CN103695809B

CN103695809B - 核电站控制棒驱动机构行程套管及其制备方法

Info

Publication number: CN103695809B
Application number: CN201310688005.3A
Authority: CN
Inventors: 杨春乐; 杨孟嘉; 陈志强; 冉小兵; 邓小云; 戴长年; 刘宝亭; 米大为; 唐茂; 吴昊
Original assignee: China General Nuclear Power Corp; China Nuclear Power Engineering Co Ltd
Current assignee: China General Nuclear Power Corp; China Nuclear Power Engineering Co Ltd
Priority date: 2013-12-15
Filing date: 2013-12-15
Publication date: 2016-05-11
Anticipated expiration: 2033-12-15
Also published as: CN103695809A

Abstract

本发明公开了一种核电站控制棒驱动机构行程套管的制备方法，其包括以下步骤：1)选取原料并通过电炉冶炼+AOD精炼+LF炉精炼，获得钢水；2)将钢水浇注成电极；3)将电极电渣重熔获得钢锭，其中，以重量百分比计，钢锭含有≤0.035%C、≤1.00%Si、≤2.00%Mn、≤0.030%P、≤0.015%S、18.50～20.00%Cr、9.00～10.00%Ni、≤0.080%N、≤1.00%Cu、≤0.10%Co、≤0.001%B、≤0.05%Al和余量Fe；4)锻造钢锭毛坯，热处理后进行机加工；以及5)经磁性能检验、无损检测后获得核电站控制棒驱动机构行程套管。根据本发明制备方法获得的核电站控制棒驱动机构行程套管可达到实际使用的力学性能和功能性的要求，寿命满足设计规范和国家标准要求，经逐点测量磁导率，相对磁导率可控制在1.02以下。

Description

核电站控制棒驱动机构行程套管及其制备方法

技术领域

本发明属于核电技术领域，更具体地说，本发明涉及一种核电站控制棒驱动机构行程套管及其制备方法。

背景技术

核电站核安全级设备--控制棒驱动机构(CRDM)是核电站反应堆系统中重要的机械设备，作为反应堆控制和保护系统的一部份，CRDM是极其重要的执行机构，其主要功能是驱动控制棒在堆芯中上、下运动实现反应堆启动、提升功率、保持功率、负荷跟踪、正常停堆和事故停堆。

压水堆核电站CRDM行程套管是磁力提升式控制棒驱动机构的承压密封件的一部份，工作在核电站一回路高温高压水的环境中，不仅要为驱动杆部件的运动提供行程空间，也充当棒位探测器部件的定位和支撑结构。为了保证铁磁性棒位探测器指示的精确，要求棒位探测器线圈通电后行程套管无磁性，因此要求行程套管的材料具有耐高温高压的力学性能、纯奥氏体组织、无磁性和耐腐蚀，属于核一级零部件。

CRDM行程套管长期被国外少数几个国家垄断，他们长期控制着全球核电项目的CRDM行程套管供货市场。完全依赖于国外少数CRDM设备生产厂家供货，我国不仅需要多付出昂贵的采购成本，而且供货周期不确定，风险大，曾经不同程度影响到我国在建核电新项目的工期进度。

有鉴于此，确有必要提供一种核电站控制棒驱动机构行程套管及其制备方法。

发明内容

本发明的发明目的在于：提供一种核电站控制棒驱动机构行程套管及其制备方法。

为了实现上述发明目的，本发明提供了一种核电站控制棒驱动机构行程套管的制备方法，其包括以下步骤：

1)选取原料并通过电炉冶炼+AOD精炼+LF炉精炼，获得钢水；

2)将钢水浇注成电极；

3)将电极电渣重熔获得钢锭，其中，以重量百分比计，钢锭含有≤0.035%C、≤1.00%Si、≤2.00%Mn、≤0.030%P、≤0.015%S、18.50～20.00%Cr、9.00～10.00%Ni、≤0.080%N、≤1.00%Cu、≤0.10%Co、≤0.001%B、≤0.05%Al和余量Fe；

