主泵屏蔽套用C-276合金薄板的研制

徐長(zhǎng)征，馬天軍，趙 欣，秦 斌，李雅范，李夢(mèng)啟

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主泵屏蔽套用C-276合金薄板的研制

徐長(zhǎng)征1，馬天軍1，趙 欣1，秦 斌2，李雅范2，李夢(mèng)啟2

（1. 寶鋼集團(tuán)中央研究院特鋼技術(shù)中心，上海 201900；2. 哈爾濱電氣動(dòng)力裝備有限公司，哈爾濱 150000）

本文主要介紹了寶鋼特鋼研制的主泵屏蔽套用C-276合金薄板的制造難點(diǎn)及在這些方面做的深入研究，并與進(jìn)口產(chǎn)品的性能做了對(duì)比。結(jié)果表明，寶鋼特鋼研制成功的主泵屏蔽套用C-276合金薄板，其性能和組織完全符合核電使用技術(shù)要求，且均優(yōu)于進(jìn)口產(chǎn)品。

C-276；屏蔽主泵；冷軋薄板；核電；國(guó)產(chǎn)化

0 前言

核電是先進(jìn)的清潔能源，是國(guó)家能源戰(zhàn)略重要的組成部分，是實(shí)現(xiàn)國(guó)家節(jié)能減排目標(biāo)的最重要舉措之一，核電自主化將對(duì)保障我國(guó)能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化和國(guó)家能源安全起到積極有效的促進(jìn)作用。從上世紀(jì)八十年代開(kāi)始，我國(guó)多種形式發(fā)展核電，逐步開(kāi)展了核電設(shè)備及其關(guān)鍵材料的國(guó)產(chǎn)化工作。經(jīng)多年努力，我國(guó)已能獨(dú)立生產(chǎn)制造百萬(wàn)千瓦級(jí)核電站核島的絕大部分主設(shè)備，但唯有核主泵還未國(guó)內(nèi)生產(chǎn)制造完成過(guò)，百萬(wàn)千瓦級(jí)別的核主泵一直依賴進(jìn)口，其國(guó)產(chǎn)化已成為制約我國(guó)成套提供百萬(wàn)千瓦級(jí)核電主設(shè)備的瓶頸之一，而核主泵用鎳基合金關(guān)鍵材料的制造成為重中之重。

在強(qiáng)放射性的核反應(yīng)堆中，核主泵是唯一長(zhǎng)期高速轉(zhuǎn)動(dòng)的裝備，堪稱核電站的“心臟”，也是核電設(shè)備中重要的核安全一級(jí)設(shè)備。其功能是通過(guò)驅(qū)動(dòng)核島內(nèi)高放射性高溫高壓水循環(huán)，將反應(yīng)堆內(nèi)核裂變熱量傳遞給蒸汽發(fā)生器，產(chǎn)生蒸汽來(lái)推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。AP1000/CAP1000 /CAP1400型壓水堆核電機(jī)組采用的是帶屏蔽電機(jī)的屏蔽泵，將電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子分別包裹在可以耐腐蝕的一層超薄屏蔽套內(nèi)，以防止轉(zhuǎn)子銅條和定子繞組接觸反應(yīng)堆冷卻劑，以保證屏蔽主泵無(wú)污染無(wú)泄漏運(yùn)行。因此，屏蔽套薄板的性能和質(zhì)量會(huì)直接影響主泵的正常運(yùn)行，是核主泵關(guān)鍵部件之一[1]。

核主泵屏蔽套用的材料是耐腐蝕、非磁性金屬Hastelloy C-276合金（ASME SB575 UNS N10276），它的高合金度特別是大量高比重的鉻（Cr）、鉬（Mo）和鎢（W）化學(xué)元素的構(gòu)成和力學(xué)性能使其具備了適應(yīng)核主泵運(yùn)行各種工況條件的優(yōu)選材料，冶金質(zhì)量難以控制，普遍存在著熱加工性極差、軋制易開(kāi)裂等問(wèn)題，在屏蔽套所需的大型鋼錠中顯得尤其突出，并成為極難克服的技術(shù)瓶頸之一[2-10]。

