단조는 730 °C ~ 780 °C의 온도에서 고온처리가 수행된다.
750 °C에서 650 °C 의 온도에서 μ = 8.9 - 12.9의 드로우잉 비를 갖고 파이프 주괴의 고온 압축을 실시하는 것이다.
파이프 빌릿의 다단계 냉간 방사형 단조는 패스당 33 %의 변형률로 수행된다.
파이프 블랭크 진공의 진공 열처리는 냉간 압연과 최종 진공 열처리가 565 - 630 °C의 온도에서 수행된다.
진공 열 처리는 1·10-4 - 1·10-5 mmHg의 용해로 내 잔류 압력으로 수행된다.
파이프 제품의 최종 크기에서는 표면의 화학 및 기계적 처리가 수행된다.
지르코늄 합금의 합금 성분 비율은 기술적 특성, 내식성, 기계적 특성 및 파이프 제품의 형상 변화에 대한 내성을 제공한다.
청구된 방법에 따른 파이프 제품의 장점은 잉곳(포징 또는 나사 압연)의 뜨거운 변형으로 잉곳 길이와 단면을 따라 주조 구조를 균일하게 정교하게 만들 수 있으며, 구리 보호 코팅의 사용은 가스 포화로부터 보호하고 확산이 제거된다는 것이다. 코팅 빌렛의 부식. 중간 열처리를 통한 냉간 압연은 높은 기계적 특성을 가진 파이프 제품의 균일한 재결정화 구조와 횡방향 및 종방향 특성에 필요한 비등방성을 제공한다. 마감작업은 외부 및 내부 표면에 Ra 0.8 마이크론 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:
실례 1
주장된 기술적 해결책에 따르면, 지르코늄으로부터 파이프 제품을 제조하는 기술은 다음과 같은 작업을 포함한다. 성분을 가진 합금괴의 정련은 니오븀 - 0.97- 1.03 질량%, 철 - 0.080 - 0.010 질량%, 산소 - 0.040 - 0.045 질량%, 실리콘 - 0.003 - 0.004 질량%, 탄소 - 0.0044 - 0.0046 질량%, 지르코늄 - 남은 것으로 되어 있다. 초기 합금 구성 요소는 지르코늄 마그네슘 열 스펀지와 혼합된 다음 소모성 전극이 형성되고, 이 전극은 삼중 진공 아크 리멜팅에 의해 리멜팅된다. 주괴는 기계적으로 가공된다. 잉곳은 전기 저항로에서 980 °C ~ 930 °C의 온도로 가열된다. 가열 후 잉곳 다단계 단조 또는 나사 압연 작업은 980 °C ~ 700 °C의 온도 범위에서 수행되며 850 °C ~ 800 °C의 온도 범위에서 전기 저항로에서 중간 예열된다. 주괴의 뜨거운 변형 동안 Σε의 총 변형률은 67 %에서 83 % 사이이다. 주괴는 Ø249x43 mm 또는 Ø199x36.5 mm의 크기로 측정하여 기계적으로 가공하며, 배관에 있는 축 중앙 홀을 천공 후 보링하여 배관을 확보한다. 730 °C ~ 780 °C의 온도에서 블랭크 파이프 열처리를 수행한다. 파이프 블랭크의 표면 거칠기는 Ra = 2.5 미크론 이하이다. 다음으로, 파이프 블랭크에 구리 코팅이 적용되어 이후의 가열 및 열간 압착 과정에서 가스 포화로부터 보호된다. 고온 프레싱을 위한 파이프 블랭크 가열은 파이프 빌릿의 높이와 단면을 따라 온도를 동일하게 하기 위해 먼저 유도로에서 그리고 전기 저항 용해로에서 결합된 방식으로 수행된다. 압착 전 파이프 빌릿의 가열 온도는 650 °C ~ 750 °C 범위이다. 후드를 사용하여 11.4 ~ 12.9 범위에서 프레싱을 수행한다. 다음으로 구리 코팅이 제거되고 반복적인 냉간 압연에 대한 준비 작업이 수행된다. 파이프 빌렛 가공시 금속에서 칩으로 손실되는 손실을 줄이기 위해 SKK 타입의 반경의 단조 기계에서 변형(패스당ε = 33 %)으로 다단계 방사형 단조를 실시한다. 다음으로 진공 열 처리를 위해 파이프 블랭크를 보내는 것이다(T = 565 °C). 파이프 빌릿은 냉간압연기, KPW압견기 유형의 배관의 냉간 압연 공장에서 60 ~ 80%의 패스당 총 변형률로 압연된다. 반면 배관 계수 Q는 1.0 ~ 2.7 범위에 있다. 중간 및 마무리 열처리는 진공 상태에서 590 °C ~ 630 °C의 온도 범위에서 수행되며 용해로 내 잔류 압력이 1·10-4 - 1·10-5 mmHg. 590 °C ~ 630 °C의 온도에서 파이프 제품의 최종 진공 열처리가 끝나면 내부 표면의 거친 처리, 외부 표면의 그라인딩 및 광택 처리하는 마감 작업이 수행된다.
청구된 기술 용액에 따라 제조된 지르코늄 합금으로 만들어진 파이프 제품은 다음과 같은 특성이 특징적이다 (실례 1, 표).
실례2
주장된 기술적 해결책에 따르면, 지르코늄으로부터 파이프 제품을 제조하는 기술은 다음과 같은 작업을 포함한다. 성분을 가진 합금괴의 정련은 니오븀 - 0.99 - 1.08 질량%, 철 - 0.051 - 0.057 질량%, 산소 - 0.075 - 0,080 질량%, 실리콘 - 0.003 - 0.004 질량%, 탄소 - 0.0032 - 0.0036 질량%, 지르코늄 - 남은 것으로 되어 있다. 초기 합금 구성 요소는 지르코늄 마그네슘 열 스펀지와 혼합된 다음 소모성 전극이 형성되고 이중 진공 아크 재용착에 의해 재용입된다. 주괴는 기계적으로 가공된다. 잉곳은 전기 저항로에서 930 °C ~ 980 °C의 온도로 가열된다. 가열 후 주괴의 다단계 단조는 980 °C ~ 700 °C의 온도 범위에서 800 °C ~ 850 °C의 전기 저항로에서 중간 예열으로 수행된다. 잉곳 열변형 처리 시, 유닛의 총 변형률은 Σε=67 %이다. 주괴는 Ø249x49 mm 크기로 측정하여 기계적으로 가공하고, 배관에 있는 축 중앙 홀을 드릴로 천공하여 배관을 확보한다. 730 °C ~ 780 °C의 온도에서 블랭크 파이프 열처리를 수행한다. 공작물 표면의 거칠기는 Ra = 2.5 미크론에 지나지 않다. 다음으로, 파이프 블랭크에 구리 코팅이 적용되어 이후의 가열 및 열간 압착 과정에서 가스 포화로부터 보호된다. 고온 프레싱을 위한 파이프 블랭크 가열은 유도로에서 또는 혼합 방식으로 수행되며, 처음에는 유도로에서, 다음에는 전기 저항 용해로에서 수행되어 공작물의 높이와 단면을 따라 온도를 동일하게 한다. 압착 전 파이프 블랭크의 가열 온도는 650 °C에서 670 °C 사이다. 후드를사용하여 μ= 8.9와 동일하게 누름 작업을 수행한다. 그런 다음 구리 코팅을 제거한다. 파이프 빌렛 가공시 금속에서 칩으로 손실되는 손실을 줄이기 위해 SKK 타입의 반경의 단조 기계에서 변형(파스당ε = 33 %)으로 다단계 방사형 단조를 실시한다. 그런 다음 진공 열 처리를 위해 파이프 블랭크를 보내는 것이다(T = 565 °C). 배관 빌릿은 배관 계수 Q가 1.0 - 2.3 범위에 있는 동안 냉간압연기, KPW 유형의 배관의 냉간 압연 공장에서 50 - 78 %의 총 변형으로 4회 통과로 압연된다. 중간 열처리는 진공 상태에서 570 °C ~ 600 °C의 온도 범위에서 수행되며 용해로 내 잔류 압력은 1·10-4 - 1·10-5 mmHg 이하이다. 파이프 제품의 최종 진공 열처리는 590 °C ~ 595 °C의 온도에서 내부 표면의 연마 및 광택 처리, 배치 또는 제트 에칭, 연마 처리하는 마감 작업이 수행된다.
청구된 기술 용액에 따라 제조된 지르코늄 합금으로 만들어진 파이프 제품은 다음과 같은 특성을 특징으로 한다 (실례 2, 표 1).
따라서 제시된 배관 제조방식은 기계적 특성이 안정적이고 형상변화에 강한 내식성 파이프 제품을 얻을 수 있다.
Figure pct00001

