核电压力容器用钢的冶炼

一一狡不 . 19 , 7 . 1(总71) 硕甩压刀吞.用匆 的 粉炼 核电压力容器用钢的冶炼 赵林金东国赵长春 提要 : 核电压力容器用钢技术指 标 要求机严 , 本 文介绍了一重集团公司研制 S八60 8 一 1 1 1 钢所采用 的冶炼技米 , 重 . 点说明 了化学成分 、 偏 析和非金属夹杂物 的控制 技米 。 一重集团公司未用该钢种 制造的国内首台出口巴基斯坦 的30 0MW核反 应堆 筒体已发 往 用户 , 受到巴方好评 ; 研制的冷却剂泵 壳(样机 )已于 1996年 n 月通过国 家脸收 。 关键词 : 冶炼工艺合金钢核电设备压力容器 三召)。 N、 馏 。z 闰 钾 p 皇 , 卜 。 汉 时 ; 0 l ( n “ 5 0洲拍 犯0 佗刊币 。 N 恺 。八 份 p J, 次 卜 ;。 戈 翔 核电站 由一回路和二回路组成 , 二回路 是常规设备 。 一 回路是核设备 , 由压力壳 、 稳 压器 、 蒸发器和主泵等部件组成 。 这些 部件 大多采用锻焊结构 。 它们在高温高压下长期 工作 , 压力壳容器的活性区部分还要承受强 烈的中子辐照作用 , 因而会使钢材的冲击韧 性降低 , 无延性转变温度升高 , 甚至有造成容 器破裂的危险 。 目前世界上许多国家制造压力容器都采 纳美国材料试验标准(A STM )或美国机械工 程师协会(ASM卫)规范 。 对一般压力容器而 言 , 这些规范要求是必须遵循的 。 但对于核 能压力容器用钢来讲 , 为了确保其最大的安 全性和可靠性 , 各国都制订了更加严格的技 术标准 。 1 用钢成分的选定 在压力容器的整个断面上应具有足够而 均匀的强度和韧性 , 这对压力容器的完整性 来说是非常重要的 。 而钢的强度和韧性主要 取决于钢的化学成分和它的显微组织 , 通常 可以通过严格控制钢的化学成分和选择适当 的合金添加剂并取适当的热处理工艺和晶粒 细化措施来获得较为理想的强度和韧性 。 化学成分 的确定应顾及钢材的 室温 强 度 、 高温强度 、韧性、 焊接性和抗辐照脆性等 , 并由此确定最适当的化学成分 。 表 1 和表 2 是部分国家用于核电压力容器材料的化学 成 分和机械性能 。 在性能上 , 化学成分中的碳 是保证钢强度的基本元素 , 提高碳含量可改 善钢的淬透性 , 但同时也使韧性和焊接性能 变差 ( 见 图1) 。 因此 , 在设计钢种 成分时 派派派 记z 0 0 0 UTr, , 0 0 0 朴T r3 5 5 5 蒸蒸蒸 画画燕钻全魏魏 收稿日期 : 199 6年1 1月20日 。 赵 林 : 一重集团公司锻冶处高级工程师 。 金东国 : 一重集团公司副 总工程师 、高级工程师。 赵长春 : 一重集团公司锻冶处副处长 、高级工程师。 应在保证必要 的强 度(特 别 是高 温强度) 条件下尽量降 低碳含量 。 钢 中添加少量铝 可以细 化晶 粒 , 对改善低 温韧性很有效 果 2 (见 图 2) 。 根据研究 A 5 33B 钢的 结果 , 钢 中熔 0鱼50200 . 2劣 f鱿(% 图1含碳t对韧性的影响 解状态的氮量与细化奥氏体晶粒的铝量之比 一, 技术 . 19 97 . l (总 71 ) 彼电压力容口用姻的冶炼 提拱g 赛璐 暇 留钟只出赞侧 喊 Z 彬 余值醉 牟g爆爱暇 留钟只 出 娜 侧喊 工 彬 。 厄 尽鑫麟 !: 坦 郊 l卜 潇仅 !闷 . . 坦 州州州州州州州州州 的挤挤 沃沃沃沃沃沃沃沃沃 l l l 州州 喧喧喧喧喧喧喧喧喧 己己 挥挥挥 l 记门 尸1 1 1 今今今今今 11 O O O O O O OO O O O O O O O O O O O O O O O O O O OO O O O O O O O O O O O O V V V V V V V /V / / / / / / / / / / / / / 6 6 6 6 6 l! ! ! 