專利名稱：核反應(yīng)堆蒸發(fā)器大鍛件鋼晶粒細(xì)化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于鋼的熱處理技術(shù)領(lǐng)域，特別是提供了一種核反應(yīng)堆蒸發(fā)器大鍛件鋼晶粒細(xì)化方法，適用于SA508Gr. 3C1. 2低合金鋼的百萬千瓦級核電反應(yīng)堆蒸發(fā)器大鍛件的晶粒細(xì)化，使得蒸發(fā)器大鍛件鋼的組織均勻，晶粒度從5級提高到了 8. 5級，平均晶粒尺寸 < 20 μ m，最終獲得良好的綜合力學(xué)性能。
背景技術(shù)：
隨著化石燃料為主的能源資源的日益枯竭，以及全球生態(tài)環(huán)境的不斷惡化，核電又一次進(jìn)入了快速發(fā)展期。近年來對核電站經(jīng)濟(jì)性和安全性的要求，反應(yīng)堆輸出功率不斷提高，使得反應(yīng)堆壓力容器和蒸發(fā)器的大型化和一體化成為趨勢，而福島核電事故的發(fā)生， 對核電站的安全性有了更高的要求。核電站中的反應(yīng)堆壓力容器和蒸汽發(fā)生器大鍛件具有非常大的尺寸和截面厚度，為了應(yīng)對可能的失效情況，這就要求大鍛件鋼具有良好的綜合力學(xué)性能。反應(yīng)堆壓力容器鍛件目前采用SA508Gr. 3C1. 1鋼制造，而反應(yīng)堆蒸發(fā)器鍛件采用高強(qiáng)度級別的SA508Gr. 3C1. 2鋼來制造。ASME規(guī)范對兩種強(qiáng)度級別的SA508Gr. 3鋼的性能要求不同，SA508Gr. 3C1. 2鋼與SA508Gr. 3C1. 1鋼相比，韌性要求相差不多，但屈服強(qiáng)度由345MPa提高到450MPa。在工業(yè)生產(chǎn)中，反應(yīng)堆壓力容器鍛件因強(qiáng)度級別相對較低，并不難生產(chǎn)。但高強(qiáng)度級別的蒸發(fā)器鍛件，特別是對于壁厚較厚的大鍛件來說，強(qiáng)度和沖擊韌性難以同時達(dá)到規(guī)范要求。反應(yīng)堆壓力容器鍛鋼當(dāng)前一般采用電弧爐冶煉+爐外精煉，在煉鋼脫氧工藝中為了降低鋼中的含氧量，常采用普通的鋁、鋇、鈣、硅、錳的鎮(zhèn)靜脫氧工藝。在普通的鎮(zhèn)靜脫氧工藝中，鋁和硅是優(yōu)良的脫氧劑，易與氧反應(yīng)生成Al2O3和S^2造渣，在造渣的同時會有少量的AI2O3和S^2滯留在鋼中形成夾雜物，降低鋼的性能。因此，近年來發(fā)展了真空碳脫氧(VCD)工藝。VCD工藝較之傳統(tǒng)的鎮(zhèn)靜脫氧工藝來說，鍛件能夠獲得更好的韌性。反應(yīng)堆鍛件鋼熱處理工藝一般有預(yù)備熱處理、性能熱處理和焊后消應(yīng)熱處理。在性能熱處理前一般進(jìn)行一次正火+回火預(yù)備熱處理，為性能熱處理提供組織準(zhǔn)備。ASME規(guī)范中對 SA508Gr. 3C1. 2鋼的晶粒度有嚴(yán)格要求，晶粒度大于5級。然而，對于大壁厚的蒸發(fā)器用的高強(qiáng)度大鍛件，用普通的煉鋼和熱處理工藝處理后，晶粒度在5級左右，強(qiáng)度和沖擊韌性難以達(dá)到ASME規(guī)范要求，更不用說提供更多的安全裕度值。因此，通過細(xì)化蒸發(fā)器大鍛件鋼的晶粒，成為保證先進(jìn)大型核電站反應(yīng)堆蒸發(fā)器大鍛件滿足性能要求的關(guān)鍵。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種核反應(yīng)堆蒸發(fā)器大鍛件鋼晶粒細(xì)化方法，要解決的技術(shù)問題是使SA508Gr. 3C1. 2低合金鋼的百萬千瓦級核電反應(yīng)堆蒸發(fā)器鍛件鋼的晶粒細(xì)化， 緩解因鍛造偏析可能產(chǎn)生的混晶現(xiàn)象，以及解決大鍛件生產(chǎn)中難以達(dá)到ASME規(guī)范規(guī)定的性能要求等問題。