DE2607141C2 - Verfahren zur Verbesserung der Beständigkeit eines langgestreckten Gegenstandes aus einer Zirkonlegierung - Google Patents

Description

wicklung hoher Strahlungsfelder in der Nähe der Steuerstabmechanismen, wo sich die Flocken ansammeln, und die Anwesenheit der dicken Oxidschichten verringert die Wärmeübertragungswirksamkeit und kann zu einer lokalen Überhitzung des Brennstoff-Decküberzuges führen.

Die zur Lösung dieses besonderen Problems unternommenen Anstrengungen waren bisher nicht erfolgreich, obwohl das allgemeine Gebiet der Korrosion ι olcher Legierungen seit langem intensiv bearbeitet wird. So ist in der US-PS 30 05 706 sin Zusatz von 0,03 bis 1 % Beryllium zu Zirkonlegierungen vorgeschlagen, die in üblichen Boilern, Siedewasserreaktoren und ähnlichen Vorrichtungen eingesetzt werden sollen, um deren Korrosionsbeständigkeit gegenüber heißem Wasser zu verstärken. Ähnlich sind in den US-PS 32 61 682 und 31 50 982 Cer und/oder Yttrium und Kalzium in gleichen Anteilen für den gleichen Zweck als Zusätze zu Zirkonlegierungen vorgeschlagen worden. Berichte über die Langzeitergebnisse solcher Zusammensetzungsänderungen sind jedoch spärlich, und die kommerziellen Zirkonlegierungen enthalten diese Zusätze nicht.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verbesserung der Beständigkeit eines langgestreckten Gegenstandes aus einer Zirkonlegierung gegenüber der beschleunigten Pustelkorrosion unter den Betriebsbedingungen des Siedewasserreaktors zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, .daß man

a) die aufeinanderfolgenden Teilbereiche des Gegenstandes jeweils während einer Zeit von 3 bis 30 Sekunden axial durch eine Zone mit einer Temperatur im Bereich von 825 bis 1100⁰C und

b) sie durch eine kurz danach folgende Abschreckzone führt, in der die Temperatur der Teilbereiche mit einer Geschwindigkeit von 150 bis 400°C pro Sekunde vermindert wird.

Durch die vorliegende Erfindung wird eine Ausdehnung der Gebrauchsdauer von Strukturkomponenten von Siedewasserreaktoren um 100% oder mehr erreicht Diese Verbesserung wird durch die Wiederverteilung der teilchenförmigen Phase innerhalb eines Kanales oder eines anderen Strukturbestandteiles erreicht.

Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß man die Temperatur der aufeinanderfolgenden Teilbereiche des Gegenstandes innerhalb der Induktionsspule mißt und in Abhängigkeit davon die Energiezufuhr der Induktionsspule so regelt, daß jeder Teilbereich die Temperatur im Bereich von 825 bis HOO⁰C erreicht, während er durch den Raum zwischen der Induktionsspule und der Abschreckzone bewegt wird.

Zweckmäßig erfolgt das Abschrecken dadurch, daß in der Abschreckzone Wasser mit einer Leitungstemperatur oberhalb von 80⁰C in Strömen gegen die äußere ringförmige Oberfläche der aufeinanderfolgenden Teilbereiche gerichtet wird.

Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Legierung des Gegenstandes Zircaloy-4 und wird Wasser in Form belüfteter Sprühstrahlen verwendet.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß die aufeinanderfolgenden Teilbereiche des Gegenstandes durch die Induktionsspule auf eine Temperatur im Bereich von 860 bis 930⁰C erhitzt und daß die aufeinanderfolgenden Teilbereiche nacheinander auf etwa 700⁰C abgekühlt werden und dann mit einer Geschwindigkeit von 20 bis 400⁰C pro Sekunde auf etwa 500⁰C abgekühlt werden.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert Im einzelnen zeigt

F i g. 1 eine fragmentarische perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei der Gegenstand während des Betriebes der Heiz- und Kühlstation an Ort und Stelle gezeigt ist,

Fig.2 eine ähnliche Ansicht wie nach Fig. 1, in der die Zonen steigender Temperatur in dem Teil des Gegenstandes zwischen der Heiz- und Kühlstation veranschaulicht sind,

F i g. 3 einen Verdrahtungsplan der Vorrichtung nach F i g. 1 und
F i g. 4 ein Diagramm, dessen Kurven die thermische Geschichte jedes zweier Teile eines Gegenstandes zeigen, welches durch die Heizstationen hindurchläuft.

