核電用不銹鋼異型材生產(chǎn)工藝技術(shù)研發(fā)

柴志勇

（太原鋼鐵（集團(tuán)）有限公司， 山西　太原　030003）

試（實(shí)）驗(yàn)研究

核電用不銹鋼異型材生產(chǎn)工藝技術(shù)研發(fā)

柴志勇

（太原鋼鐵（集團(tuán)）有限公司， 山西太原030003）

重點(diǎn)介紹了太鋼開(kāi)發(fā)的核電用不銹鋼異型材先進(jìn)的冶煉、擠壓技術(shù)，針對(duì)不銹鋼異型材所要求的技術(shù)內(nèi)容，分析了熱擠壓工藝生產(chǎn)不銹鋼異型材的優(yōu)勢(shì)，提出“K-OBM-S轉(zhuǎn)爐冶煉、VOD/LF爐精煉、6 000 t擠壓機(jī)生產(chǎn)”的工藝流程設(shè)想，并進(jìn)一步分析了在開(kāi)發(fā)中需解決的關(guān)鍵技術(shù)難題。太鋼經(jīng)過(guò)系統(tǒng)地開(kāi)發(fā)，形成了一整套具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核電用不銹鋼異型材關(guān)鍵制造工藝技術(shù)，產(chǎn)品實(shí)物質(zhì)量達(dá)到世界先進(jìn)水平，已在先進(jìn)核電站得到應(yīng)用，取得了顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

核電用不銹鋼異型材冶煉擠壓

核電作為一種清潔能源，近幾年在我國(guó)得到大力發(fā)展，為此，我國(guó)積極引進(jìn)以AP1000為代表的第三代先進(jìn)壓水堆核電技術(shù)，參與建造國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（The International Thermonuclear Experimental Reactor，以下簡(jiǎn)稱ITER計(jì)劃）等。國(guó)內(nèi)企業(yè)在AP1000、ITER計(jì)劃核電站所需的不銹鋼異型材產(chǎn)品冶煉工藝方面，對(duì)成分、組織、夾雜物控制技術(shù)的研發(fā)較少，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性較差[1]；在材料成型方面，國(guó)內(nèi)外企業(yè)主要采用熱軋和焊接的工藝方式生產(chǎn)核電用不銹鋼異型材產(chǎn)品，而熱軋成型工藝由于變形方式、變形方向所限，導(dǎo)致產(chǎn)品尺寸偏差大、致密度偏低，后續(xù)需要復(fù)雜的機(jī)械加工來(lái)保證產(chǎn)品精度，難以滿足先進(jìn)核電站高質(zhì)量結(jié)構(gòu)支撐件的要求[2-3]。而采用焊接工藝方式生產(chǎn)的不銹鋼異型材，產(chǎn)品各部分組織、力學(xué)性能和殘余應(yīng)力無(wú)法保持一致，在苛刻環(huán)境、特殊溫度下使用，極易發(fā)生應(yīng)力開(kāi)裂、應(yīng)力腐蝕等問(wèn)題，有很高的安全隱患，使得產(chǎn)品應(yīng)用范圍有所限制。以第三代為代表的先進(jìn)核電站建設(shè)快速發(fā)展，對(duì)不銹鋼異型材質(zhì)量提出了更高要求，急需開(kāi)發(fā)出不銹鋼異型材熱擠壓整體成型加工技術(shù)，滿足先進(jìn)核電站不銹鋼異型材小批量、高質(zhì)量的要求。

太原鋼鐵（集團(tuán)）有限公司（全文簡(jiǎn)稱太鋼）通過(guò)研究不銹鋼異型材雜質(zhì)元素及夾雜物控制工藝、熱擠壓工藝以及性能控制技術(shù)（模型），生產(chǎn)出了產(chǎn)品關(guān)鍵性能滿足AP1000等核電站用不銹鋼H型、方型、C型、L型、矩型、U型等的異型材111.6 t。這些產(chǎn)品可頂替進(jìn)口產(chǎn)品，創(chuàng)造了可觀的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益。

1　研究?jī)?nèi)容

1.1雜質(zhì)元素及夾雜物控制工藝開(kāi)發(fā)

裂變核電及聚變核電堆體所使用不銹鋼異型材，要求Co等雜質(zhì)元素含量越低越好，一般不銹鋼產(chǎn)品的Co、P、Nb含量無(wú)法滿足核電用不銹鋼異型材的使用要求。課題組設(shè)計(jì)核電用不銹鋼異型材冶金工藝為“鐵水+合金”的模式，通過(guò)鐵水預(yù)處理脫P(yáng)，并使用Nb、Co、P元素含量較低的鉻鐵、鎳等原料，通過(guò)EXCEL建立原料Nb、Co、P、Ti元素含量預(yù)估模型，控制Nb、Co、P、Ti元素含量百分之百地滿足了不銹鋼異型材的技術(shù)要求。同時(shí)課題組依據(jù)冶金原理，在LF爐開(kāi)展了脫氧方式、吹氬流量、吹氬時(shí)間以及喂絲工藝試驗(yàn)，由圖1可知，LF爐弱攪拌時(shí)間達(dá)到15 min左右。

