CN113953421B - 一种核电管道用316ln锻圆钢及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种核电管道用316LN锻圆钢及其制备方法，属于金属材料加工技术领域。本发明提供的核电管道用316LN锻圆钢的制备方法包括：将待处理316LN钢锭依次进行分段式加热、锻造和固溶处理，得到核电管道用316LN锻圆钢。本发明通过采用锻前分段加热方式以及控制锻造时的锻造参数，最后通过固溶强化机制，能够使制备得到的核电管道用316LN锻圆钢具有优良的力学性能和耐腐蚀性能，同时晶粒细小，非金属夹杂少，且制备方法简单易行，成本低。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料加工技术领域，尤其涉及一种核电管道用316LN锻圆钢及其制备方法。
背景技术
AP1000技术是我国引进美国的第三代核电技术，其AP1000主管道是核岛内七大关键设备之一，被称为核电站的“主动脉”。主要功能是输送含有放射性物质的压力水和保持压力边界的完整性，防止放射性物质外泄，要求在高温、高压的工况下运行60年。AP1000技术是目前国内外运用最为成熟的核电技术，但随着对核安全性的进一步提高，P1000技术未考虑防止核扩散的要求、经济性不够理想的缺点逐步显现。
全球钠冷块堆是***核能***国际论坛(GIF)公布的6种***先进反应堆中研发进展最快、最接近满足商业核电厂需要的堆型，目前商用钠冷块堆的设计寿命为35～40年，钠冷块堆的大部分堆内部件均为不可替换部件，对其服役寿命有着严格的要求。核电主管道用钢是核反应堆内构件至关重要的关键材料，要求在输送含有放射性物质的压力水的条件下具有较强的耐腐蚀性能，是提升材料服役寿命的关键指标，也是近年来行业内研究开发的重要课题。对新型核电主管道材料的研究，国内只有少数国营大企业取得了一定的技术成果和研发经验，但并未形成批量化生产。
目前，国内钠冷块堆用奥氏体不锈钢包括304、321和316材料。其中316合金材料的部件用量最大，主要依靠进口材料生产。为了进一步提升奥氏体不锈钢材料的力学性能和耐腐蚀性能，近年来国内外均在研究改良型316LN或316H材料。但是，改良型材料主要依靠添加多种强化型合金化元素，而其合金元素越多，变形抗力越大，导致材料塑性差，组织难以发生相变，因而不能通过热处理改善内部组织；而且，核电管道用锻圆钢为大型锻件，每件锻件重量高达1t左右，尺寸较大，因此，在锻造塑性变形过程中也难以压实锻透，从而导致组织内外不均匀，心部发生变形并使其晶粒细化以及消除内部组织缺陷。
因此，亟须提供一种核电管道用316LN锻圆钢的制备方法，使制备的核电管道用S316LN锻圆钢满足国内核电管道用钢的使用要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种核电管道用316LN锻圆钢及其制备方法，本发明提供的制备方法制备的核电管道用316LN锻圆钢不仅在室温下具有较高的强度、硬度、韧性和塑性，而且还具有良好的耐腐蚀性能。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种核电管道用316LN锻圆钢的制备方法，包括：
将待处理316LN钢锭依次进行分段式加热、锻造和固溶处理，得到核电管道用316LN锻圆钢；
所述分段式加热包括预热段、加热段和均热段；
所述锻造包括依次进行的强压和压方；所述强压在砧板上进行；所述强压的总变形量为70％以上；所述强压时每次压下变形量为5～8％。
优选地，所述预热段的保温温度为500～550℃，预热段的保温时间为3～5h。
优选地，所述加热段的保温温度为700～900℃，加热段的保温时间为6～10h。
优选地，所述均热段的保温温度为1150～1250℃，均热段的保温时间为4～8h。
优选地，所述强压时的每次压下的搭接量为砧板宽度的10～20％。