Die abgebildete Vorrichtung schließt einen geeigneten, in der Zeichnung nicht dargestellten Rahmen ein, um die koaxial angeordneten und im vertikalen Abstand zueinander befindlichen Heiz- und Abschreckzonen 10 und 11 sowie eine vertikale Hebeeinrichtung, wie einen nicht-dargestellten Kran zum Absenken eines Kanales 12 axial durch die Zonen 10 und 11 mit einer ausgewählt festgelegten oder variablen Geschwindigkeit, abzustützen. Es kann weiter eine ebenfalls nicht dargestellte geeignete Führungseinrichtung vorgesehen sein, um den Kanal 12 in enger Beziehung mit radialem Abstand zur elektrischen Induktionsspule 14, die die Heizzone 10 bildet, und der Sprühdüsenanordnung 16 unterhalb der Spule 14, welche die Abschreckzone 12 bildet, zu halten. Ein 200 kW-Motor-Generator 17 dient als elektrische Energiequelle (3 kHz) für die Spule 14, und der Energieeingang zur Spule wird automatisch so gesteuert, daß die Maximaltemperaturzone des Kanals 12 bei einer ausgewählten Temperaturhöhe und an dem gewünschten Ort entlang dem Kanalverlauf gehalten wird. Zu diesem Zweck verbindet, wie in F i g. 3 gezeigt, eine Abstimmungs- und Impedanzanpassungseinheit 20 die Spule 14 mit dem Ausgang des Generators 17, und der Generator wird durch Signale gesteuert, die von der Wechselstromquelle 21 über den Brückenschaltkrei« 23 auf das Generatorfeld angewendet werden, wenn der Abgriff 24 betätigt und durch den Servomotor 25 in eine bestimmte Lage gebracht wird. Die Pyrometermeßeinheit 27 ist so angeordnet, daß sie Strahlung anzeigt, die von einem Teil des Kanales 12 innerhalb der Spule 14 kommt. Das Pyrometer ist mit einer elektronischen Einheit 30 verbunden, die ihrerseits mit einer kontinuierlichen Ausgleichseinheit 32 und dem Potentiometer 33 verbunden ist.

Die Sprühdüsen 35 der Abschreckzone 11 sind in Vierer-Gruppen um die vier Seiten des Kanales nerum angeordnet, um Sprühwasser gegen die äußere Oberfläche des Kanales um seine Peripherie herum abzugeben, so daß das Abschrecken mehr oder weniger gleichförmig in jedem aufeinanderfolgenden Teilstück der Kanallänge bewerkstelligt wird. Die Düsen 35 sind mit einer geeigneten, in der Zeichnung aber nicht dargestellten Wasserquelle unter geeignetem Druck bei etwa Zimmertemperatur und ebenfalls nicht-dargestellten Ventilen versehen, die die Wasserströmung zu den Düsen durch die mit der Quelle verbindenden Leitungen regulieren. Wasser mit erhöhter Temperatur von etwa 80⁰C

kann mit Vorteil angewendet werden, wenn eine mittlere Abschreckgeschwindigkeit erwünscht ist.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Beispiels näher erläutert.

Beispiel

gleiche Wärmebehandlung und das gleiche Gefüge in beiden Teilen und durch die ganze Länge des Kanaies 12.

Das untere Ende der maximalen Temperaturzone befindet sich benachbart der Kühlzone 11, wie in den F i g. 1 und 2 gezeigt, so daß das belüftete Wasser, das aus der Batterie von Düsen 35 ausgestoßen wird, die äußere Kanaloberfläche an einem Punkt trifft, wo nahezu die Maximaltemperatur des Kanaies erreicht ist. Die

Geschwindigkeit, mit der die Kanaltemperatur verringert wird, kann durch Verändern der Luft/Wasser-Mischung der Sprühdüsen eingestellt werden, und es kann auch unbelüftetes Wasser verwendet werden.

