核電壓力容器用SA-508-3-1鋼的冶煉

薛永棟 晉帥勇 汪 勇 郭 彪

>(中信重工機(jī)械股份有限公司核電加氫研究所，河南471003)

中信重工積極拓展核電大型鍛件生產(chǎn)領(lǐng)域，開展核電壓力容器鍛件用SA-508-3-1鋼的生產(chǎn)工藝研究，生產(chǎn)的模擬件符合核島鍛件要求，并取得了國家核安全局頒發(fā)的核電壓力容器核島主設(shè)備鍛件制造許可證。

1 SA-508-3-1鍛件用鋼技術(shù)條件要求

1.1 化學(xué)成分要求

核電壓力容器用SA-508-3-1鋼的化學(xué)成分要求見表1。

1.2 力學(xué)性能要求

調(diào)質(zhì)及模擬焊后熱處理狀態(tài)的主要力學(xué)性能應(yīng)滿足表2規(guī)定。

1.3 晶粒度及非金屬夾雜物評(píng)級(jí)

鍛件實(shí)際晶粒度要求評(píng)定結(jié)果為5級(jí)或更細(xì)。

非金屬夾雜物評(píng)級(jí)要求見表3。

其中A為硫化物類型，B為氧化鋁類型，C為硅酸鹽類型，D為球狀氧化物類型。

2 冶煉技術(shù)難點(diǎn)

2.1 有害元素控制

核電壓力容器SA-508-3-1鍛件用鋼要求嚴(yán)格控制鋼中產(chǎn)生輻照脆性的P、S、Cu、Sn、As、Sb等元素[1]，以及經(jīng)輻照后產(chǎn)生放射性同位素的Co元素。由于這些有害元素在冶煉過程中大部分無法去除，因此須從冶煉原材料環(huán)節(jié)降低有害元素含量，采用一般的廢鋼鐵料難以滿足要求。

表1 SA-508-3-1的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of SA-508-3-1 steel (mass fraction,%)

表2 SA-508-3-1鍛件力學(xué)性能要求Table 2 Mechanical properties requirements of SA-508-3-1 steel forging

表3 非金屬夾雜物評(píng)級(jí)要求Table 3 Classification requirements of non-metallic inclusion

2.2 保證較好的力學(xué)性能

核電壓力容器用鋼力學(xué)性能要求嚴(yán)格，尤其是參考無塑性轉(zhuǎn)變溫度(RTNDT)要求在-20℃以下，即要求在低溫下有良好的韌性。合理控制鋼中[N]/[Al]細(xì)化晶粒，可明顯提高低溫沖擊韌性[2]，但是極為活潑的Al在煉鋼溫度下極易氧化，冶煉控制[N]/[Al]比較困難。

2.3 保證鋼的潔凈度

核電壓力容器用鋼嚴(yán)格的檢測(cè)要求、極低的非金屬夾雜物評(píng)級(jí)和高指標(biāo)的力學(xué)性能對(duì)鋼的潔凈度提出了極高要求。

3 冶煉工藝過程及控制措施

3.1 工藝路線

綜合考慮核電壓力容器用鋼冶煉的難點(diǎn)以及本公司實(shí)際生產(chǎn)能力，采用目前非常成熟的雙真空冶煉工藝。其工藝過程為：EBT初煉—LF精煉—VD—VC，即采用EBT電爐初煉鋼水無渣出鋼，然后轉(zhuǎn)至LF精煉及真空脫氣處理，最后進(jìn)行真空澆注。

3.2 精選爐料

為保證將殘余有害元素控制在盡可能低的范圍，采用含P、S、Cu、Sn、As、Sb、Co等有害元素低的核電專用廢鋼、生鐵及專用鐵合金，確保熔清時(shí)鋼中Cu、Sn、As、Sb、V、Co、B滿足技術(shù)條件要求。

3.3 EBT初煉鋼水

EBT電爐初煉鋼水，爐底加大石灰配入量，以利于增加初期渣的堿度及渣量，在溫度較低時(shí)提前造高堿度爐渣，充分發(fā)揮脫磷的作用，通過多次換渣操作，將磷脫到0.002%以下。保證合適的配碳量，采用吹氧操作促進(jìn)C-O反應(yīng)，以利于去除氣體及促進(jìn)夾雜物上浮。EBT出鋼時(shí)嚴(yán)禁氧化渣進(jìn)入鋼包。

