CN105921655A - 核电用压力容器一体化封头板坯及其锻造成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种核电用压力容器一体化封头板坯，包括板坯主体，所述板坯主体呈圆板状结构，在该板坯主体的一面设有两个人孔圆台和两个管孔圆台，板坯主体的另一面为大锥角圆台面。所述板坯主体(1)的大锥角圆台面上底直径φ1与板坯主体的外径φ与比：φ1/φ=1/（1.80—1.90）。所述板坯主体上的大锥角圆台面的圆台锥角为170°‑175°。其锻造型方法包括以下步骤：钢锭加热；锻坯下料；锻坯镦拔，镦拔比3.0‑3.5；模锻成型；板坯热处理。所述锻坯镦粗的每次镦粗压下率为24%—30%；锻坯拔长的每次拔长压下率为24%—30%。本发明不仅能实现封头板坯的整体锻造成型，而且锻件组织均匀密实、金属流线完整，更利于封头成品的锻造和力学性能的提高。

Description

核电用压力容器一体化封头板坯及其锻造成型方法

技术领域

本发明涉及一种核电设备用大型结构件，尤其涉及用于锻造核电用压力容器一体化封头的封头板坯，本发明还涉及该封头板坯的锻造成型方法。

背景技术

随着国际能源趋于紧张，各国都在大力发展新能源，全球核电己进入到一个高速发展时期，各工业发达国家和发展中国家都在积极致力于核电发展。我国能源结构也在进行调整，以降低煤炭在能源结构中的比重，将核电作为能源发展的主要方向之一。

目前核电技术正朝着大型化方向发展，核电设备关键部件均需要用到大型锻件，新一代核电中反应堆压力容器及蒸汽发生器封头锻件的板坯直径甚至超过7000mm，单个成品部件重量均在数十吨以上，属于超大型板块状构件，锻造难度非常大。其中核电蒸汽发生器封头是蒸汽发生器中承担压差最大的部件，起到密封和隔离一、二回路冷却剂的作用，也是一回路侧冷却剂流过管束前或后的汇集腔室，它包含了冷却剂入口管孔、冷却剂出口管孔和两个人孔。故蒸汽发生器封头是在半球冠状的封头主体上设有两个管孔座和两个人孔座；而要在如此大尺寸的球冠上一次性整体锻造成型出符合尺寸要求和位置要求的管孔座和人孔座更是难以实现，虽然如此封头产品向大型化和一体化方向发展是必然趋势。

但现有封头是将封头本体与人孔座和管孔座通过焊接的方法进行拼接制造的，尽管随着材料科学的发展，焊接材料的性能得到了很大的提高，焊接新工艺也层出不穷，但封头主体与人孔座和接管孔座之间通过焊接而拼接的结构总是不能形成完整的金属流线，由于核电蒸汽发生器长期处于高温高压的恶劣运行环境中，且承受交变荷载和管道涡流所形成的压力突变，极易引起应力分布不匀和应力集中，容易产生疲劳、蠕变和损坏。而且这样球冠体和管嘴分开焊接制造的方法，焊接工艺十分复杂、焊接周期长，复杂应力区质量稳定性差，直接造成成品率低，制造成本大幅上升。采用现有锻造方法又难以制造出如此大尺寸、大变形量及复杂曲面的整体板坯，更难以锻造出具有理想金属组织结构、金属流线完整的超大型锻件，而锻造出符合质量要求的封头板坯又是生产封头合格产品的关键所在。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种核电用压力容器一体化封头板坯，它不仅能实现封头板坯的整体锻造成型，而且锻件组织均匀密实、金属流线完整。本发明另一要解决的技术问题是提供一种锻造该一体化封头板坯的成型方法。

为了解决上述技术问题，本发明的核电用压力容器一体化封头板坯，包括板坯主体，所述板坯主体呈圆板状结构，在该板坯主体的一面整体锻造有两个人孔圆台和两个管孔圆台，板坯主体的另一面锻造有大锥角圆台面。