Die Nachbearbeitungsstufen, die eine Dimensionierung, ein Sandstrahlen und ein Trimmen der Kanalendstücke einschließen, werden ausgeführt, nachdem der Kanal 12 aus der Wärmebehandlungsvorrichtung herausgenommen worden ist. Danach werden konventio-

Ein etwa 4,3 m langer Kanal allgemein quadratischen
Querschnittes (213 cm²) (entsprechend 14,6 cm Seitenlänge) mit abgerundeten Ecken wurde aus Zirkaloy-4 io einzelnen Sprühstrahlen überlappen sich, so daß das ASTM B352 Grad RA2 aus etwa 2,5 mm dickem Aus- Abschrecken mit vernünftiger Gleichmäßigkeit um die gangsmaterial zu zwei zusammenpassenden Ab- Peripherie des Kanaies herum und durch die Kanalschnitten geformt, die entlang ihrer Kanten über die wand hindurch stattfindet und die Kanaltemperatur inganze Länge des Kanaies zusammengeschweißt v/ur- nerha'.b von ! bis 2 Sekunder, auf 700⁰C und ir. weiteren den. Dieser Kanal, der in der Zeichnung die Bezugsziffer 15 sechs Sekunden auf unter 500⁰C verringert wird. Die 12 trägt, wurde an seinem oberen Ende an mit einem
Motor betriebenen Lift befestigt, und mit dessen Hilfe
wurde er längs mit einer Geschwindigkeit von etwa
12 mm/sek. durch die Heiz- und Kühlzonen 10 und 11
abgesenkt. Die Energiezufuhr zu der Spule 14 wurde 20
beim Eintreten des Kanaies 12 in die Spule manuell
gesteuert, und die automatische Steuerung wurde in
dem Moment eingerichtet, in dem das Pyrometer 27
Strahlung von dem Kanal von etwa dem Mittelpunkt

der Spule feststellte. Mit Hilfe des Potentiometers 33, 25 neue Steuerstabführungsköpfe, die nicht dargestellt das in vorbestimmter Weise eingestellt war, um sicher- sind, an dem Kanal befestigt, der dann geladene Brennzustellen, daß der Kanal eine Temperatur von 900 bis Stoffstäbe und Abstandsgitter aufnehmen kann, bevor 920° C erreichte, wenn er den Raum zwischen den Zo- man ihn in einem Siedewasser-Kernreaktor installiert,
nen 10 und 11 passierte, wurde das durch das Pyrometer An Stelle der Regulierung der Energiezufuhr zur Spu-

erzeugte Signal durch die Ausgleichseinheit 32 ange- 30 Ie 14 oder zusätzlich dazu kann das erfindungsgemäße paßt mit dem Ergebnis, daß der Servomotor 25 mit Verfahren aber auch in einer Weise ausgeführt werden, Energie versehen wurde, um den Wechselstornabgriff bei der die Bewegungsgeschwindigkeit des Kanales 12 24zu bewegen und die Energie durch den Brücken- reguliert wird. Dies kann in Übereinstimmung mit Sistromkreis 23 zum Generatorfeld zu erhöhen oder zu gnalen vom Pyrometer oder einer anderen Temperaturverringern. Erhöhungen oder Verringerungen der Ge- 35 Meßeinrichtung zur Überwachung der Temperatur des nerator-Energieabgabe zur Spule werden auf diese Kanaies automatisch ausgeführt werden, wenn der Ka-Weise automatisch als Konsequenz der vorweggenom- nai einen Zwischenpunkt innerhalb der Spule 14 pasmenen Neigung der Heizgeschwindigkeitskurve vorge- siert. Wenn daher das Erhitzen mit der durch die Kurve nommen, während sich der in Frage kommende Kanal- B in F i g. 3 angegebenen Geschwindigkeit erfolgt, dann teil noch innerhalb der Spule 14 befindet Die automat!- 40 würde der die Absenkgeschwindigkeit des Kanaies konsche Steuerungseinheit wirkt auf diese Weise kontinu- trollierende Motor automatisch verlangsamt werden, ierlich, während der Kanal von einem zum anderen En- um ein längeres Erhitzen bis zur gewünschten Maximalde zonenweise wärmebehandelt wird, wie in F i g. 4 an- temperatur zu gestatten.

