CN103695810B - 核电站控制棒驱动机构套管轴及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种核电站控制棒驱动机构套管轴的制备方法，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)将钢水浇注成钢锭，其中，以重量百分比计，钢锭含有≤0.05-0.06%C、≤0.75%Si、≤2.00%Mn、≤0.030%P、≤0.50%Cu、18.00-18.50%Cr、10.50-11.00%Ni、≤0.015%S、≤0.10%Co、≤0.001%B、≤0.15%Nb+Ta、0.06-0.07%N和余量Fe；3)将钢锭锻造成管坯，对管坯进行热穿孔以获得荒管；以及4)将荒管加工成核电站控制棒驱动机构套管轴。本发明核电站控制棒驱动机构套管轴的制备方法通过化学成份的优化组合和制造工艺过程中成份的控制，CRDM套管轴达到RCCM规定的力学性能和功能的要求，在运行条件下不发生晶间腐蚀，寿命满足CRDM的设计规范和国家标准要求。

Description

核电站控制棒驱动机构套管轴及其制备方法

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套管轴及其制备方法。

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***中重要的机械设备，作为反应堆控制和保护***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套管轴是一根细长的空心管，坯料尺寸为80x47.2x1100mm。CRDM套管轴具有导向作用，驱动杆从管中心穿过。CRDM套管轴是由低碳奥氏体不锈钢材料制造，需要通过晶间腐蚀实验。

但是，CRDM套管轴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套管轴供货市场。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套管轴及其制备方法。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种核电站控制棒驱动机构套管轴及其制备方法。

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套管轴的制备方法，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)将钢水浇注成钢锭，其中，以重量百分比计，钢锭含有≤0.05-0.06%C、≤0.75%Si、≤2.00%Mn、≤0.030%P、≤0.015%S、≤0.50%Cu、18.00-18.50%Cr、10.50-11.00%Ni、≤0.10%Co、≤0.001%B、≤0.15%Nb+Ta、0.06-0.07%N和余量Fe；

3)将钢锭锻造成管坯，对管坯进行热穿孔以获得荒管；以及

4)将荒管加工成核电站控制棒驱动机构套管轴。

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

作为本发明制备方法的一种改进，步骤2)中的浇注钢锭在氩气保护气氛中进行。

作为本发明制备方法的一种改进，步骤3)中，所述钢锭加热保温后采用快锻开坯和径锻制成管坯。

作为本发明制备方法的一种改进，步骤3)中，所述钢锭加热保温工艺为自≤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，步骤3)中，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。

作为本发明制备方法的一种改进，步骤3)中，所述钢坯在径锻加热炉中加热，加热温度＞1120℃，加热4.5小时，保温2.5个小时，钢坯出炉后在径锻机上锻造到毛坯尺寸。

作为本发明制备方法的一种改进，步骤4)中，将荒管加工成核电站控制棒驱动机构套管轴包括：荒管酸洗、冷轧、酸洗、矫直、润滑、冷轧、成品加工和固溶热处理。

作为本发明制备方法的一种改进，步骤4)中，所述酸洗采用硝酸或氢氟酸。

作为本发明制备方法的一种改进，步骤4)中，所述矫直采用机械方式矫直，弯曲度≤1mm/m。

作为本发明制备方法的一种改进，步骤1)中，AOD精炼+LF炉精炼时通过添加合金料来获得钢锭的成份。

此外，本发明还提供了一种核电站控制棒驱动机构套管轴，以重量百分比计，其含有≤0.05-0.06%C、≤0.75%Si、≤2.00%Mn、≤0.030%P、≤0.015%S、≤0.50%Cu、18.00-18.50%Cr、10.50-11.00%Ni、≤0.10%Co、≤0.001%B、≤0.15%Nb+Ta、0.06-0.07%N和余量Fe。

作为本发明核电站控制棒驱动机构套管轴的一种改进，所述核电站控制棒驱动机构套管轴是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套管轴及其制备方法具有以下技术效果：通过化学成份的优化组合和制造工艺过程中成份的控制，CRDM套管轴达到RCCM规定的力学性能和功能的要求，在运行条件下不发生晶间腐蚀，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，实现了CRDM套管轴不锈钢管制造的国产化。

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套管轴及其制备方法进行详细说明，附图中：

图1为本发明核电站控制棒驱动机构套管轴的制备方法中，锻造管坯时的快锻开坯加热工艺曲线。

图2为根据本发明核电站控制棒驱动机构套管轴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套管轴的制备方法的主要工艺包括：电炉冶炼+AOD精炼+LF炉精炼→浇注钢锭→锻造管坯→管坯定切、剥皮→热穿孔→荒管酸洗→精整修磨→润滑→冷轧→去油→中间坯热处理→酸洗→矫直→润滑→冷轧→……(循环加工)→成品加工→固溶处理→取样→性能检测→矫直→精磨→尺寸、外观检查。

1.电炉冶炼+AOD精炼+LF炉精炼：

原料采用高碳铬铁、中碳铬铁、低P原料、金属锰、硅铁，原料在电炉中熔化获得钢水；然后，将钢水倒入AOD精炼炉中吹氧脱碳，加入合金料，调整化学成分；达到炼钢工艺规范规定的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，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化学成分和出钢温度后出钢。

为了保证钢的性能满足技术要求，对钢的主要元素进行控制，各主要金属及其含量见表1。

表1钢的主要元素及含量(重量百分比)