优选地，所述强压的压下次数为8～14次。
优选地，所述强压时的初始砧宽比≥0.5。
优选地，所述固溶处理的温度为950～1150℃，固溶处理的时间为8～12h。
优选地，所述固溶处理的冷却方式为水冷至室温。
本发明还提供了上述技术方案所述的制备方法制备得到的核电管道用316LN锻圆钢。
本发明提供了一种核电管道用316LN锻圆钢的制备方法，包括：将待处理316LN钢锭依次进行分段式加热、锻造和固溶处理，得到核电管道用316LN锻圆钢；所述分段式加热包括预热段、加热段和均热段；所述锻造包括依次进行的强压和压方；所述强压在砧板上进行；所述强压的总变形量为70％以上；所述强压时每次压下变形量为5～8％。本发明通过首先对待处理316LN钢锭进行分段式加热处理，可以减少钢锭中的元素偏析，消除铸造应力，并且降低其抵抗锻造变形的应力，从而避免在后续锻造时发生裂纹扩展而引起开裂问题，有效细化晶粒，均匀组织；在锻造阶段可以有效使钢锭中的缩松、缩孔和微裂纹等闭合，使钢锭的组织更加致密，晶粒更加细化；同时通过控制锻造总变形量和每次压下的变形量，更有利于锻透、锻实，使含夹杂物的粗大晶粒不断破碎，并钉扎在晶界处阻碍晶粒生长，从而有效提高核电管道用316LN锻圆钢的力学性能，并降低夹杂物的夹杂等级；最后通过固溶处理，消除变形应力，并使变形组织发生再结晶，进一步细化晶粒尺寸，得到晶粒度更高的组织，同时使锻造时的析出相能够充分溶解至基体相中，利用固溶强化机制有效提高核电管道用316LN锻圆钢的力学性能和耐腐蚀性。
实施例的结果表明，本发明提供的制备方法制备的核电管道用316LN锻圆钢在室温下的抗拉强度为522MPa，屈服强度为235MPa，断后伸长率为45％，断面收缩率为80％，平均冲击吸收功KV2为63J，硬度为168HBW。低倍组织级别：一般疏松级别为1.0，中心疏松级别为1.0，锭型偏析级别为1.0；非金属夹杂物级别：脆性夹杂物级别为2.0，塑性夹杂物级别为1.5，级别总和为3.5；奥氏体晶粒度级别为4级。按ASTMA262-10方法E，试样在硫酸-硫酸铜-铜屑溶液中进行15h沸腾试验，经弯曲后检验，无晶间腐蚀裂纹。按GB/T 6402《钢锻件超声检测方法》标准进行超声波检验，未发现内在缺陷，且表面光滑平整，轻微打磨，没有目视可见的裂纹、结疤、折叠及夹杂等缺陷。
此外，试制结果表明，本发明制备方法制备的核电管道用316LN经试制共3火次完成，比常规锻造减少1～2火次，缩短锻造时间20～40％，重量减少5％～10％，生产效率提高30％。可见，本发明提供的制备方法工艺简单，安全可控，成本低，可实现规模化生产。
具体实施方式
本发明提供了一种核电管道用316LN锻圆钢的制备方法，包括：将待处理316LN钢锭依次进行分段式加热、锻造和固溶处理，得到核电管道用316LN锻圆钢；所述分段式加热包括预热段、加热段和均热段；所述锻造包括依次进行的强压和压方；所述强压在砧板上进行；所述强压的总变形量为70％以上；所述强压时每次压下变形量为5～8％。
本发明将待处理316LN钢锭进行分段式加热，得到锻前热处理316LN钢锭。
本发明对所述待处理316LN钢锭的成分没有特殊要求，采用本领域熟知的市售316LN钢即可。
在本发明中，所述待处理316LN钢锭在进行分段式加热前优选还包括依次进行的精炼和打磨。本发明对所述的精炼没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的精炼不锈钢的方法即可。本发明对所述的打磨没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的打磨方式使铸锭表面的裂纹、结疤、翻皮等缺陷消除，保证钢锭表面具有较好的表面质量即可。
在本发明中，所述分段式加热包括预热段、加热段和均热段。