gedeutet, in der die Kurven A und B die thermische

Geschichte von zwei verschiedenen Längsteilen des Kanaies 12 wiedergeben. Der Kanalteil A wurde nach dem Zeitplan der Kurve A erhitzt während er sich durch die Spule 14 bewegte und er erreichte das Zwischenniveau am Punkt des halben Weges in der Spule, auf den das Pyrometer 27 gerichtet ist um /^-Strahlung für der. oben beschriebenen Zweck zu empfangen. Da das Erhitzen in diesem Falle bei einer Geschwindigkeit erfolgt, die für diesen Teil des Kanaies erforderlich ist um das ausgewählte Maximum von etwa 920° C zu erreichen, nachdem der Kanal die Spule 14 verläßt, wird keine Veränderung bei der Energieaufnahme der Spule vorgenommen. Im Falle des Kanalteiles B jedoch erfolgt das Aufheizen bei einer geringeren Geschwindigkeit so daß beim Erreichen des Mittelpunktes in der Spule die Infrarotstrahlung geringer ist als für das automatische Steuerungssystem erforderlich, und die Ausgleichseinheit 32 betätigt daher den Servomotor 25, der über den Abgriff 24 und den Stromkreis 23 die Energieaufnahme der Spule 14 vom Generator 17 erhöht Die Änderung in der Neigung der Kurve B resultiert aus der höheren Energie in der Spule, und der Kanalteil B erreicht daher die erwünschte Maximaltemperatur am gleichen Punkt außerhalb der Spule 14 wie der Teil A und sichert so die

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

1 2 aufrechterhalten werden, da nach der genannten PS Patentansprüche: ausschließlich magnetische Materialien erhitzt werden. Diese Regulierung der Energiezuführung erfolgt unter

1. Verfahren zur Verbesserung der Beständigkeit Verwendung eines Abschirmungsringes um die Heizeines langgestreckten Gegenstandes aus einer Zir- 5 spule herum, wobei dieser Ring aus einem stark-leitenkonlegierung gegenüber der beschleunigten Pustel- den Material, vorzugsweise Kupfer, hergestellt ist Mit korrosion unter den Betriebsbedingungen eines Sie- dem Erhitzen nach der US-PS 24 61 283 soll ein Oberflädewasserreaktors durch Zonenwärmebehandeln chenliärten des stabförmigen Gegenstandes erreicht mittels einer elektrischen Induktionsspule und an- werden.

schließendes Abschrecken, dadurch gekenn- 10 In der DE-PS 38 364 ist ein Verfahren zur Leistungszeichnet, daß man steuerung an Induktions-Erwärmungsanlagen beschrie

ben, mit dem die erforderliche Leistung schon dann rich-

a) die aufeinanderfolgenden Teilbereiche des Ge- tig eingestellt werden soll, wenn das Erwärmungsgut genstandes jeweils während einer Zeit von 3 bis noch im Wirkungsbereich des Induktors liegt Als An-30 Sekunden axial durch eine Zone mit einer 15 Wendungsgebiete sind induktive Schmiedeerwärmungs-Temperatur im Bereich von 825 bis 1100° C und einrichtungen oder induktive Nachwärmstrecken in

b) sie durch eine kurz danach folgende Abschreck- kontinuierlichen Feineisen- und Drahtstraßen genannt zone führt, in der die Temperatur der Teilberei- In dem Buch ^Induktionserwärmung« von Günter ehe mit einer Geschwindigkeit von 150 bis Benkowsky, 2. Auflage, VEB Verlag Technik Berlin ist 400° C pro Sekunde vermindert wird. 20 auf den Seiten 199 und 200 das bekannte Zonenschmelz-

verfahren von Pfann beschrieben.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- In der US-PS 28 94 866 ist ein Verfahren zum Herstelzeichnet, daß man die Temperatur der aufeinander- len von Werkstücken aus Zirkoniumlegierung beschriefolgenden Teilbereiche des Gegenstandes innerhalb ben, die eine geringe Menge eines die «-Phase stabilisieder Induktionsspule mißt und in Abhängigkeit davon 25 renden Zusatzes einhält, wie Zircaloy-2, bei dem bei die Energiezufuhr der Induktionsspule so regelt, daß einer Teirpertemperatur außerhalb des «-plus-/?-Bereijeder Teilbereich die Temperatur im Bereich von ches eine Querschnittsreduktion stattfindet, dann das 825 bis 1100° C erreicht, während er durch den Raum Werkstück auf eine Temperatur im /^-Bereich erhitzt zwischen der Induktionsspule und der Abschreckzo- und für mindestens 30 min. in diesem Bereich gehalten r.e bewegt wird. 30 wird, woraufhin man das Werkstück abschreckt, seinen