所述板坯主体(1)的大锥角圆台面上底直径φ1与板坯主体的外径φ与比：φ1/φ=1/（1.80—1.90）。

所述板坯主体上的大锥角圆台面的圆台锥角为170°-175°。

所述板坯主体上两个人孔圆台（3）的位置夹角为90°，两个管孔圆台（2）的位置夹角为105°。

所述人孔圆台与管孔圆台之间的位置夹角为82.5°。

本发明核电用压力容器一体化封头板坯的锻造成型方法，该一体化封头板坯的锻造型方法包括以下步骤：

⑴、钢锭加热：将钢锭在加热炉中加热至580℃—620℃，保温3小时，再以55℃/ h—60℃/ h的加热速度加热至830℃—870℃，保温4小时；再以78℃/ h—82℃/ h加热速度加热至1130℃—1170℃，保温4小时；再以78℃/ h—82℃/ h加热速度加热至1210℃—1240℃，保温1小时；

⑵、锻坯下料：将上述加热钢锭从炉中取出切剁头尾，冒口端切剁量为钢锭重量的12%—16%，尾端切剁量为钢锭重量的8%—10%，去除氧化层形成锻坯；

⑶、锻坯镦拔：将切剁头尾的锻坯镦粗，镦粗比为3.0—3.5；镦粗后再将锻坯拔长成圆柱状，拔长比为3.0—3.5；锻坯镦拔温度控制在800℃—1240℃范围内；

⑷、模锻成型：将拔长成圆柱状的锻坯放至带有四孔的展宽砧上镦粗成封头板坯，该封头板坯正面为大锥角圆台面，封头板坯反面锻有两个人孔圆台和两个管孔圆台；

⑸、板坯热处理：将封头板坯空冷至640℃—660℃，保温4—6小时；再空冷至300℃—400℃，保温4—6小时后；以45℃/ h— 50℃/ h的加热速度加热至640℃—660℃，保温50—60小时，炉冷至180℃时出炉至室温；

所述锻坯镦粗的每次镦粗压下率为24%—30%；锻坯拔长的每次拔长压下率为24%—30%。

本发明采用特定的镦拔锻造、热处理和整体成型等工艺方法，使得本发明具体如下显著优点：

本发明实现了核电用压力容器一体化封头板坯这种大型板块状实心构件的整体锻造成型，使得人孔圆台和两个管孔圆台与板坯主体之间形成了完整连续的金属流线，而且锻件的金属纤维组织与锻件外形能够最大限度地保持一致，这样就保证了封头成品力学性能的极大提高，更能承受蒸汽发生器的高温高压以及交变荷载和蒸汽涡流所形成的恶劣工况，有利于封头工作应力的均匀化和运行安全性的提高。

本发明采用特定的展宽砧，使得封头板坯在进一步的镦拔过程中形成了四个与封头人孔座和管孔座位置尺寸相对应的圆台体，既进一步细化了金属组织，又有利于人孔座和管孔座的准确成型，使得封头主体和人孔座、管孔座之间的金属流线顺畅连贯，且最大限度地与锻件外形相一致；封头板坯的正面在镦拔中形成了大锥角圆台面，这样在球冠冲压成型过程中，封头板坯的中部金属会在冲压时从中部流向周边部，从而保证金属流线的合理和半球坯件厚度的基本一致，利于后道的近终成型加工。

本发明采用整体锻拔工艺方法，使得锻件的纵向力学性能和横向力学性能均得到显著提高。由于蒸汽发生器封头属于大型板块状实心构件，钢锭在凝固过程中，不可避免地存在成分偏析、缩孔、疏松、夹杂甚至裂纹等缺陷，本发明通过对核电设备用钢的流变特性的研究，找出这类厚大锻件在不同温度下形变与再结晶的规律，合理确定本发明的锻拔、冲压及锻造比等工艺参数，并配合以热处理过程热处理工艺参数，保证了锻后材料组织和成分的均匀性。