這種方法經(jīng)過成分控制、特殊的煉鋼工藝和恰當(dāng)?shù)臒崽幚砉に嚕梢燥@著細(xì)化用于制造反應(yīng)堆蒸發(fā)器大鍛件鋼的晶粒，獲得晶粒尺寸< 20 μ m，晶粒度為8. 5級的原奧氏體晶粒。從而可以提高反應(yīng)堆蒸發(fā)器大鍛件鋼的使用性能，尤其是可以顯著提高蒸發(fā)器鍛件鋼的沖擊韌性，使鍛件的最終機(jī)械性能達(dá)到相關(guān)技術(shù)規(guī)范的要求。本發(fā)明的技術(shù)方案一種核反應(yīng)堆蒸發(fā)器大鍛件的晶粒細(xì)化方法，首先采用特殊的煉鋼工藝，對蒸發(fā)器大鍛件鋼的化學(xué)成分進(jìn)行控制，然后在鑄錠鍛造后對鍛件進(jìn)行兩次預(yù)備熱處理工藝進(jìn)一步細(xì)化晶粒。詳細(xì)步驟如下冶煉工藝對冶煉原料，采用電弧爐冶煉+爐外精煉工藝處理，隨后在真空脫氧處理過程中采用改進(jìn)型的真空碳脫氧工藝，在真空處理后加入鋁處理，在冶煉過程中精確控制化學(xué)成分，鋁元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制為0. 02 0. 04%，氮元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制為0. 005 0. 015%，硅元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制為< 0. ；或者在真空脫氧處理過程中采用硅鎮(zhèn)靜脫氧工藝，硅作為脫氧劑是在真空處理時加入，而鋁是在真空處理后加入，在冶煉過程中精確控制化學(xué)成分，控制鋁元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 02 0. 04%，氮元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制為0. 005 0. 015%，硅元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 1 0. 3%的鋼水。同時冶煉多爐鋼水，通過先進(jìn)的多爐合澆(MP)工藝澆注成 200 600噸的大型鋼錠。對冶煉成功的鋼錠進(jìn)行相應(yīng)的鍛造加工處理。熱處理工藝在大鍛件鋼鍛造后，對大鍛件進(jìn)行正火預(yù)備熱處理，其溫度應(yīng)控制在Ac3+80 130°c。在400°c裝爐以100 200°c /h加熱至正火溫度，保溫3 5小時后，空冷至室溫。隨后對大鍛件進(jìn)行第二次正火預(yù)備熱處理，工藝與第一次正火工藝相同，其溫度控制在 ac3+80 130°c，保溫同樣的時間后，空冷至室溫。而后在635 650°c進(jìn)行回火處理，保溫 5 8小時，空冷至室溫。本發(fā)明的物理冶金學(xué)分析晶粒的細(xì)化主要通過促進(jìn)奧氏體晶粒的形核和阻礙奧氏體晶粒的長大兩種途徑來實(shí)現(xiàn)。在奧氏體化過程中，可以通過晶界、相界以及析出的第二相顆粒來提供形核的位置。而晶粒長大是借助晶界遷移來實(shí)現(xiàn)的。晶界遷移能否進(jìn)行，又受兩種作用力的相互制約，一種是由于系統(tǒng)自由能降低而使晶界移動的驅(qū)動力增加，一種是彌散第二相顆粒阻礙晶界遷移的阻力(釘扎力)。鋁是強(qiáng)氮化物形成元素，常被用作為細(xì)化晶粒而添加的合金元素，aln的固態(tài)析出物，能夠提供更多的奧氏體形核位置，并能夠在奧氏體長大的過程中，釘扎晶界，阻礙奧氏體晶粒的長大。只有當(dāng)AlN顆粒的體積百分?jǐn)?shù)、尺寸和分布達(dá)到某種特定的狀態(tài)時，才能有效地釘扎晶界。在蒸發(fā)器大鍛件鋼的正火熱處理過程中，AlN顆粒能夠很好地彌散析出，并且顆粒的尺寸細(xì)小，從而能夠起到細(xì)化奧氏體晶粒的作用。兩次正火預(yù)備熱處理進(jìn)一步細(xì)化晶粒尺寸，原理在于采用兩次循環(huán)往復(fù)熱處理化，通過鐵素體/貝氏體e奧氏體(a / BeY )之間的多次相互轉(zhuǎn)變，鐵素體/貝氏體e奧氏體在母相中多次反復(fù)形核來細(xì)化晶粒。