3.4 LF精煉及真空處理

EBT出鋼時(shí)加入鋁塊以快速預(yù)脫氧及造鋁渣，分批加入渣料，采用鋁粉、硅鈣粉進(jìn)行擴(kuò)散脫氧，造高鋁渣深度脫硫。精確控制合金加入量，使成分達(dá)到目標(biāo)值，準(zhǔn)確調(diào)整[N]/[Al]，使成品鋼中氮和鋁的比值盡量接近0.5[3]。最后調(diào)整完合金的時(shí)間距離LF出鋼時(shí)間應(yīng)大于5 min，保證夾雜物充分上浮。真空處理時(shí)保證工作壓力低于60 Pa，有效時(shí)間不少于15 min，根據(jù)液面翻騰情況調(diào)整氬氣流量。

3.5 真空澆注

采用塞桿吹氬進(jìn)行真空澆注，促使鋼流擴(kuò)散，增大鋼液與真空的接觸面積，使擴(kuò)散鋼流中的氧進(jìn)一步和碳發(fā)生反應(yīng)，降低鋼中氧含量、氫含量。鋼流滴落后夾雜物浮在鋼水表面，能夠有效降低鋼中夾雜物含量，達(dá)到潔凈鋼要求。

4 研制結(jié)果

經(jīng)過周密的組織和嚴(yán)格的操作，成功制造了包括模擬件在內(nèi)的核電壓力容器鍛件。經(jīng)超聲波檢測(cè)和整體表面磁粉檢測(cè)均未發(fā)現(xiàn)可記錄缺陷，部分產(chǎn)品已經(jīng)交付用戶。

模擬件采用85 t鋼錠鍛造成蒸汽發(fā)生器內(nèi)部構(gòu)件支承法蘭。模擬件化學(xué)成分、力學(xué)性能、晶粒度及夾雜物評(píng)級(jí)見表4～7。

從表4和表7的結(jié)果看，我公司生產(chǎn)的模擬件化學(xué)成分控制精確，熔煉和成品再熱裂紋敏感系數(shù)ΔG均小于-0.1。鍛件成品中P、S、As、Sb、Cu、Co、B等有害元素含量極低，鋼中氫及氧的含量也很低，達(dá)到了很高的潔凈度。晶粒度及夾雜物評(píng)級(jí)達(dá)到核電壓力容器鍛件要求。

從表2和表5、表6看出模擬件力學(xué)性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于技術(shù)條件要求。在取得核電壓力容器核島主設(shè)備鍛件制造許可證后，通過微調(diào)合金成分，交付用戶的核電壓力容器鍛件力學(xué)性能又超過模擬件，RTNDT最低達(dá)到-50℃，遠(yuǎn)優(yōu)于-20℃要求。

表4 核電壓力容器模擬件化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 4 Chemical composition of nuclear plant reactor pressure vessel simulation specimen (mass fraction,%)

表5 核電壓力容器模擬件調(diào)質(zhì)及模擬焊后熱處理狀態(tài)(PWHT)拉伸性能Table 5 The tensile property of nuclear plant reactor pressure vessel simulation specimen at the situations of quenching and tempering as well as PWHT

表6 核電壓力容器模擬件調(diào)質(zhì)及PWHT狀態(tài)Akv沖擊性能和RTNDTTable 6 Akv impact property and RTNDT of nuclear plant reactor pressure vessel simulation specimen at the situations of quenching and tempering as well as PWHT

表7 核電壓力容器模擬件晶粒度及夾雜物評(píng)級(jí)Table 7 Classification requirements for grain size and inclusion of nuclear plant reactor pressure vessel simulation specimen

5 結(jié)論

(1)通過選用核電專用原材料，保證了鋼中As、Sb、Cu、Co、B等有害元素的低含量，鋼中P達(dá)到0.004%以下，S達(dá)到0.002%以下，合金元素控制精確。

(2)通過調(diào)整鋼中氮和鋁含量，保證成品鋼中[N]/[Al]比值接近0.5，以形成AlN，降低鋼的原始晶粒度，同時(shí)改善低溫沖擊韌性。

(3)中信重工目前已生產(chǎn)出核電壓力容器鍛件鋼錠近20支，生產(chǎn)的鍛件各項(xiàng)性能均滿足核電壓力容器技術(shù)條件及客戶的要求。

[1] 趙林， 金東國，等. 核電壓力容器用鋼的冶煉. 一重技術(shù)， 1997，71：6.

[2] 胡本芙， 卜勇， 等. N/Al比值對(duì)A508-3鋼的組織和性能的影響. 鋼鐵， 1999(1): 39-43.

[3] 薛永棟， 賀強(qiáng)， 等. 核電鍛件用鋼SA-508-3-1低溫沖擊性能不合格原因分析與對(duì)策. 大型鑄鍛件， 2011(6): 28-29.