价 尸, , , , , ,l O O O O O O OO O O O O O O O O O O O O O O O O O O OO O O O O O O O O O O O O V V V V V V V /V / / / / / / / / / / / / / 的的 勺八 八 自 甘、 、 l的的的的的 甘 、叮 飞甘翻 翻 0 0 0 0 000 0 0OO O O凶O O O O O O O O O000 0 0 0 0 0 0 000 0 0OO O OO O O O O O O O O000 0 0 V V V V V /V /丫丫V /V / / / O O O O O O O O O 丫 WW W W 4 4 4 4 4 4 4 4 4二, , , , , , 蔺蔺蔺 l 呜门 娇娇娇娇娇娇 l O O O O O O OO O O O O O O O O O O O O O O O O O O OO O O O O O O O O O O O O V V V V V V V / V / / / / / / / / / / / / / 逻逻逻 OO O O 犷曲 O O O C匀匀丫) ) ) O O O O OOO O O 卜卜卜心心卜心心口口 丫翻 翻 卜卜卜卜心心 . . . . .也也咭. . . 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A I 图3 8 0 1 . 附s o l . A J对韧性的影响 在焊接性能方面 , 通过控制钢的化学成 分可以控制堆焊层下的开裂 。 研究表明 , 裂 纹敏感性随铜 、磷、硫、 砷 、铝、 氮 、钥和 钻的含 量增加而增加 。 钥和钻元素由于它们促进粗 晶热影响区内的碳化物形成而使蠕变延性降 低 , 而其它元素则认为是出现在晶界处而降 粗炼钢水冶炼过程的主要任务是最大限 度地去除钢中的磷含量 。 操作 中造高碱度 、 高氧化铁的炉渣 , 并且掌握好放渣的时机 , 出 钢前将钢中的磷控制在 0 . 00 3%以下是不成 问题的 。 粗炼钢水兑入精炼包时的钢渣分离是控 制钢 中极低磷含量的关键 。 精炼炉内进行的 -. 技术 . 1 997 , l (总7 1) 核电压力容留用月的 冶 慈 是还原精炼 , 高氧化性炉渣进入精炼包中将 不可避免地使钢水回磷 。 因此粗炼钢水兑入 精炼包时掌握 “ 卡渣 ”时机是非 常重要的 。 隔寿 土k 二下- 一落一一万 - 嚣 . . 一一门 原材料准备 1 . 加人铁合金成份的化脸和控制 2 . 匆铁料成份的化验和控制 平 、 电炉粗 炼俐水冶炼 L F精炼炉 精 炼 真空铸锭 关键成份的控制 1 . 平 、 电炉俐兑人 “卡渣”控制 2 . 加铝控制 1 . 关健成俊的控制 2 . 脱气控制(真空度) 3 . 出钢温度控制 系统的清洁 、 干燥 1 . 浇注真空度 2 . 勿锭相口的发热 、 保温 分的熔渣 , 可以将钢 中硫控制 在 0 . 0 0 2%以 下 。 控制钢中的铝 、 氮含量是关系到压力容 器制造质量的另一关键 。 要控制好氮/铝 比 值 , 氮可以通过含氮合金加入 。 但要掌握氮 和铝的回收情况有很大的困难 。 保证真空系统的真空度可以最大限度地 去除钢中的有害气体氢 。 资料显示 , 低硫钢 会促使锻件产生氢裂并增加焊接时热影响区 的氢裂 , 这是因为起消氢和吸氢作用的硫化 锰夹杂数量的降低将会增加氢含量 。 图6是我公司有害元素的控制情况 。 图4 核压力容甜钮件的冶炼流程和控制点 精炼的任务是脱氧 、脱硫和 合金化 , 并且 进行真空脱气 。 核能压力容器钢的低硫含量 对获得高韧性和各向同性机械性能很重要 , 因此必须尽盘降低硫 。 