在本发明中，所述分段式中的预热段的保温温度优选为500～550℃，更优选为520～530℃；所述预热段的保温时间优选为3～5h，更优选为3.5～4.5h，最优选为4h。本发明通过预热段并将其保温温度和保温时间控制在上述范围内，可以使钢锭首先在低温区域进行预热，减少钢锭内外的温度应力，不使燃气轮机用待处理大型钢锭外部和内部温度应力过大而产生裂纹。
在本发明中，升温至所述预热段的升温速率优选为80～110℃/h，更优选为90℃/h。本发明通过控制升温至所述预热段的升温速率在上述范围内，可以避免燃气轮机用待处理大型钢锭表面长时间受热而心部受热时间短导致表面脱碳、氧化等问题，保证钢锭受热更均匀。
在本发明中，所述分段式中的加热段的保温温度优选为700～900℃，更优选为750～850℃，最优选为800℃；所述加热段的保温时间优选为6～10h，更优选为7～9h，最优选为8h。发明通过加热段并将其保温温度和保温时间控制在上述范围内，可以使钢锭在中温区均匀热透，内外温度趋于一致，热应力最小，同时，在达到所述加热段的保温温度并热透后，钢锭进入塑性区，为最终均热段做好准备。
在本发明中，由所述预热段升温至所述加热段的升温速率优选为80～100℃/h，更优选为90℃/h。
在本发明中，所述分段式中的均热段的保温温度优选为1150～1250℃，更优选为1200℃；所述均热段的保温时间优选为4～8h，更优选为5～7h，最优选为6h。在本发明中，由所述加热段升温至所述均热段的升温速率优选为80～110℃/h，更优选为90℃/h。本发明通过控制均热段的保温温度、保温时间和升温速率在上述范围内，以更大的升温速率快速加热均热段温度，此时钢锭表面温度不再升高，而心部温度逐渐上升，在上述保温时间内可以使钢锭内、外部温度达到一致，从而使燃气轮机待锻造大型钢锭组织内、外部均处于塑性区，经锻造时可以承受更大的塑性变形量，使心部也得以变形并使晶粒细化，组织更加致密，有效提高核电管道用锻圆钢的力学性能和耐晶间腐蚀性。
得到锻前热处理316LN钢锭后，本发明将所述锻前热处理316LN钢锭进行锻造处理，得到316LN锻件。
在本发明中，所述锻造的始锻温度优选为所述分段式加热的均热段保温温度。
在本发明中，所述锻造的终锻温度优选为850～950℃，更优选为900℃。
在本发明中，所述锻造包括依次进行的强压和压方。本发明在锻造阶段的塑性变形主要在强压阶段完成，在压方阶段主要是为后续锻造成型做好尺寸准备。
在本发明中，所述强压在砧板上进行。本发明通过在砧板上进行强压采用的是WHF锻造法，更有利于核电管道用大型锻件在锻造过程中锻透、锻实，有效细化晶粒，提高锻件的力学性能。
在本发明中，所述强压的总变形量为70％以上，优选为70～90％，更优选为75～85％，最优选为80％。本发明通过将强压的总变形量控制在上述范围内，更有利于钢锭在锻造中获得较大的变形量，晶粒更加细化。
在本发明中，所述强压时的每次压下的搭接量优选为砧板宽度的10～20％，更优选为12～18％，最优选为15～16％。本发明通过强压时的每次进给的搭接量在上述范围内，可以较少的压下次数条件下获得更大的每次压下量，提高锻造效率，同时也更有利于锻透、锻实。
在本发明中，所述强压时每次压下变形量为5～8％，优选为6～7％。在本发明中，所述强压的压下次数优选为8～14次，更优选为10～12次。本发明通过控制强压时每次压下量和压下次数在上述范围内，可以使锻造开坯的变形更加充分，使钢锭心部也能够获得较大的变形量，晶粒更加细化。
在本发明中，所述强压时优选在每次压下后将钢锭翻转90°再进行下一次压下。本发明通过在强压时的每次压下后进行90°的翻转，可以使变形钢锭更充分压实锻透。
在本发明中，所述强压时的初始砧宽比优选为≥0.5，更优选为0.6～0.9。本发明通过控制砧板的起始砧宽比在上述范围内，更有利于大型锻件充分变形。
本发明对所述锻造时的压方操作没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的压方操作使经过强压的钢件压制成所需形状及尺寸即可。