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge- Querschnitt um mindestens 20% vermindert, während kennzeichnet, daß in der Abschreckzone Wasser mit seine Temperatur unterhalb etwa 500° C gehalten wird, einer Leitungstemperatur oberhalb von 8O⁰C in das Werkstück dann für mindestens 15 min. bei einer Strömen gegen die äußere ringförmige Oberfläche Temperatur im oberen Teil des «-Bereiches wärmebeder aufeinanderfolgenden Teilbereiche gerichtet 35 handelt und danach abgeschreckt wird. Mit diesem Verwirf fahren soll ein hoher Grad der Isotropie hinsichtlich der

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mechanischen Eigenschaften erzielt werden,
dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung des Ge- In der US-PS 23 29 188 ist eine Vorrichtung zum aufgenstandes Zircaloy-4 ist und daß Wasser in Form einanderfolgenden Erhitzen und Abschrecken zum Härbelüfteter Sprühstrahlen verwendet wird. 40 ten eines metallischen Gegenstandes beschrieben, bei

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dem ein Heiz- und ein Abschreckteil vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet daß die aufeinanderfolgen- wobei der Abstand zwischen diesen beiden Teilen variden Teilbereiche des Gegenstandes durch die Induk- iert werden kann. Das Abschrecken erfolgt mittels einer tionsspule auf eine Temperatur im Bereich von 860 auf die erhitzte Oberfläche des Gegenstandes gesprühbis 930° C erhitzt und ₄₅ ten Kühlflüssigkeit.

daß die aufeinanderfolgenden Teilbereiche nachein- Wesentliche Anforderungen an Materialien, die für

ander auf etwa 700°C abgekühlt werden und die Konstruktion von Siedewasser-Kernreaktoren ver-

dann mit einer Geschwindigkeit von 20 bis 400⁰C wendet werden, schließen eine geringe Absorption von pro Sekunde auf etwa 500° C abgekühlt werden. thermischen Neutronen, Beständigkeit gegenüber Kor

so rosion und Belastungskorrosion sowie mechanische Fe-

stigkeit ein. Legierungen auf Zirkonbasis erfüllen diese

Anforderungen in zufriedenstellender Weise, so daß sie für solche Zwecke in weitem Rahmen eingesetzt wer-

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur den. Zwei der beduetenden kommerziellen Legierun-Verbesserung der Beständigkeit eines langgestreckten 55 gen, die üblicherweise einen derartigen Einsatz finden, Gegenstandes aus einer Zirkonlegierung gegenüber der sind »Zircaloy-2«, die etwa 1,5% Zink, 0,15% Eisen, beschleunigten Pustelkorrosion unter den Betriebsbe- 0,1 % Chrom, 0,05% Nickel und 0,1 % Sauerstoff enthält, dingungen eines Siedewasserreaktors durch Zonenwär- sowie »Zircaloy-4«, die im wesentlichen kein Nickel, damebehandeln mittels einer elektrischen Induktionsspule für aber 0,2% Eisen enthält und ansonsten ähnlich Zir- und anschließendes Abschrecken. ₆o kaIoy-2 ist. Diese beiden Legierungen erfüllen jedoch

In der US-PS 24 61 283 ist ein Verfahren zum Zonen- nicht entfernt alles, was man sich von einem solchen wärmebehandeln eines langgestreckten Gegenstandes Material wünschen würde, insbesondere nicht im Hinbeschrieben, bei dem der Gegenstand nacheinander blick auf die beschleunigte Pustelkorrosion, die unter durch Heiz- und Kühlzonen geführt wird. Es soll dabei den normalen Betriebsbedingungen des Siedewasserreauf einfache, zuverlässige und wirksame Weise eine im 65 aktors auftritt und zum Abspalten von dicken Oxidwesentlichen gleichmäßige Leistungszuführung und schichten von den Kanälen und zum Verdicken der Heizgeschwindigkeit während der gesamten Heizope- Oxidschichten auf den Brennstoffstäben führt. Das Abration auf Temperaturen oberhalb des Curie-Punktes spalten der Oxidflocken führt in einigen Fällen zur Ent-