传统的去硫方法是造高碱度 、 低氧化铁 的还原渣 , 但将硫降为0 . 0 0 3%以下尚有困 难 。 为此采用造高从q炉渣的方法 , 即以 。06 0 % 一Siq s % 一 从伪3 2 %作为钢渣控 制的目标值 , 这种渣的去硫能力很强 。 图 5 3 表明 , 当曼内斯曼系数为0 . 2 一 0 . 3 时 , S ! ! ! ! ! ! 阮阮阮阮阮阮阮阮阮 丫丫丫丫 “ ! ! ! ! ! ! ! ! 肠肠肠肠 A s s s l l l卜 P P P P P P P 阮阮阮 州州 、公 公 I I I l l l !丫丫1 1 1 ,c o o o 阅阅氏八八气 1 1 1沐 沐 ! ! ! 、! ! !l l lr r r 刃刃刃 Y ! ! !叭产 产队 队 ( ( (卜入入1 . lJ J J 卜卜 八凶 凶丫树 树 、料料侧 侧l l l队 I f f f A s 、Sn、S b 、P、S、伪(% ) 3 . SNIC r拟 I OV 钢 困6 徽t 元案的控制情况 2 . 2 化学成分偏析的控制 目前压力容器的发展趋 向是整体化 , 目 的是减少压力容器的焊缝量 。 这样可以减少 容器裂纹的产生 , 并且便于制造时和运行过 程中的检查 。 这种发展趋势要求容器采用更 少但更大型的环形锻件 , 这就要求使用更大 型的原始钢锭或者提高现有铸锭的利用率 。 钢水中化学成分的控制是必须的 , 但这 并不是优质产品生产中的全部条件 。 合金元 素和杂质元素的宏观和微观偏析在凝固时不 可避免地会发生 。 通常随着铸锭尺寸和重量 的增加 , 合金元素和杂质元素的宏观偏析也 增加 , 因而将造成化学成分的不均匀性并相 应产生机械性能和脆性的局部差异 。 卿3 o o 洲l o o VC D II X ) t 5 0 3 02 01 05 的 承/(的承 ) 1. . 日 . . .刁 日口. 孟 曰 一,9 0 . 1 0 . 2 0 . 3 (qo/S哒)/从炳 困5 熔渡 的里内斯里系数对钢包精炼 炉中S的分配比 的形响 的分配比达到 20 0一30 0 。 使用具有上述成 一.反 术 . 1997 . 1(总7 1) 极电压力粤.用用的冶炼 大型铝镇静低合金钢的宏观偏析见 图 7 。 为了获得质量较好的锻件 , 锻造时须去除 钢锭头部和底部的最大正负偏析区域 , 同时 去除钢锭芯部的夹杂物偏析区 。 这样可能会 去除钢锭相当大的一部分 , 但可以达到控制 授固组织 偏析形式 合金元素 正偏析 激冷区 细等轴晶 V 型偏析 柱状枝晶 生长组织 A型偏析 合浇技术 , 可以通过控制先后浇注钢水 的化 学成分来控制整个钢锭成分的偏析 。 特别是 对于偏析倾向比较大的碳元素 , 通过采用这 种浇注方法可以很好地得以控制 。 表4是采 用这种方法后得到的水 、 冒口端化学成分的 测定结果 , 相当于钢锭顶部 、底 部的成分很一 致 , 这表明合浇钢锭的偏析很小 。 通过优化钢锭设计 , 采用先进的冒口发 热保温技术 , 可以使钢锭头部和尾部的正负 偏析向两端迁移 , 从而提高钢锭 的可利用部 分 。 图8是利用计算机模拟计算的结果(a 为优化设计前 , b为优化设计后) 。 分枝枝晶 生长组织 合金元素 负偏析 等轴晶体 生长组 织 硅脱氧为 硅酸盐富集 图 7 大型全脱叙钢铸锭凝 固组织 和史现偏析形式 锻造成品合格成分的目的 。 在现代炼钢工艺中 , 通过冶炼高纯度的 钢和采用先进的浇铸工艺可使钢锭中的宏观 偏析影响大幅度地降低 , 从而提高钢锭 的锻 件利用率 。 对于较大型的钢锭 , 一般要采用 橱橱橱 。 优化设计前 卜 . 