圖1　LF弱攪拌時(shí)間對(duì)不銹鋼夾雜物數(shù)量的影響

1.2不銹鋼異型材熱擠壓工藝技術(shù)開(kāi)發(fā)

熱擠壓工藝生產(chǎn)不銹鋼異型材，相比熱軋或焊接成型工藝，在生產(chǎn)小批量、高質(zhì)量產(chǎn)品方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。為此，課題組提出核電用不銹鋼異型材全部采用熱擠壓工藝成型方式進(jìn)行生產(chǎn)，具體的工藝流程為：坯料準(zhǔn)備—環(huán)形爐加熱—感應(yīng)加熱—潤(rùn)滑—熱擠壓—在線固溶熱處理。

圖2分別是擠壓速度為100、150、200、250 mm/s時(shí)錠坯變形區(qū)的應(yīng)變速率圖。模擬結(jié)果表明，擠壓模入口處是錠坯應(yīng)變速率最大的區(qū)域，且應(yīng)變速率隨擠壓速度的增大而增大。圖2-3中，擠壓速度為200 mm/s時(shí)，最大應(yīng)變速率在130 mm/s左右，金屬流動(dòng)均勻，擠壓力比較穩(wěn)定。經(jīng)過(guò)生產(chǎn)試驗(yàn)證明，擠壓速度為200 mm/s時(shí)，擠壓過(guò)程比較平穩(wěn)，制品平整光滑，滿足性能要求。

圖2　不同擠壓速度時(shí)的應(yīng)變速率

圖3是模擬出1 050、1 180、1 250℃下的擠壓力曲線。說(shuō)明擠壓力隨溫度的升高而減小，與所建立的材料模型一致。在溫度分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，加熱溫度達(dá)到1 250℃時(shí)，產(chǎn)品在擠壓過(guò)程中由于變形區(qū)的變形和摩擦產(chǎn)熱，變形區(qū)的溫度模擬值急劇升高到1 350℃左右，容易引起產(chǎn)品過(guò)熱現(xiàn)象。所以宜選擇熱擠壓溫度為1 180～1 200℃的范圍。

圖3　不同擠壓溫度時(shí)的擠壓力曲線

進(jìn)行316L外方內(nèi)圓管熱擠壓試驗(yàn)時(shí)，設(shè)定擠壓溫度為1 180℃，擠壓速度為200 mm/s。將試驗(yàn)擠壓力曲線與相同條件下的模擬擠壓力曲線對(duì)比（見(jiàn)圖4），發(fā)現(xiàn)兩者比較一致。試驗(yàn)所得制品與模擬效果對(duì)比（見(jiàn)圖5），兩者外形一致，擠出初始端都出現(xiàn)了“倒角”形狀的端部效果。證明此模型是可靠和實(shí)用的。

圖4　工藝試驗(yàn)與模擬擠壓力曲線對(duì)比

圖5　試驗(yàn)成品與模擬成品對(duì)比

1.3磁導(dǎo)率性能控制模型開(kāi)發(fā)

ITER計(jì)劃用316L、316LN不銹鋼異型材要求室溫磁導(dǎo)率性能小于1.03，一般用途的奧氏體不銹鋼材料，都含有體積分?jǐn)?shù)為5%～15%的δ-Fe，材料的磁導(dǎo)率值在1.03～1.20的范圍。只要材料具有穩(wěn)定的奧氏體組織，無(wú)δ-Fe相，不銹鋼異型材的室溫磁導(dǎo)率性能才可以滿足小于1.03的要求。

課題組對(duì)不銹鋼異型材化學(xué)成分（即［Cr］當(dāng)量/ ［Ni］當(dāng)量）與磁導(dǎo)率性能相關(guān)性進(jìn)行了技術(shù)研究，研究結(jié)果見(jiàn)下頁(yè)圖6。控制成分使材料在相圖中呈完全奧氏體組織時(shí)，材料的磁導(dǎo)率在1.3以下。

依據(jù)圖6研究結(jié)果，建立了ITER計(jì)劃用奧氏體不銹鋼異型材的磁導(dǎo)率（在75 000 A/m磁場(chǎng)強(qiáng)度、室溫下的磁導(dǎo)率）與［Cr］當(dāng)量/［Ni］當(dāng)量關(guān)系式（模型），見(jiàn)下式：

圖6　奧氏體不銹鋼異型材磁導(dǎo)率與［Cr］當(dāng)量/［Ni］當(dāng)量的關(guān)系

磁導(dǎo)率=0.273 0（［Cr］當(dāng)量/［Ni］當(dāng)量）2-0.638 2（［Cr］當(dāng)量/［Ni］當(dāng)量）+1.374 0.