4)锻造钢锭毛坯，热处理后进行机加工；以及

5)经磁性能检验、无损检测后获得核电站控制棒驱动机构行程套管。

作为本发明制备方法的一种改进，步骤1)中，所述原料采用高碳铬铁、中碳铬铁、镍板、低P原料、金属锰、含氮铬铁、硅铁。

作为本发明制备方法的一种改进，步骤2)中，所述浇注在氩气保护氛围中进行。

作为本发明制备方法的一种改进，步骤3)进行之前，对电极表面进行清理。

作为本发明制备方法的一种改进，步骤3)进行之后，对脱模的钢锭进行表面精整。

作为本发明制备方法的一种改进，步骤4)中，所述钢锭加热保温后采用快锻开坯和径锻制成毛坯。

作为本发明制备方法的一种改进，所述钢锭加热保温工艺为：将钢锭自≤700℃缓慢加热至900-1000℃，在900-1000℃保温2小时后再缓慢加热至1000-1100℃，在1000-1100℃保温2小时之后，出炉锻造。

作为本发明制备方法的一种改进，进行所述快锻开坯时，将钢锭镦粗二次或多次，镦粗保温后钢坯出炉进行拔长锻造，经多次锻造后将钢坯锻成所需中间坯尺寸，开坯后切除钢锭头、尾。

作为本发明制备方法的一种改进，所述钢坯在径锻加热炉中在＞1100℃的温度加热2.5-4.5小时，保温1.5-2.5小时，钢坯出炉后在径锻机上锻造成所需中间坯尺寸。

作为本发明制备方法的一种改进，步骤4)后，对锻件毛坯进行固溶处理。

作为本发明制备方法的一种改进，所述固溶处理为：将锻件钢坯自≤650℃加热至＞1000℃，保温≥2.5小时后水冷至钢坯表面温度小于40℃。

作为本发明制备方法的一种改进，通过选取原料和添加合金料来获得步骤3)中的钢锭的成份。

为了实现上述发明目的，本发明还提供了一种核电站控制棒驱动机构行程套管，以重量百分比计，所述核电站控制棒驱动机构行程套管含有≤0.035%C、≤1.00%Si、≤2.00%Mn、≤0.030%P、≤0.015%S、18.50～20.00%Cr、9.00～10.00%Ni、≤0.080%N、≤1.00%Cu、≤0.10%Co、≤0.001%B、≤0.05%Al和余量Fe。

作为本发明核电站控制棒驱动机构行程套管的一种改进，所述核电站控制棒驱动机构行程套管通过前述制备方法获得。

相对于现有技术，本发明核电站控制棒驱动机构行程套管及其制备方法具有以下优点：

通过化学成份的优化和制造过程中化学成份的控制，CRDM行程套管可达到实际使用的力学性能和功能性的要求，寿命满足CRDM的设计规范和国家标准要求。此外，逐点测量磁导率，相对磁导率可控制在1.02以下。经实际检测，安装在CRDM中运行时各项指标性能优良，安全可靠。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式，对本发明核电站控制棒驱动机构行程套管及其制备方法进行详细说明，其中：

图1为本发明核电站控制棒驱动机构行程套管的制备方法中快锻开坯加热工艺曲线图。

图2为本发明核电站控制棒驱动机构行程套管的制备方法中毛坯固溶处理的工艺曲线图。

图3为根据本发明核电站控制棒驱动机构行程套管的制备方法获得的试样的夹杂物形貌图。

图4为根据本发明核电站控制棒驱动机构行程套管的制备方法获得的试样的α相形貌图。

图5为根据本发明核电站控制棒驱动机构行程套管的制备方法获得的试样的金相组织、晶粒度形貌图。

实施例

为了使本发明的发明目的、技术方案及其技术效果更加清晰，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的实施例仅是为了解释本发明，并非为了限定本发明。

本发明核电站控制棒驱动机构行程套管的制备方法的主要工艺流程包括：原料精选→电炉冶炼+AOD精炼+LF炉精炼→浇铸电极→表面精整→电渣重熔→锻造毛坯→热处理→取样→理化性能检验→机加工→磁性能检验→无损检测→尺寸、表面质量检验。

1.原料精选：原料采用高碳铬铁、中碳铬铁、镍板、低P原料、金属锰、含氮铬铁、硅铁。

2.电炉冶炼+AOD精炼+LF炉精炼：原料在电炉中熔化，然后将钢水倒入AOD精炼炉中吹氧脱碳、吹氮，加入合金料，调整化学成分，达到炼钢工艺规范规定的目标成分和钢水温度后出钢，钢水倒入钢包。