本文圍繞屏蔽套用薄板的制造過(guò)程，重點(diǎn)介紹該合金的特性及在制造難點(diǎn)方面的研究結(jié)果，為屏蔽套的應(yīng)用及該系列合金的制造提供借鑒作用。

1 屏蔽套用C-276合金及其薄板的特點(diǎn)

C-276合金在ASME SB 575中的牌號(hào)為UNS N10276，其成分要求見(jiàn)表1。由于其同時(shí)含有16%左右的Cr和Mo元素，因此在氧化性和還原性介質(zhì)中都具有較強(qiáng)抵抗能力，被稱為通用型耐蝕合金。與一般不銹鋼和其它耐蝕材料相比，它在各種腐蝕環(huán)境（包括電化學(xué)腐蝕和化學(xué)腐蝕）中可耐各種形式腐蝕破壞（包括均勻腐蝕、局部腐蝕以及應(yīng)力腐蝕等）的能力，而且還有很好的力學(xué)性能及加工性能，非常適宜于電廠煙氣脫硫、造紙、化工制造、海洋開(kāi)發(fā)等眾多領(lǐng)域的苛刻介質(zhì)環(huán)境，被認(rèn)為是目前世界上應(yīng)用最為廣泛的鎳基耐蝕合金之一，是一種具有強(qiáng)度高、電阻率高、導(dǎo)熱性能好、焊接性能優(yōu)的非磁性材料。電機(jī)使用其做屏蔽套比用普通不銹鋼板效率可提高2.1~3.5個(gè)百分點(diǎn)[2]。

表1 UNS N10276材料的化學(xué)成分（%）

C-276合金在成分上具有低碳（C）、低硅（Si）、高M(jìn)o和高Cr的特點(diǎn)，對(duì)合金的冶煉要求非常嚴(yán)格，同時(shí)由于W、鐵（Fe）等元素的存在使合金的熱加工成型十分困難。保持C-276合金的高合金度，特別是大量高比重的Cr、Mo和W元素是提高合金基體耐蝕性能的關(guān)鍵，但另一方面也會(huì)使合金具有較高的熱變形抗力，而且在凝固過(guò)程中容易產(chǎn)生較嚴(yán)重的枝晶偏析，形成一些Cr、Mo或W的富集相，造成合金熱加工塑性下降[2-10]。歸納起來(lái)，其制造難度主要集中在一下幾個(gè)方面：

（1）對(duì)C、Si、O及殘余有害元素的控制要求極為嚴(yán)格，給冶煉帶來(lái)很大的難度。

（2）由于其熱加工塑性較差，對(duì)鋼錠的均勻性提出了很高的要求，需要盡可能的減少宏觀和微觀偏析。

（3）隨著裝機(jī)容量的增加，核電設(shè)備規(guī)格越來(lái)越大，屏蔽套所需薄板的板幅很寬，尤其是CAP1400主泵電機(jī)要求屏蔽套板材超過(guò)1000mm，為AP1000屏蔽套寬度的1.2倍左右，產(chǎn)品的規(guī)格要求倒逼鋼錠必須采用大錠型。而這類難變形、易開(kāi)裂合金，采用傳統(tǒng)圓錠很難通過(guò)開(kāi)坯展寬獲得滿意的軋制坯料，而無(wú)限增加圓錠的尺寸又會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重偏析。

（4）為了保證電機(jī)具有高性能，并盡量減少屏蔽套內(nèi)的渦流損耗，屏蔽套越薄越好，目前設(shè)計(jì)厚度，定子屏蔽套為0.4mm、轉(zhuǎn)子屏蔽套為0.7mm；該厚度薄板無(wú)法酸洗，只能光亮退火，必須軋制成卷，該合金高溫強(qiáng)度高、導(dǎo)熱系數(shù)大，對(duì)爐卷軋制考驗(yàn)極大。