式中：［Cr］當(dāng)量=w（Cr）+1.5w（Si）+w（Mo）；［Ni］當(dāng)量=w（Ni）+ 0.5w（Mn）+30［w（C）+w（N）］。

同時(shí)，由圖6可知，在奧氏體不銹鋼異型材磁導(dǎo)率性能＜1.03的范圍內(nèi)，公式與實(shí)際控制值較吻合，可以使磁導(dǎo)率性能滿足ITER計(jì)劃要求。

1.4晶粒度控制工藝開(kāi)發(fā)

核電站所需的奧氏體不銹鋼異型材作為支撐部件在室溫或低溫下使用，要求組織均一，不能有混晶組織，部分異型材要求晶粒度具有4級(jí)更細(xì)的細(xì)晶組織。課題組在Gleeble-3800熱模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行316L、316LN壓縮變形實(shí)驗(yàn)，并在6 000 t擠壓機(jī)上實(shí)際進(jìn)行了部分?jǐn)?shù)據(jù)驗(yàn)證，得出在一定擠壓速度下，擠壓溫度和擠壓比對(duì)不銹鋼異型件成品晶粒度的影響，見(jiàn)圖7（圖中未標(biāo)出更大擠壓比與晶粒度的關(guān)系），實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為開(kāi)發(fā)更高性能不銹鋼異型材、實(shí)現(xiàn)細(xì)晶組織提高材料強(qiáng)韌性的目標(biāo)奠定了基礎(chǔ)，并形成了技術(shù)。

圖7　奧氏體不銹鋼異型材擠壓比、擠壓溫度對(duì)晶粒度的影響

2　產(chǎn)品檢驗(yàn)結(jié)果

2.1雜質(zhì)元素含量

經(jīng)過(guò)工藝控制，核電用不銹鋼異型材的雜質(zhì)元素含量較大幅度地降低，見(jiàn)表1。

表1　不銹鋼異型材雜質(zhì)元素含量控制結(jié)果　%

2.2夾雜物控制情況（見(jiàn)表2）

表2　核電用不銹鋼異型材夾雜物評(píng)級(jí)情況（按照ASTME45標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)）　級(jí)

2.3磁導(dǎo)率性能

根據(jù)模型對(duì)用于ITER計(jì)劃的不銹鋼異型材磁導(dǎo)率進(jìn)行控制，使材料保持弱磁性，產(chǎn)品在75 000 A/m的磁場(chǎng)強(qiáng)度下，用FOERSTER 1.069磁導(dǎo)儀測(cè)量室溫磁導(dǎo)率性能，將磁導(dǎo)率控制在1.002～1.007，遠(yuǎn)低于ITER計(jì)劃要求（ITER計(jì)劃要求奧氏體不銹鋼磁導(dǎo)率＜1.03），滿足了ITER計(jì)劃用不銹鋼材料在強(qiáng)磁場(chǎng)下使用的苛刻要求。

2.4晶粒度

根據(jù)研究結(jié)果對(duì)不銹鋼異型材晶粒度進(jìn)行控制，按照ASTME112標(biāo)準(zhǔn)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行晶粒度評(píng)級(jí)，晶粒度達(dá)到了4級(jí)更細(xì)，獲得了細(xì)晶組織，且晶粒度偏差在±1級(jí)之內(nèi)。

2.5尺寸公差控制

尺寸控制為不銹鋼異型材最關(guān)鍵的指標(biāo)，以C型鋼為例，下頁(yè)表3列出了C型鋼的設(shè)計(jì)尺寸及公差，從下頁(yè)圖8可以看出C型鋼A、B1、T1的測(cè)量值100%落在了設(shè)計(jì)公差范圍之內(nèi)；B2的測(cè)量值91.67%落在了公差范圍之內(nèi)，剩余部分均處于正公差；T2和S的測(cè)量值83.33%落在了公差范圍之內(nèi)，剩余部分均處于正公差。考慮到后續(xù)有壓力矯直和修磨工序，且C型鋼表面有20μm左右的玻璃粉層，超出B2、T2和S三者設(shè)計(jì)尺寸的正公差部分均可以通過(guò)人工修磨處理，因此不影響產(chǎn)品的最終質(zhì)量。