這個過程主要為鐵素體/貝氏體組織在加熱過程中在原奧氏體晶界和貝氏體板條界處提供形核位置，形成新的晶粒，從而達(dá)到細(xì)化晶粒的效果。本發(fā)明的有益效果為與現(xiàn)有技術(shù)方法相比，本發(fā)明通過特殊的煉鋼技術(shù)控制鋼中的化學(xué)成分，以及通過特殊的熱處理工藝，達(dá)到顯著細(xì)化核反應(yīng)堆蒸汽發(fā)生器大鍛件晶粒的效果，所獲得的平均晶粒尺寸< 20 μ m,晶粒度達(dá)到8. 5級。同時，晶粒的細(xì)化和組織的均勻化，使得大鍛件鋼獲得了非常良好的綜合力學(xué)性能，具有高的強(qiáng)度和良好的韌性，獲得比ASME規(guī)范中的力學(xué)性能要求高出較多的安全裕度值。


圖1對比例的大鍛件鋼的原奧氏體晶粒尺寸Q00X)。圖2本發(fā)明實(shí)施案例1的大鍛件鋼的原奧氏體晶粒尺寸G00X)。圖3本發(fā)明實(shí)施案例2的大鍛件鋼的原奧氏體晶粒尺寸G00X)。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明核反應(yīng)堆蒸發(fā)器大鍛件的晶粒細(xì)化方法，首先采用特殊的冶煉工藝，對大鍛件鋼的成分進(jìn)行精確控制，然后對鍛造后的大鍛件鋼采用兩次正火預(yù)備熱處理工藝達(dá)到細(xì)化晶粒的效果，具體方法如下冶煉工藝對冶煉原料，采用電弧爐冶煉+爐外精煉工藝處理，隨后在真空脫氧處理過程中， 采用改進(jìn)型的真空碳脫氧工藝，在真空處理后加入鋁處理，在冶煉過程中精確控制化學(xué)成分，鋁元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制為0. 02 0. 04%，氮元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制為0. 005 0. 015%，硅元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制為< 0. 1% ；或者在真空脫氧處理過程中，采用硅鎮(zhèn)靜脫氧工藝，硅作為脫氧劑是在真空處理時加入，而鋁是在真空處理后加入，在冶煉過程中精確控制化學(xué)成分，控制鋁元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 02 0. 04%，氮元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制為0. 005 0. 015%，硅元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 1 0. 3%的鋼水。同時冶煉多爐鋼水，通過先進(jìn)的多爐合澆(MP)工藝澆注成 200 600噸的大型鋼錠。對冶煉成功的鋼錠進(jìn)行相應(yīng)的鍛造加工處理。熱處理工藝在大鍛件鋼鍛造后，對大鍛件進(jìn)行正火預(yù)備熱處理，其溫度應(yīng)控制在Ac3+80 130°C。在400°C裝爐以100 200°C /h加熱至正火溫度，保溫3 5小時后，空冷至室溫。隨后對大鍛件進(jìn)行第二次正火預(yù)備熱處理，工藝與第一次正火工藝相同，其溫度控制在 Ac3+80 130°C，保溫同樣的時間后，空冷至室溫。而后在635 650°C進(jìn)行回火處理，保溫 5 8小時，空冷至室溫。共采用了 2組實(shí)施例和1組對比例具體來說明本發(fā)明。對比例采用普通的硅鎮(zhèn)靜脫氧工藝冶煉的試驗鋼，煉鋼時采用硅脫氧工藝，試驗鋼中未加入鋁處理，因此鋁含量很低，具體化學(xué)成分見表1。試驗鋼經(jīng)1150°C鍛造后，采用一次正火熱處理工藝在400°C裝爐以150°C /h加熱至900°C保溫5小時后空冷至室溫，隨后進(jìn)行 650°C保溫8小時。切取樣品進(jìn)行金相組織分析，金相組織和晶粒尺寸見圖1。