元素

C

Si

Mn

P

S

Cr

Ni

含量

0.05～0.06

≤0.75

≤2.00

≤0.030

≤0.015

18.00～18.50

10.50～11.00

元素

N

Cu

Co

B

Nb+Ta

Fe

含量

0.06～0.07

≤0.50

≤0.10

≤0.001

≤0.15

余量

2.浇注钢锭：为了保护钢水浇铸过程中不氧化或少氧化，采用氩气保护浇铸。

3.锻造管坯：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，然后径锻至管坯毛坯。

钢锭加热：钢锭在室式炉中按图1所示的工艺曲线图进行加热，先自≤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。

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。

径锻：钢坯在径锻加热炉中加热，加热温度＞1120℃，加热4.5小时，保温2.5个小时；钢坯出炉后在1300吨径锻机上锻造到毛坯尺寸，锻造毛坯尺寸：Φ140mm，锻造总锻比：＞14；冷却方式：空冷。

4.热穿孔：将管坯剥皮、管坯定切和二辊斜轧穿孔机上热穿孔。

5.钢管加工

制作工艺流程：荒管Φ133×18mm→退火热处理→矫直→切管→酸洗→检验→冷轧→去油→退火热处理→矫直→切管→酸洗→检验→冷轧→去油→退火热处理→矫直→切管→酸洗→检验→冷拔→去油→固溶处理→取样→组织、性能检测→矫直→酸漂→尺寸、表面检验→超声波检验→切管(定切)。

冷轧和冷拔：控制冷轧速率和轧辊精度，保证钢管坯料表面质量及尺寸精度。冷拔时控制适当变形量，钢管表面充分润滑，选用合适的芯棒，避免冷拔时钢管内外表面擦伤。

热处理：荒管、中间坯和成品热处理在钢管厂的辊底炉内进行。

酸洗：采用不锈钢酸洗液，例如，硝酸、氢氟酸，具体配比可根据企业规定调整。

钢管矫直：钢管矫直采用机械方式，弯曲度满足≤1mm/m，矫直时注意压下量，应避免压伤钢管表面。

抛光：钢管内、外表面质量控制，内、外表面光洁度满足Ra≤6.3μm或更精细，尺寸满足允许偏差。钢管内表面质量主要在热穿孔时控制，钢管外表面用抛光机抛光。

可以理解的是，钢管加工流程中的其他流程与常用不锈钢钢管的加工工艺相似，不再赘述。

晶粒度评级

按GB/T6394-2002进行晶粒度评级：取套管轴坯料1/2壁厚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2，晶粒度评级为6.0级，标准要求值为细于2级。

晶间腐蚀试验

按RCCC-MMC1310进行晶间腐蚀试验：取套管轴坯料内外表面处纵向试样2件，保留内外原始表面，按照RCC-MMC1310方法A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。

拉伸试验

按GB/T228.1-2010进行拉伸试验：在套管轴坯料1/2壁厚处取纵向拉伸试样3件，进行室温拉伸试验，试样工作部分直径为Φ10mm，拉伸试验结果见表2。

表2拉伸试验结果

结合以上实施例的详细描述和实验结果可以看出，相对于现有技术，本发明核电站控制棒驱动机构套管轴及其制备方法具有以下技术效果：

1.通过化学成份的优化组合和制造工艺过程中成份的控制，CRDM套管轴达到RCCM规定的力学性能和功能的要求，在运行条件下不发生晶间腐蚀，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，实现了CRDM套管轴不锈钢管制造的国产化。

2.能利用国内现有的工艺设备加工制造，工艺上没有困难，利于批量生产；

3.经实际检测，安装在设备CRDM中运行时各项指标性能优良，可保证驱动杆运动的导向。

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 (10)

1.一种核电站控制棒驱动机构套管轴的制备方法，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)将钢水浇注成钢锭，其中，以重量百分比计，钢锭含有0.05-0.06％C、≤0.75％Si、≤2.00％Mn、≤0.030％P、≤0.015％S、≤0.50％Cu、18.00-18.50％Cr、10.50-11.00％Ni、≤0.10％Co、≤0.001％B、≤0.15％Nb+Ta、0.06-0.07％N和余量Fe；

3)将钢锭加热保温后采用快锻开坯和径锻制成管坯，对管坯进行热穿孔以获得荒管；其中，钢锭加热保温工艺为自≤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；以及

4)将荒管加工成核电站控制棒驱动机构套管轴。

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

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中的浇注钢锭在氩气保护气氛中进行。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3)中，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。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤3)中，所述钢坯在径锻加热炉中加热，加热温度＞1120℃，加热4.5小时，保温2.5个小时，钢坯出炉后在径锻机上锻造到毛坯尺寸。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤4)中，将荒管加工成核电站控制棒驱动机构套管轴包括：荒管酸洗、冷轧、酸洗、矫直、润滑、冷轧、成品加工和固溶热处理。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤4)中，所述酸洗采用硝酸或氢氟酸。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤4)中，所述矫直采用机械方式矫直，弯曲度≤1mm/m。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中，AOD精炼+LF炉精炼时通过添加合金料来获得钢锭的成份。

10.一种核电站控制棒驱动机构套管轴，其特征在于，以重量百分比计，所述核电站控制棒驱动机构套管轴含有0.05-0.06％C、≤0.75％Si、≤2.00％Mn、≤0.030％P、≤0.015％S、≤0.50％Cu、18.00-18.50％Cr、10.50-11.00％Ni、≤0.10％Co、≤0.001％B、≤0.15％Nb+Ta、0.06-0.07％N和余量Fe，其是通过权利要求1-9中任一项所述的制备方法获得。