表3　不銹鋼C型鋼尺寸公差要求　mm

其他核電站用不銹鋼異型材產(chǎn)品尺寸公差控制結(jié)果與C型鋼相類似，實(shí)現(xiàn)了擠壓成型后不經(jīng)大量機(jī)械加工直接使用的開(kāi)發(fā)目標(biāo)。

2.6無(wú)損檢測(cè)結(jié)果

用于ITER計(jì)劃的L型、矩型鋼（鋼號(hào)316LN）產(chǎn)品按照EN4050標(biāo)準(zhǔn)（歐盟航空材料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)）進(jìn)行超聲波檢測(cè)，并通過(guò)了缺陷面積不超過(guò)7 mm2的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品達(dá)到世界先進(jìn)水平。

圖8　奧氏體不銹鋼C型鋼尺寸檢查結(jié)果

3　結(jié)論

1）太鋼根據(jù)國(guó)家發(fā)展第三代核電技術(shù)及參與建造國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆對(duì)不銹鋼材料的重大需求，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)核電用不銹鋼異型材生產(chǎn)工藝技術(shù)，并取得了技術(shù)突破，形成了一整套具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核電站用不銹鋼異型材生產(chǎn)技術(shù)，共授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利6項(xiàng)，形成企業(yè)技術(shù)秘密13項(xiàng)，技術(shù)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

2）太鋼開(kāi)發(fā)AP1000反應(yīng)堆用C型鋼、H型鋼和方型鋼、ITER計(jì)劃用矩型鋼、L型鋼、中國(guó)核聚變?cè)囼?yàn)堆用T型鋼等共計(jì)111.6 t，創(chuàng)經(jīng)濟(jì)效益2 140.15萬(wàn)元。其中采用熱擠壓方法生產(chǎn)的不銹鋼C型鋼，用于建造AP1000反應(yīng)堆上方的冷卻水塔，是國(guó)內(nèi)首件產(chǎn)品，該產(chǎn)品單支長(zhǎng)度比進(jìn)口產(chǎn)品翻了1倍，達(dá)10 m以上；而用于AP1000第三代核電站汽輪機(jī)發(fā)電余熱排出換熱系統(tǒng)的不銹鋼H型鋼，也是世界上第一支擠壓型核電用H型鋼產(chǎn)品，被成功用于海陽(yáng)核電站，整體性能明顯優(yōu)于焊接同類產(chǎn)品。該產(chǎn)品研制成功的消息被列入2011年度中國(guó)不銹鋼業(yè)十大新聞之中。

3）AP1000反應(yīng)堆等先進(jìn)核電站所用材料國(guó)產(chǎn)化是我國(guó)未來(lái)20年核電發(fā)展的重要課題，太鋼開(kāi)發(fā)的不銹鋼異型材生產(chǎn)工藝技術(shù)為先進(jìn)核反應(yīng)堆關(guān)鍵部件的國(guó)產(chǎn)化貢獻(xiàn)了力量，取得了重要的社會(huì)效益。

[1]張文輝，王振華，趙德利，等.一種核級(jí)316LN鋼的相圖計(jì)算與微合金化設(shè)計(jì)[J].燕山大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，35（6）：519-522.

[2]劉培培，張秀芝，邵偉，等.316LN不銹鋼熱變形條件下的力學(xué)行為研究[J].熱加工工藝，2014，43（6）：12-15.

[3]潘品李，鐘約先，馬慶賢，等.316LN鋼多道次變形條件下的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為[J].塑性工程學(xué)報(bào)，2011，18（5）：13-18.

（編輯：胡玉香）

Research and Development of Production Technology of Stainless Steel Profiled Bar for Nuclear Power

CHAI Zhiyong
（Taiyuan Iron&Steel（Group）Co.，Ltd.，Taiyuan Shanxi 030003）

Advanced steel making and extrusion technology of stainless steel profiled bar for nuclear power developed by Taiyuan Iron&Steel（Group）Co.，Ltd（TISCO for short）was introduced in this paper.In order to meet the technology requirement of stainless steel profiled bar，advantages of hot extrusion was analyzed and the technological process of“K-OBM-S converter，VOD/LF，6000 t extrusion press”was put forward.A series of key technical problems have been studied during the development process，and a full set of key manufacturing technology with independent intellectual property rights have been formed.Product quality of TISCO’s stainless steel profiled bar has reached the advanced world level.These products have applied to advanced nuclear power plants，and achieved remarkable economic and social benefits.

stainless steel for nuclear power，profiled bar，steel making，extrusion

TG142.71

A

1672-1152（2016）04-0001-04

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2016.04.01

試（實(shí)）驗(yàn)研究

2016-06-28

柴志勇（1963—），男，研究生，工程師，現(xiàn)在太鋼從事鋼鐵產(chǎn)品銷售及原料采供管理工作。