同一批次的試樣進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理和模擬焊后消應(yīng)力熱處理，加工成符合國家標(biāo)準(zhǔn)的拉伸和沖擊試樣做力學(xué)性能試驗，試驗結(jié)果見表4。實(shí)施案例1采用改進(jìn)型的真空碳脫氧工藝冶煉試驗鋼，鋼水在真空處理后澆注前加入鋁處理，控制鋁元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 02 0. 04%，氮元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 005 0. 015%，因為采用真空碳脫氧，因此硅元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)< 0. 1%，具體化學(xué)成分見表2。試驗鋼經(jīng)1150°C鍛造開坯后，采用兩次正火熱處理工藝在400°C裝爐以150°C /h加熱至900°C保溫5小時后空冷至室溫，隨后進(jìn)行640°C保溫8小時，空冷至室溫。切取樣品進(jìn)行金相組織分析，金相組織和晶粒尺寸見圖2。同一批次的試樣進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理和模擬焊后消應(yīng)力熱處理，加工成符合國家標(biāo)準(zhǔn)的拉伸和沖擊試樣做力學(xué)性能試驗，試驗結(jié)果見表4。實(shí)驗結(jié)果表明，本發(fā)明獲得了細(xì)小的晶粒尺寸(<20 μ m)，與此同時，獲得了良好的綜合力學(xué)性能，尤其是沖擊韌性。本發(fā)明的熱處理工藝的熱處理爐，爐溫控制精度為士3°C。實(shí)施案例2采用硅鎮(zhèn)靜脫氧冶煉試驗鋼。真空處理時，加入硅脫氧，鋼水在真空處理后澆注前加入鋁處理，控制鋁元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 02 0. 04%，氮元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 005 0.015%，硅元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 1 0.3%，具體化學(xué)成分見表3。試驗鋼經(jīng)1150°C鍛造開坯后，采用兩次正火熱處理工藝在400°C裝爐以150°C /h加熱至900°C保溫5小時后空冷至室溫，隨后進(jìn)行640°C保溫8小時，空冷至室溫。切取樣品進(jìn)行金相組織分析，金相組織和晶粒尺寸見圖3。同一批次的試樣進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理和模擬焊后消應(yīng)力熱處理，加工成符合國家標(biāo)準(zhǔn)的拉伸和沖擊試樣做力學(xué)性能試驗，試驗結(jié)果見表4。實(shí)驗結(jié)果表明，本發(fā)明獲得了細(xì)小的晶粒尺寸(<20 μ m)，與此同時，獲得了良好的綜合力學(xué)性能，尤其是沖擊韌性。本發(fā)明的熱處理工藝的熱處理爐，爐溫控制精度為士3°C。表1*對比例的化學(xué)成分)，余量為Fe
元素CSiMnPSCr成分規(guī)范sS 0. 25彡0. 41. 2 1. 5sS 0. 025sS 0. 025sS 0. 25對比例0. 230. 131. 380. 0050. 00790. 21元素NiMoVNAlFe成分規(guī)范0. 4 1. 00. 45 0. 6sS 0. 05sS 0. 025bal對比例0. 780. 570. 00690. 00880.0062bal
* 此成分的 Ac3*815°C
表2*實(shí)施例1的化學(xué)成分)，余量為Fe