钢包移入LF精炼炉进行第二次精炼，根据炉前分析结果加入合金料以调整化学成分，同时调整钢水温度，待钢水达到满足炼钢工艺规范要求的目标化学成分和出钢温度后出钢。

3.浇铸电极：为了保护钢水浇铸过程中不氧化、少氧化，采用氩气保护浇铸。

4.电渣重熔：为了提高钢的冶金质量，进行电渣重熔二次冶炼，获得钢锭。通过电渣重熔，可提高钢的纯净度，减少钢中夹杂物，减小夹杂物的尺寸、改变夹杂物的分布。

在电渣重熔前，对电极表面先进行清理，清除表面氧化皮。此外，为了去除渣料中水分，使用前，可采用电阻炉烘烤渣料。

电渣重熔时采用CaF₂:Al₂O₃:CaO:MgO四元渣系，采用不锈钢通用电渣重熔工艺，通过控制电压和电流，保证电渣重熔过程平稳进行。

为了保证钢的组织满足要求，对钢的主要合金元素进行目标成份控制，钢的主要合金元素含量见下表1。

表1钢的主要合金元素含量(重量百分比)

元素

C

Si

Mn

P

S

Cr

Ni

N

含量

≤0.035

≤1.00

≤2.00

≤0.030

≤0.015

18.50～20.00

9.00～10.00

≤0.080

元素

Cu

Co

B

Al

Fe

含量

≤1.00

≤0.10

≤0.0010

≤0.050

余量

5.表面精整：钢锭脱模后表面精整，去除钢锭表面缺陷。

6.锻造毛坯：钢锭采用快锻+径锻组合锻造工艺，钢锭加热保温后采用快锻开坯，然后径锻至成品毛坯。

钢锭加热在室式炉中按图1工艺加热：将钢锭自≤700℃缓慢加热至900-1000℃，在900-1000℃保温2小时再缓慢加热至1000-1100℃；在1000-1100℃保温2小时之后，出炉锻造。

快锻开坯，钢锭在2000吨快锻机组上进行开坯。

为了保证钢棒有良好的组织以满足力学性能和探伤要求，锻造时钢锭镦粗二次，镦粗保温后钢坯出炉进行拔长锻造，经多次锻造后钢坯锻到所需中间坯尺寸。

开坯后切除钢锭头、尾，锻造压缩比大于5，钢坯冷却后表面精整，去除钢坯表面缺陷。

径锻：钢坯在径锻加热炉中加热。加热温度＞1100℃，加热2.5-4.5小时，保温1.5-2.5小时，钢坯出炉后在1300吨径锻机上锻造到毛坯尺寸。

7.热处理(固溶处理)：锻件毛坯按图2进行固溶处理。将锻件毛坯自≤650℃加热至＞1000℃，保温2.5小时后进行水冷(如将毛坯吊入水槽内)，至毛坯表面温度小于40℃。

8.取样和理化性能检验：从毛坯上获取试样进行实验检测，以便确定毛坯是否满足规定的性能要求和功能性要求，具体参见实验检测部分。

9.机加工→磁性能检验→无损检测→尺寸、表面质量检验：将符合检验要求的钢坯按照要求机加工成预定尺寸的行程套管；通过行磁性能检测、无损检测和尺寸、表面质量检验，即可获得符合设计规范和国家标准要求的核电站控制棒驱动机构行程套管。

实验检测

1.非金属夹杂物检验

按GB/T10561-2005进行非金属夹杂物检验：取行程套管坯料1/2半径处纵截面试样磨制抛光后，在显微镜下检验非金属夹杂物，非金属夹杂物形貌见图3，检验结果见表2。

表2非金属夹杂物检验结果

2.α相检验

按GB/T13305-2008进行α相检验：取行程套管坯料中心处纵截面试样磨制抛光后，用碱性铁氰化钾水溶液腐蚀检验α相。α相检验以最严重视场为中心，测量相邻5个视场的铁素体含量并报出，α相形貌见图4，检验结果见表3。

表3α相检验结果

3.晶粒度评级

按GB/T6394-2002进行晶粒度评级：取行程套管坯料1/2半径处横截面试样磨制抛光后，用10%草酸水溶液电解腐蚀，检验晶粒度。晶粒度形貌见图5，晶粒度评级为3.0级。

4.晶间腐蚀试验

按RCCC-MMC1310进行晶间腐蚀试验：取行程套管坯料1/2半径处纵向试样2件，将表面抛光后按照RCC-MMC1310方法B进行敏化处理，敏化后的试样加铜屑腐蚀24小时，弯曲90°，检验结果2件试样均无晶间腐蚀倾向。