本发明采用钢锭分区段加温保温规范，以及不同加工阶段的热处理规范，确保大体积、大断面锻件能够均匀热透，使锻件心部、表面各区域间加热温度一致，避免因断面温度差产生温度应力而导致锻件钢锭开裂。本发明的始锻和终锻温度及加热速度，使锻件能在较好的塑性状态下成型，既有效防止产生过热，又保证锻件再结晶充分。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

图1是本发明核电用压力容器一体化封头板坯结构示意图；

图2是图1所示封头板坯的A—A剖面结构示意图；

图3是图2所示封头板坯的B向结构示意图；

图4是本发明核电用压力容器一体化封头板坯锻造成型的工艺流程图；

图5是图4所示锻造成型方法中应用的展宽砧的结构示意图；

图6是图5所示展宽砧的A—A剖面视图。

图中： 1—板坯主体、2—管孔圆台、3—人孔圆台、4—展宽砧主体、5—人座模孔、6—管座模孔。

具体实施方式

图1、图2及图3示出了核电用压力容器一体化封头板坯结构示意图。封头板坯的板坯主体1呈圆板状结构，该圆板的外径φ=2600mm。在板坯主体1的一面整体锻造有两个人孔圆台3和两个管孔圆台2，人孔圆台3的外径为720mm,，人孔圆台3的高度为250mm，管孔圆台2的外径为430mm，管孔圆台2的高度为210mm。板坯主体1上两个人孔圆台3的位置夹角为90°，该位置夹角为通过两圆台中心线的板坯主体1两半径间的夹角。板坯主体1上两个管孔圆台2的位置夹角为105°，该位置夹角为通过两该圆台中心线的板坯主体1两半径间的夹角。相邻的人孔圆台与管孔圆台之间的位置夹角为82.5°，该位置夹角为通过人孔圆台和管孔圆台中心线的板坯主体1两半径间的夹角。板坯主体1的另一面锻造有大锥角圆台面，该圆台面所在的圆台锥顶角为172°，即该圆台面与圆台中心线所构成的倾角为86°，圆台面的上底直径φ1=1300mm。圆台面的上底直径φ1与板坯主体1的外径φ之比φ1/φ应控制在1/（1.80—1.90）之间，以便于冲压成球冠型，且能保留截取试样的余量。同样板坯主体1的外径φ应为成品封头球冠半径R的3倍，优选地φ=（2.8—3.2）R，板坯主体1上的人孔圆台和管孔圆台与成品封头的两个人孔座和两个管孔座相对应。

图3示出了本发明锻造方法的工艺步骤流程图（图中实线为锻件轮廓线，虚线为锻前锻件轮廓线），该工艺过程中钢锭的始锻温度为800℃，钢锭的终锻温度为1240℃，即在锻造过程中锻坯的温度低于800℃时，应将锻件重新加热，使锻件的锻造温度保持在800℃-1240℃范围内。

本发明锻造成型方法的实施例一：

在该工艺步骤中首先选用八棱柱状钢锭，钢锭材料为508—3钢，钢锭重量为38吨。首先对钢锭进行分段式加热，先将钢锭放入加热炉中进行加热，以提高金属塑性，使其易于流动成型并获得良好的锻后组织，选择恰当的加热温度区间，可使金属坯件在塑性较好的状态下成型；由于钢锭属于大型块状件，为减少由断面温度差产生的温度应力，应使钢锭均匀加热升温。本发明采用分段加热升温规范，首先将钢锭送至加热炉中加热至580℃，在此温度下保温3小时，第二加热段以55℃/h的加热速度加热至830℃，在此温度下保温4小时，第三加热段以78℃/h的加热速度加温至1130℃，由于钢锭温度大于800℃时，钢锭已具有一定的塑性，因此本加热段采用了相对较快的加热速度，第四段也以78℃/h的加热速度加温至1210℃，钢锭在此温度下保温1小时而形成锻造加热坯件。