元素CSiMnPSCr成分規(guī)范sS 0. 25彡0. 41. 2 1. 5sS 0. 025sS 0. 025sS 0. 25實(shí)施例10. 240. 0191. 470. 0050. 0050. 2權(quán)利要求
1. 一種核反應(yīng)堆蒸發(fā)器大鍛件鋼晶粒細(xì)化方法，其特征在于工藝步驟及控制的技術(shù)參數(shù)為冶煉工藝對冶煉原料，采用電弧爐冶煉+爐外精煉工藝處理，隨后在真空脫氧處理過程中，采用改進(jìn)型的真空碳脫氧工藝，在真空處理后加入鋁處理，在冶煉過程中精確控制化學(xué)成分，鋁元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制為0. 02 0. 04%，氮元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制為0. 005 0. 015%，硅元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制為<0.1% ；或者在真空脫氧處理過程中，采用硅鎮(zhèn)靜脫氧工藝，硅作為脫氧劑是在真空處理時加入，而鋁是在真空處理后加入，在冶煉過程中精確控制化學(xué)成分，控制鋁元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0. 02 0. 04%，氮元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制為0. 005 0. 015 %，硅元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 1 0. 3 % 的鋼水；同時冶煉多爐鋼水，通過先進(jìn)的多爐合澆工藝澆注成200 600噸的大型鋼錠；對冶煉成功的鋼錠進(jìn)行相應(yīng)的鍛造加工處理； 熱處理工藝在大鍛件鋼鍛造后，對大鍛件進(jìn)行正火預(yù)備熱處理，其溫度應(yīng)控制在Ac3+80 130°C ； 爐溫加熱至400°C時，以100 200°C /h加熱至正火溫度，保溫3 5小時后，空冷至室溫；隨后對大鍛件進(jìn)行第二次正火預(yù)備熱處理，工藝與第一次正火工藝相同，其溫度控制在 Ac3+80 130°C，保溫同樣的時間后，空冷至室溫；而后在635 650°C進(jìn)行回火處理，保溫 5 8小時，空冷至室溫。
全文摘要
一種核反應(yīng)堆蒸發(fā)器大鍛件鋼晶粒細(xì)化方法，屬于鋼的熱處理技術(shù)領(lǐng)域。首先在煉鋼時，使用電爐冶煉+鋼包爐外精煉，采用改進(jìn)型的真空碳脫氧工藝或者硅鎮(zhèn)靜脫氧工藝，隨后采用多爐合澆工藝真空澆注200～600噸的鋼錠，冶煉過程中對鋼的成分進(jìn)行精確控制，鋁元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02～0.04％，氮元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.005～0.015％，采用改進(jìn)型真空碳脫氧工藝時，硅元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)＜0.1％，采用硅鎮(zhèn)靜脫氧工藝時，硅元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1～0.3％；鑄錠經(jīng)過鍛造成型后，采用兩次正火的預(yù)備熱處理工藝使得鍛態(tài)組織均勻化，晶粒細(xì)化。優(yōu)點(diǎn)在于，顯著地細(xì)化用于制造核電反應(yīng)堆蒸發(fā)器大鍛件鋼的晶粒，使晶粒度級別從5級提高到8.5級。
文檔編號C21D1/28GK102234706SQ20111022450
公開日2011年11月9日 申請日期2011年8月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月5日
發(fā)明者何西扣, 劉正東, 干勇, 楊鋼, 林肇杰 申請人:鋼鐵研究總院