Claims (9)

  1. 질량% 니오븀 0.9 - 1.7, 철 - 00.4 - 0.10, 산소 - 0.03 - 0.10, 실리콘 - 0.02 미만, 탄소 - 0.02 미만, 지르코늄 - 나머지는 다중을 포함하는 지르코늄 합금으로 파이프 제품을 제조하는 방법으로서,
    반복적인 진공 아크 리멜팅에 의한 잉곳 용해, 잉곳 기계적 처리, 가열, 주괴 고온 변형, 파이프 빌릿 획득을 위한 후속 기계적 처리, 파이프 빌릿 열처리, 보호 코팅 적용, 고온 압착 온도로 가열, 보호 코팅 제거, 다단계 냉간 방사형 단조, 진공 열처리, 패스당 총 변형도 50 ~ 80 % 및 배관 계수 Q = 1.0 ~ 2.7의 중간의 진공 열처리 시 파이프 제품 생산하는 여러단계의 냉간압연이 포함되며, 최종 진공 열처리는 마무리 크기에서 수행되며 후속 마무리 작업이 수행되는 것인 방법.
  2. 제1항에 있어서, 고온 변형은 980 °C ~ 700 °C의 온도 범위에서 67 - 83 %의 총 변형 및 850 °C ~ 800 °C의 온도에서 중간 예열에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 파이프 빌릿은 주괴 열간 변형 후 측정된 길이로 절단된 단조 공정에서 축방향 중심 홀을 드릴링 후 내면선삭으로써 얻는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 파이프 빌릿의 고온 다단계 단조는 730 °C ~ 780 °C의 온도에서 고온처리가 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 750 °C에서 650 °C 의 온도에서 μ = 8.9 - 12.9의 드로우잉 비를 갖고 파이프 주괴의 고온 압축을 실시하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 파이프 빌릿의 다단계 냉간 방사형 단조는 패스당 33 %의 변형률로 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 파이프 블랭크 진공의 진공 열처리는 냉간 압연과 최종 진공 열처리가 565 - 630 °C의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제7항에 있어서, 진공 열 처리는 1·10-4 - 1·10-5 mmHg의 용해로 내 잔류 압력으로 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제1항에 있어서, 파이프 제품의 최종 크기에서는 표면의 화학 및 기계적 처리가 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
KR1020217038915A 2019-12-26 2019-12-26 지르코늄 합금 배관의 제조방법 KR102631715B1 (ko)

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