优化设计后 图8大钢锭凝固情况 表 4 核电锻件水 、留口 端化学成分测定值(%) 炉炉次次 廊位 位睡酬 酬 C C CSi i i Mn n n P P PS S S c r r r Mo o o Ni i i C u u u A l l l A s s s s n n n弘弘 肠肠 B B B 6 6 6 9 309 0 0 0 水口 口 20 5 5 5021 1 10 . 20 0 0 1 . 43 3 30 . 0以 以 0 . 0 0 4 4 40 . 14 4 40 . 50 0 00 . 79 9 9 0 . 0 3 3 30 . 03 3 30 . 006 6 60 . 0 0 3 3 30 . 001 1 10 . 0 0 8 8 8 , 0 . 0 0 04 4 4 6 6 693091 1 1胃口口口0 . 23 3 30 . 2口 口 1 . 44 4 4 0 . 加3 3 3 0 . 0 0 3 3 3 0 。 1 4 4 4 0 . 51 1 10 . 7 6 6 60 . 0 5 5 5 0 . 0 5 5 5 5 5 5 5 5 50 . 006 6 60 . 0 ( ) 03 3 3 6 6 694 153 3 3 咨 口口 1 67 7 70 19 9 90 . 2 2 2 21 . 45 5 5 0 . 加4 4 4 0 . 0 0 2 2 20 14 4 4 0 . 5 0 0 00 . 78 8 8 0 05 5 5 00 3 3 30 . 0 03 3 30 . 002 2 21 00 00 . 007 7 70 . 0003 3 3 6 6 6 9 4 154 4 4胃口口口 0 . 2 0 0 002 0 0 01 . 45 5 5 0 0 0 5 5 50 . C0 4 4 40 1 4 4 40 . 50 0 00 . 7 9 9 90 . 05 5 5 0 . 0 3 3 30 . 003 3 3O 002 2 2 . 00 ( )0 . 007 7 70 . 0003 3 3 2 . 3 大型非金属夹杂物的控制 纯净度的控制包括对一些有害元素的控 制 , 要求将它们的含量降低到很低 的浓度范 围内 , 对此已在前面叙述 。 除此之外 , 钢在冶炼和浇注过程中不可 避免地会有一些脱氧产物等非金属夹杂物滞 留在钢中 , 对钢产生不利的影响 。 采用钢包精炼 , 由于钢液的强烈搅拌 , 并 且经过真空处理 , 使钢水中的非金属夹杂物 可以降低到很低的幅度 。 真空铸锭法 L B (中间包芯杆吹氢法)不 同于普通真空铸锭 , 在浇注过程中由于氢气 的真空膨胀带动了钢流的颗粒化 。 钢水小滴 分散而均匀地下落 , 使要混进钢水 的外来夹 杂物失去原来钢水的 “ 载体 ”, 不能潜入很深 的钢水内层 。 加上钢水产生的浮力 , 使外来 浸蚀物浮于钢水表面 , 达到净化钢水的目的 。 浇注过程中钢水需经过精炼包 中间包 一,技术 . 19 97 . 1 (总71 )核电压力容口用炯的冶炼 一锭模等制成钢锭 。 因此 , 中 间包 、 导流管 、 冒口 、钢锭 模等浇注系统 的清洁度对钢锭外 来夹杂的控制就显得极 为重要了 。 不可否 认 , 这实际上是 生产管理上的问题 。 要保证 中间包包衬的清 洁 , 不允许有未处理掉的残 钢和过多的残余钢渣 。 当然耐火材料的质量 也是至关重要的 , 应选择高质量的耐火材料 , 以防止耐火材料被过分浸蚀而进入钢锭中 。 但是 , 大型钢锭底部总是有存在大型夹 杂物的倾向的 。 日本对夹杂物的来源进行了 研究 , 结果表明钢锭底部大型夹杂物与钢锭 冒口结壳块有关 。 由于凝固收缩使冒口结壳 变形开裂 , 从而引起下沉 。 夹杂物则是用来 加热冒口的混合物和浇注后上升到钢锭液面 上的非金属夹杂物 。 为了防止非金属夹杂物 , 在浇注钢锭后 应尽可能快地把发热剂施 加在冒口的上表 面 。 这样 , 冒口结壳可能尚未形成时发热剂 先吸热并燃烧 。 虽然开始有少量的钢水凝固 后沉到钢锭