針對(duì)上述制造難點(diǎn)，我們擬定了下面的基本工藝路線：

真空感應(yīng)冶煉→電渣重熔→特殊開(kāi)坯工藝→初軋→爐卷熱軋→酸退→冷軋→光亮退火

2 制造實(shí)踐和研制結(jié)果

2.1 C-276合金冶煉與鋼錠制造技術(shù)研究

通過(guò)合理的冶煉流程及工藝設(shè)計(jì)、合金化成分及有害元素控制、脫氧技術(shù)及非金屬夾雜物控制技術(shù)，提高鋼液純凈度，降低有害元素、氣體含量和非金屬夾雜物，為澆注電渣重熔電極提供了優(yōu)質(zhì)鋼水。并研究了電渣重熔過(guò)程中渣系的選擇、電渣重熔關(guān)鍵工藝措施，很好的控制了電渣鋼錠的表面質(zhì)量和內(nèi)部冶金質(zhì)量。

圖1為C-276鋼錠局部的低倍組織，從圖中可以看出，一般疏松、中心疏松、錠型偏析均為0.5級(jí)，沒(méi)有任何其他低倍缺陷，鑄態(tài)組織良好。

圖1 C-276鋼錠低倍組織

對(duì)鑄態(tài)合金采用金相顯微鏡和掃描電鏡（SEM）觀察該合金工藝優(yōu)化前后的組織形貌，并應(yīng)用SEM線掃描分析各元素工藝優(yōu)化前后偏析程度。圖2為C-276合金鑄態(tài)高倍組織，圖2a為優(yōu)化前，圖2c為優(yōu)化前微觀元素線掃描；圖2b為優(yōu)化后的組織，圖2d為優(yōu)化后元素線掃描。

從圖2（a）優(yōu)化前試樣的光學(xué)顯微組織形貌圖中可以看到發(fā)達(dá)的枝晶組織。從圖2（c）線掃描能譜沿掃描線方向的變化趨勢(shì)來(lái)看，代表Ni、Cr、W、Si、Mn和Fe合金元素分布的譜線波動(dòng)較小，說(shuō)明這幾種元素分布較為均勻，偏析程度較小。然而，Mo元素譜線沿線掃方向波動(dòng)幅度較大，表明該元素在合金中分布均勻性較差，偏析程度較大。

從圖2（b）優(yōu)化后組織觀察顯示，晶界連續(xù)性析出物和晶內(nèi)塊狀析出已全部消除。圖2（d）線掃描結(jié)果表明同優(yōu)化前比較，Mo元素譜線沿線掃方向的變化趨勢(shì)與其它偏析程度較小的合金元素相似，工藝優(yōu)化后Mo元素在合金中分布均勻性大大改善，偏析基本消除。

可見(jiàn)，當(dāng)前的C-276冶煉和鋼錠制造工藝，完全可以得到宏觀和微觀均勻的鑄錠，這為后續(xù)開(kāi)坯和軋制奠定了良好的基礎(chǔ)。

2.2 C-276合金熱加工制造技術(shù)研究

該合金高溫強(qiáng)度較高，且有著比較高的導(dǎo)熱系數(shù)，在熱加工過(guò)程中如生產(chǎn)節(jié)奏掌握不好，則溫度降低后，其變形抗力會(huì)迅速增加，且由于析出μ項(xiàng)，其熱加工塑性也會(huì)急劇惡化，導(dǎo)致開(kāi)裂。在鍛造、熱軋工序，主要研究了熱加工開(kāi)裂的機(jī)制和防止措施，通過(guò)加熱制度、開(kāi)軋(鍛)溫度、終軋(鍛)溫度、變形制度、特殊處理等工藝參數(shù)的配合和熱加工變形及加工火次的控制，有效預(yù)防了熱加工開(kāi)裂的難題。

圖3是C-276平衡態(tài)相組成計(jì)算結(jié)果，可見(jiàn)當(dāng)溫度為1350~1120℃時(shí)合金為單相奧氏體結(jié)構(gòu)；溫度低于1120℃時(shí)μ相從基體中析出；溫度繼續(xù)降低到1100℃以下時(shí)，碳化物從基體析出，且在1100~800℃溫度范圍內(nèi)，碳化物的析出量隨溫度降低快速增加，當(dāng)溫度低于800℃時(shí)，隨溫度的降低，碳化物析出量增加減緩。