锻件下料：将上述加热钢锭从加热炉中取出送至大型液压机，以剁刀为上砧对加热钢锭切剁头尾，以保证有用的中段材料质量，其钢锭冒口端的切剁量为钢锭坯件总重量的12%，尾端段的切剁量钢锭为坯件总重量的8%，对留下的钢锭中段用钢锤敲击以去除钢锭外周的氧化皮层而得到用于锻造的锻坯。

锻坯镦拔：将锻坯沿轴向压下镦粗，该镦粗采用大镦粗比，以使锻坯内部孔隙充分压合，铸态树枝晶打碎，镦粗的镦粗比为3.0，锻坯镦粗的每次镦粗压下率应控制在24%—30%范围内。在镦粗后进行拔长，在镦粗后进行拔长，其拔长的拔长比为3.0，每次拔长的压下率也应控制在24%—30%范围内，最终将锻坯拔长成近圆柱状。经过上述镦粗拔长可以保证锻件内部缩松、缩孔等孔隙缺陷闭合，得到较好的锻造组织。

模锻成型：将拔长成圆柱状的锻坯移至带有四孔的展宽砧上镦粗，展宽砧上的四孔位置与封头成品的两个人孔座圆台和两个管孔座圆台位置相对应，在展宽砧上经过镦粗而形成圆板状的封头板坯，该封头板坯正面应镦出具有大锥角的外凸圆台面；封头板坯反面的四个圆台则分别与封头成品件的人孔座和管孔相对应。封头板坯件的大锥角圆台面以便在下道冲压成型时，保证在冲压中板坯中部金属向周边均匀流动，使得半球冠状封头坯件的壁厚基本一致。镦粗拔长的锻造温度控制在800℃—1240℃之间，即锻造过程中锻坯温度降至800℃，需将锻坯重新加热，使锻坯温度始终保持在800℃—1240℃范围内。

板坯热处理：为了保证镦拔后的封头板坯内部组织均匀并消除镦拔过程中的内应力，在模锻成型后还需对封头板坯进行热处理。首先将上述锻得的封头板坯空冷至640℃，在加热炉中保温4小时，再冷却至300℃，仍送入加热炉中保温4小时后，以45℃/h的加热速度加热至640℃，在加热炉中保温40小时后随炉冷却至180℃出炉冷却至室温，而制得核电用压力容器一体化封头板坯。

本发明锻造成型方法的实施例二：

该实施方式中仍选用八棱柱状钢锭，钢锭材料仍为508—3钢，钢锭重量为50吨。首先对钢锭进行分段式加热，首先将钢锭送至加热炉中加热至620℃，在此温度下保温3小时，第二加热段以60℃/h的加热速度加热至870℃，在此温度下保温4小时，第三加热段以82℃/h的加热速度加温至1170℃，由于钢锭温度大于800℃时，钢锭已具有一定的塑性，因此本加热段采用了相对较快的加热速度，第四段也以78℃/h的加热速度加温至1240℃，钢锭在此温度下保温1小时而形成锻造加热坯件。

锻件下料：以剁刀为上砧对加热钢锭切剁头尾，其钢锭冒口端的切剁量为钢锭坯件总重量的16%，尾端段的切剁量钢锭为坯件总重量的10%，对留下的钢锭中段用钢锤敲击以去除钢锭外周的氧化皮层而得到用于锻造的锻坯。

锻坯镦拔：将锻坯沿轴向压下镦粗，其镦粗的镦粗比为3.5，锻坯镦粗的每次镦粗压下率应控制在24%—30%范围内。在镦粗后进行拔长，其拔长的拔长比为3.5，每次拔长的压下率也应控制在24%—30%范围内，最终将锻坯拔长成近圆柱状。

模锻成型：将拔长成圆柱状的锻坯移至带有四孔的展宽砧上镦粗，展宽砧上的四孔位置与封头成品的两个人孔座圆台和两个管孔座圆台位置相对应，在展宽砧上经过镦粗而形成圆板状的封头板坯，该封头板坯正面应镦出具有大锥角的外凸圆台面；封头板坯反面的四个圆台则分别与封头成品件的人孔座和管孔相对应。镦粗拔长的锻造温度仍控制在800℃—1240℃之间。