在本发明中，所述锻造完成后还优选包括模具成形；所述模具成形优选在模具中摔圆成形；所述模具优选包括上弧形砧和下弧形砧。本发明通过在模具中经过摔圆成形并选择上弧形砧和下弧形砧组成的模具，更有利于变形钢件形成截面为规整圆形的锻圆材料。
在本发明中，所述模具成形的温度优选为850～1000℃，更优选为900～950℃。本发明通过在上述温度下进行最终的模具成形，可以更大程度地降低变形抗力，使锻圆易得到平整光滑的表面，同时保证锻件能够保持细小的晶粒尺寸，防止晶粒再次长大。
得到316LN锻件后，本发明将所述的316LN锻件进行固溶处理，得到核电管道用316LN锻圆钢。
在本发明中，所述固溶处理的温度优选为950～1150℃，更优选为1000～1100℃，最优选为1050℃；所述固溶处理的时间优选为8～12h，更优选为9～11h，最优选为10h。本发明通过控制固溶处理的温度和时间在上述范围内，可以有效消除锻造过程的变形应力，稳定锻件尺寸，同时使变形锻件中的析出相在固溶处理时充分溶于基体相中，利用固溶强化有效提高锻件的力学性能和耐腐蚀性。
在本发明中，所述固溶处理的升温速率优选为80～110℃/h，更优选为90℃/h。
在本发明中，所述固溶处理的冷却方式优选为水冷至室温。本发明通过采用水冷至室温的冷却方式可以使固溶处理后的组织中的第二相不及时析出，保持稳定的固溶体组织，更有利于提高锻圆材料的力学性能和耐腐蚀性。
本发明提供的制备方法制备的核电管道用316LN锻圆钢具有良好的力学性能和耐腐蚀性，能够适应核电工况下的严苛条件，而且工艺简单，安全可控，成本低，可实现规模化生产。
本发明还提供了上述技术方案所述的制备方法制备得到的核电管道用316LN锻圆钢。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种核电管道用316LN锻圆钢的制备方法，由以下步骤组成：将待处理316LN钢锭依次进行分段式加热、锻造、模具成形和固溶处理，得到核电管道用316LN锻圆钢。
首先，将待处理316LN钢锭进行精炼并打磨去除表面缺陷，然后进行分段式加热，得到锻前热处理316LN钢锭。分段式加热为预热段、加热段和均热段，具体为：将待处理316LN钢锭在室温下装进天然气加热炉中，以90℃/h的升温速率升温至550℃的预热段保温温度，并在预热段温度下保温4h，随后再以90℃/h的升温速率升温至850℃的加热段的保温温度，并在加热段温度下保温8h，最后再以90℃/h的升温速率升温至1220℃的均热段保温温度，并在均热段温度下保温6h。
其次，将上述锻前热处理316LN钢锭进行锻造(锻造具体参数也可见表1)，得到316LN锻件。锻造的始锻温度为直接在均热段的保温温度下进行，即1220℃，且锻造为依次进行的强压和压方；强压在砧板上进行，初始砧宽比为0.5；强压时的每次压下的搭接量为砧板宽度的10％，每次压下的变形量为7％，在每次压下后将钢锭翻转90°再进行下一次压下，压下次数为10次；强压的总变形量为80％；随后压方，再在900℃的温度下进行模具成形，即在由上弧形砧和下弧形砧组成的模具中经摔圆成形。
最后，将上述316LN锻件进行固溶处理，得到核电管道用316LN锻圆钢。固溶处理温度为1050℃，保温时间为10h，保温结束后水冷至室温，得到核电管道用316LN锻圆钢。
实施例2
将实施例1中的锻造时的强压中的起始砧宽比替换为0.53，且锻造时的强压具体参数参见表2，其余技术特征与实施例1相同。
实施例3
将实施例1中的锻造时的强压中的起始砧宽比替换为0.62，且锻造时的强压具体参数参见表3，其余技术特征与实施例1相同。
实施例4
将实施例1中的锻造时的强压中的起始砧宽比替换为0.55，且锻造时的强压具体参数参见表4，其余技术特征与实施例1相同。
实施例5
将实施例1中的锻造时的强压中的起始砧宽比替换为0.67，且锻造时的强压具体参数参见表5，其余技术特征与实施例1相同。