圖3 C-276合金的熱力學(xué)平衡相圖

圖4是軋制開(kāi)裂后在不同位置的取樣分析金相，如圖4（a）所示，在正常區(qū)域，組織中并未觀察到明顯的碳化物和其他相。而在開(kāi)裂區(qū)域，可明顯觀察到顆粒狀的富Mo析出相（EDS：Mo的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為43%），如圖4（b）所示，而裂紋就沿著這些析出相擴(kuò)展。該相很有可能是枝晶間偏聚元素在變形中被誘發(fā)析出的。該相在熱變形過(guò)程中很容易成為裂紋源，嚴(yán)重影響熱加工塑性。

由于Mo、W含量較高，即使合金經(jīng)1250℃高溫固溶熱處理，也不能完全抑制富Ni、Mo的μ相(Fe?Ni)7(Mo、W)6析出。研究表明[2, 11-16]，C-276合金中元素偏析最主要來(lái)自Mo元素，在合金凝固過(guò)程中，溶質(zhì)再分配是產(chǎn)生偏析的根本原因，Mo和Cr元素偏聚于枝晶間即液相最后凝固區(qū)域；W和Fe則偏聚于枝晶干。Mo元素熔點(diǎn)高，密度大，在C-276合金中質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，同時(shí)偏析程度相對(duì)最大。由Thermo-Calc計(jì)算得知，相同溫度時(shí)，Mo的擴(kuò)散比同樣含量的Cr困難。例如，1220℃時(shí)，Mo的擴(kuò)散系數(shù)為1.4×10-14，Cr的擴(kuò)散系數(shù)則為1.7×10-14，表明Cr元素更容易擴(kuò)散均勻[16]。較Mo而言，W和Fe雖然擴(kuò)散困難，但兩者在C-276合金中含量較少，偏析相對(duì)不嚴(yán)重，尤其是Mo元素在制造過(guò)程中會(huì)優(yōu)先形成μ相而嚴(yán)重影響到加工塑性，所以偏析必須消除。通過(guò)圖3的熱力學(xué)計(jì)算可知，晶界析出相為M6C (元素含量為58%Mo-9%Cr-5%W-2%C-2%Fe-23%Ni)，回溶溫度為1082℃，富Mo的析出相為μ相(元素含量為48%Mo-16%Cr-5%W-2%Fe-29%Ni)，低于1109℃時(shí)存在。

圖4 C-276合金熱加工開(kāi)裂取樣金相分析

據(jù)此，我們通過(guò)優(yōu)化的工藝將枝晶和元素偏析盡可能地消除，可降低有害相析出，顯著提高了合金的熱加工性能，使得合金順利的完成鍛造和熱軋，為冷軋?zhí)峁┝送耆珴M足要求的坯料。

2.3 C-276合金冷加工技術(shù)研究

圖5為C-276合金的冷加工硬化性能，從強(qiáng)度及硬度隨變形量的變化來(lái)看，其加工硬化能力很強(qiáng)，當(dāng)變形量不足冷軋難80%時(shí)，其屈服強(qiáng)度已變成退火態(tài)屈服強(qiáng)度的4倍左右，冷軋卷板幅超過(guò)1000mm，變形抗力很大，給冷軋工序帶來(lái)極大難度。

圖5 C-276冷加工硬化曲線

冷軋時(shí)對(duì)板材的板形、殘余應(yīng)力的大小和分布等的控制很重要，通過(guò)系統(tǒng)研究合金冷軋加工硬化機(jī)制及冷變形條件下組織演變規(guī)律，優(yōu)化軋制道次分配、軋程、退火工藝等關(guān)鍵參數(shù)，針對(duì)高強(qiáng)度C-276薄板研究并建立了一套特有的冷軋規(guī)程，順利將其軋至最薄0.4mm左右。