5.拉伸试验

按GB/T228.1-2010进行室温拉伸、按GB/T4338-2006进行350℃拉伸：在行程套管坯料1/2半径位置处取环向拉伸试样6件，进行室温及350℃高温拉伸试验，试样工作部分直径为Φ10mm，拉伸试验结果见表4。

表4拉伸试验结果

6.低温冲击试验

按GB/T229-2007进行0℃低温冲击试验：在行程套管坯料1/2半径位置处取环向冲击试样3件，进行0℃低温冲击试验，试样采用10mm×10mm×55mm标准V型缺口试样，缺口轴线垂直于坯料外表面，冲击试验结果见表5。

表5低温冲击试验结果

从以上的实验检测可以看出，本发明核电站控制棒驱动机构行程套管具有理想的耐高温、高压的力学性能；具有纯奥氏体组织，逐点测量磁导率，相对磁导率可控制在1.02以下；耐腐蚀，可满足设计规范和国家标准要求。

结合以上的详细描述和实际检验，本发明核电站控制棒驱动机构行程套管及其制备方法具有以下技术效果：

1.实现了CRDM行程套管制造的国产化，打破国外技术垄断，具有很高的社会效益和经济效益；

2.通过化学成份的优化组合，在制造工艺过程中确保成份的控制，CRDM行程套管可达到力学性能和功能性的要求，寿命满足CRDM的设计规范和国家标准要求，质量达到国外同类产品的先进水平；

3.能利用国内现有的工艺设备加工制造，适于批量生产；

4.采用电炉+AOD精炼+LF炉精炼，在冶炼过程中严格控制化学成分的优化配比以阻止铁素体析出，经逐点测量磁导率，相对磁导率控制在1.02以下；

5.经实际检验，安装在设备CRDM中运行时各项指标性能优良，保证使用安全可靠。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims

1.一种核电站控制棒驱动机构行程套管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)选取原料并通过电炉冶炼+AOD精炼+LF炉精炼，获得钢水；

2)将钢水浇注成电极；

3)将电极电渣重熔获得钢锭，其中，以重量百分比计，钢锭含有≤0.035％C、≤1.00％Si、≤2.00％Mn、≤0.030％P、≤0.015％S、18.50～20.00％Cr、9.00～10.00％Ni、≤0.080％N、≤1.00％Cu、≤0.10％Co、≤0.001％B、≤0.05％Al和余量Fe；

4)所述钢锭加热保温后采用快锻开坯和径锻制成毛坯，热处理后进行机加工；钢锭加热保温的工艺为：将钢锭自≤700℃缓慢加热至900-1000℃，在900-1000℃保温2小时再缓慢加热至1000-1100℃；在1000-1100℃保温2小时之后，出炉锻造；以及

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述原料采用高碳铬铁、中碳铬铁、镍板、低P原料、金属锰、含氮铬铁、硅铁。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述浇注在氩气保护氛围中进行。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3)进行之前，对电极表面进行清理。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3)进行之后，对脱模的钢锭进行表面精整。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，进行所述快锻开坯时，将钢锭镦粗二次或多次，镦粗保温后钢坯出炉进行拔长锻造，经多次锻造后将钢坯锻成所需中间坯尺寸，开坯后切除钢锭头、尾。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述钢坯在径锻加热炉中在＞1100℃的温度加热2.5-4.5小时，保温1.5-2.5小时，钢坯出炉后在径锻机上锻造成所需中间坯尺寸。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤4)后，对锻件毛坯进行固溶处理。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述固溶处理为：将锻件钢坯自≤650℃加热至＞1000℃，保温≥2.5小时后水冷至钢坯表面温度小于40℃。

10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，通过选取原料和添加合金料来获得步骤3)中的钢锭的成份。

11.一种核电站控制棒驱动机构行程套管，其特征在于，以重量百分比计，所述核电站控制棒驱动机构行程套管含有≤0.035％C、≤1.00％Si、≤2.00％Mn、≤0.030％P、≤0.015％S、18.50～20.00％Cr、9.00～10.00％Ni、≤0.080％N、≤1.00％Cu、≤0.10％Co、≤0.001％B、≤0.05％Al和余量Fe，其是通过权利要求1-10中任一项所述的制备方法获得。