表1实施例1锻造时的强压具体参数
表2实施例2锻造时的强压具体参数
表3实施例3锻造时的强压具体参数
表4实施例4锻造时的强压具体参数
表5实施例5锻造时的强压具体参数
性能检测
依据GB/T 228.1标准中金属材料拉伸试验第一部分的室温试验方法，并采用微机控制电液伺服万能试验机试验设备测试实施例1制备得到的锻圆材料的室温力学性能，测试结果为：室温下的抗拉强度为522MPa，屈服强度为235MPa，断后伸长率为45％，断面收缩率为80％。
依据GB/T 229标准中金属材料夏比摆锤冲击试验方法，并采用摆锤式冲击试验机试验设备测试实施例1制备得到的锻圆材料的冲击吸收功，测试结果为：平均冲击吸收功KV2为63J。
依据GB/T 231.1标准中金属材料布氏硬度试验第一部分的硬度试验方法，并采用数显布氏硬度机测试实施例1制备得到的锻圆材料的布氏硬度，测试结果为：硬度为168HBW。
依据GB/T 6394标准中金属平均晶粒度测定法测试实施例1制备得到的锻圆材料的晶粒度，测试结果为：奥氏体晶粒度级别为4级。
依据GB/T 10561标准中的钢中非金属夹杂物含量的测定-标准评级图显微检验法，并采用金相显微镜测定实施例1制备得到的锻圆材料的非金属夹杂物等级，测试结果为：一般疏松级别为1.0，中心疏松级别为1.0，锭型偏析级别为1.0；非金属夹杂物级别：脆性夹杂物级别为2.0，塑性夹杂物级别为1.5，级别总和为3.5。
按GB/T 6402《钢锻件超声检测方法》标准进行超声波检验，未发现内在缺陷，且表面光滑平整，轻微打磨，没有目视可见的裂纹、结疤、折叠及夹杂等缺陷。
按ASTMA262-10方法E，试样在硫酸-硫酸铜-铜屑溶液中进行15h沸腾试验，经弯曲后检验，无晶间腐蚀裂纹。
此外，实施例1～5制备的核电管道用316LN锻圆钢经浙江大隆特材有限公司生产结果表明，本发明制备方法制备的核电管道用316LN经试制共3火次完成，比常规锻造减少1～2火次，缩短锻造时间20～40％，降低生产成本10％以上，生产效率提高30％。可见，本发明提供的制备方法工艺简单，安全可控，成本低，可实现规模化生产。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种核电管道用316LN锻圆钢的制备方法，包括：
将待处理316LN钢锭依次进行分段式加热、锻造和固溶处理，得到核电管道用316LN锻圆钢；
所述分段式加热包括预热段、加热段和均热段；所述预热段的保温温度为500～550℃，预热段的保温时间为3～5h；所述加热段的保温温度为700～900℃，加热段的保温时间为6～10h；所述均热段的保温温度为1150～1250℃，均热段的保温时间为4～8h；
所述锻造包括依次进行的强压和压方；所述强压在砧板上进行；所述强压的总变形量为70％以上；所述强压时每次压下变形量为5～8％；
所述固溶处理的温度为950～1150℃，固溶处理的时间为8～12h。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述强压时的每次压下的搭接量为砧板宽度的10～20％。
3.如权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述强压的压下次数为8～14次。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述强压时的初始砧宽比≥0.5。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述固溶处理的冷却方式为水冷至室温。
6.一种如权利要求1～5任一项所述的制备方法制备得到的核电管道用316LN锻圆钢。
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