對(duì)于屏蔽套而言，板形、表面質(zhì)量和尺寸精度要求高，通過(guò)軋制工藝、退火工藝、矯平、剪切等協(xié)同控制，也實(shí)現(xiàn)了高尺寸精度、板形優(yōu)良、表面良好的薄板產(chǎn)品，完全滿足使用要求。

2.4 C-276合金熱處理技術(shù)研究

固溶退火是保證C-276合金力學(xué)性能、耐腐蝕性能和電學(xué)性能的關(guān)鍵，同時(shí)也是保證表面質(zhì)量的重要工序。C-276合金中含有高含量的易氧化元素，常規(guī)的光亮退火工藝難以控制表面氧化，通過(guò)針對(duì)性的調(diào)整生產(chǎn)工藝，形成了高鉬鎳基合金特有的優(yōu)化的光亮退火制度，在保證合金性能的前提下，確保了板材光亮退火表面質(zhì)量。

圖6是優(yōu)化的固溶退火工藝下所獲取的C-276合金薄板金相，可見(jiàn)其晶粒細(xì)小均勻，完全符合屏蔽套技術(shù)要求。

2.5 屏蔽套用C-276合金薄板研制結(jié)果

所研制的屏蔽套用C-276合金薄板四周（四邊）光滑平直，無(wú)塌邊、咬邊、凹陷，邊部毛刺≤0.02mm，表面無(wú)裂紋、氣泡、夾雜、結(jié)疤、氧化皮，也沒(méi)有任何劃傷、擦傷、壓入等缺陷，尺寸、化學(xué)成分等完全符合主泵屏蔽套的技術(shù)要求。

圖6 C-276冷軋薄板固溶退火態(tài)金相組織

表2為寶鋼特鋼研制的屏蔽套用C-276合金薄板的性能實(shí)績(jī)。從數(shù)據(jù)不難看出，寶鋼生產(chǎn)的產(chǎn)品不僅完全滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，而且性能和組織均優(yōu)于國(guó)外進(jìn)口產(chǎn)品。

表2 寶鋼特鋼屏蔽套用C-276合金薄板的性能實(shí)績(jī)

3 結(jié)論

寶鋼特鋼研制的屏蔽套用C-276合金薄板成分、性能和外觀完全滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，且性能和組織均優(yōu)于國(guó)外進(jìn)口產(chǎn)品。

寶鋼攻克了該類難變形鎳基耐蝕合金的各種工藝難關(guān)和技術(shù)瓶頸，形成了具有寶鋼自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的從冶煉、軋制到熱處理的主泵屏蔽套用薄板全流程制造技術(shù)，為保障國(guó)家能源戰(zhàn)略安全和核電自主建設(shè)起到了重要的支撐作用。

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Research and manufacturing of alloy C-276 strip for reactor coolant pump can in Baosteel

XU Changzheng1, MA Tianjun1, ZHAO Xin1, QIN Bin2, LI Yafan2, LI Mengqi2

(1. R&D Center for Special Metals, Research Institute, Baosteel Group Co., Shanghai 201900,China; 2. Harbin Electric Power Equipment Co., Ltd., Harbin 150000, China)

This paper mainly introduces the manufacturing difficulties and the research work in these aspects of the alloy C-276 strip for reactor coolant pump can developed in BAOSTEEL. The performance of strip is compared with the imported product correspondingly. The results show that the microstructure and properties of the alloy C-276 strip fully comply with the requirements of the technical standards of nuclear power. In particular, the performance of the BAOSTEEL products are better than them of imported products. The successful domestic manufacture of this product breaks the foreign monopoly on the market and technical blockade, and filled the blank of the product.

C-276; canned pump; cold rolled strip; nuclear power; domestic manufacture

TM304

A

1000-3983(2017)02-0012-05

2016-10-21

徐長(zhǎng)征（1978-），2007畢業(yè)于西安交通大學(xué)，主要從事先進(jìn)核電裝備用鎳基合金關(guān)鍵材料的研究開(kāi)發(fā)與制造工作，高級(jí)工程師。

審稿人：霍巖