板坯热处理：首先将上述锻得的封头板坯空冷至660℃，在加热炉中保温6小时，再冷却至400℃，仍送入加热炉中保温6小时后，以50℃/h的加热速度加热至660℃，在加热炉中保温60小时后随炉冷却至180℃出炉冷却至室温，而制得核电用压力容器一体化封头板坯。

图5、图6示出了模锻成型工序中使用的展宽砧的结构示意图。该展宽砧的展宽砧主体4呈圆板状结构，在圆板结构的展宽砧主体4上设两个人座模孔5，两人座模孔5均为圆锥孔，其通过锥孔中心线的两圆板半径之间的夹角为90°。在展宽砧主体4上还设有两个管座模孔6，两管座模孔6也均为圆锥孔，通过该锥孔中心线的两圆板半径之间的夹角为105°。人座模孔5和管座模孔6的大端面底圆与展宽砧主体4的板面之间以圆弧面相过渡连接。人座模孔5和管座模孔6的孔径和位置分别与核电用压力容器一体化封头板坯上的人孔圆台和管孔圆台位置相对应。

Claims (7)

1.一种核电用压力容器一体化封头板坯，包括板坯主体（1），其特征在于：所述板坯主体（1）呈圆板状结构，在该板坯主体（1）的一面整体锻造有两个人孔圆台（3）和两个管孔圆台（2），板坯主体（1）的另一面锻造有大锥角圆台面。

2.根据权利要求1所述的核电用压力容器一体化封头板坯，其特征在于：所述板坯主体(1)的大锥角圆台面上底直径φ1与板坯主体（1）的外径φ与比：φ1/φ=1/（1.80—1.90）。

3.根据权利要求1或2所述的核电用压力容器一体化封头板坯，其特征在于：所述板坯主体(1)上的大锥角圆台面的圆台锥角为170°-175°。

4.根据权利要求1所述的核电用压力容器一体化封头板坯，其特征在于：所述板坯主体(1)上两个人孔圆台（3）的位置夹角为90°，两个管孔圆台（2）的位置夹角为105°。

5.根据权利要求1所述的核电用压力容器一体化封头板坯，其特征在于：所述人孔圆台（3）与管孔圆台（2）之间的位置夹角为82.5°。

6.一种锻造权利要求1所述的核电用压力容器一体化封头板坯的成型方法，其特征在于：该一体化封头板坯的锻造方法包括以下步骤：

钢锭加热：将钢锭在加热炉中加热至580℃—620℃，保温3小时，再以55℃/ h—60℃/ h的加热速度加热至830℃—870℃，保温4小时；再以78℃/ h—82℃/ h加热速度加热至1130℃—1170℃，保温4小时；再以78℃/ h—82℃/ h加热速度加热至1210℃—1240℃，保温1小时；

锻坯下料：将上述加热钢锭从炉中取出切剁头尾，冒口端切剁量为钢锭重量的12%—16%，尾端切剁量为钢锭重量的8%—10%，去除氧化层形成锻坯；

锻坯镦拔：将切剁头尾的锻坯镦粗，镦粗比为3.0—3.5；镦粗后再将锻坯拔长成圆柱状，拔长比为3.0—3.5；锻坯镦拔温度控制在800℃—1240℃范围内；

模锻成型：将拔长成圆柱状的锻坯放至带有四孔的展宽砧上镦粗成封头板坯，该封头板坯正面为大锥角圆台面，封头板坯反面的四个圆台分别与核电蒸汽发生器整体式封头的人孔座和管孔座位置相对应；

板坯热处理：将封头板坯空冷至640℃—660℃，保温4—6小时；再空冷至300℃—400℃，保温4—6小时后；以45℃/ h— 50℃/ h的加热速度加热至640℃—660℃，保温50—60小时，炉冷至180℃时出炉至室温。

7.根据权利要求6所述的锻造成型方法，其特征在于：所述锻坯镦粗的每次镦粗压下率为24%—30%；锻坯拔长的每次拔长压下率为24%—30%。