核反应堆蒸发器大锻件钢晶粒细化方法

摘要

一种核反应堆蒸发器大锻件钢晶粒细化方法，属于钢的热处理技术领域。首先在炼钢时，使用电炉冶炼+钢包炉外精炼，采用改进型的真空碳脱氧工艺或者硅镇静脱氧工艺，随后采用多炉合浇工艺真空浇注200～600吨的钢锭，冶炼过程中对钢的成分进行精确控制，铝元素质量分数为0.02～0.04％，氮元素质量分数为0.005～0.015％，采用改进型真空碳脱氧工艺时，硅元素质量分数＜0.1％，采用硅镇静脱氧工艺时，硅元素质量分数为0.1～0.3％；铸锭经过锻造成型后，采用两次正火的预备热处理工艺使得锻态组织均匀化，晶粒细化。优点在于，显著地细化用于制造核电反应堆蒸发器大锻件钢的晶粒，使晶粒度级别从5级提高到8.5级。

权利要求

1.一种核反应堆蒸发器大锻件钢晶粒细化方法，其特征在于：工艺步骤及控制的技术参数为：冶炼工艺

对冶炼原料，采用电弧炉冶炼 + 炉外精炼工艺处理，随后在真空脱氧处理过程中，采用真空碳脱氧工艺，在真空处理后加入铝处理，在冶炼过程中精确控制化学成分，铝元素质量分数控制为0.02～0.04%，氮元素质量分数控制为0.005～0.015%，硅元素质量分数控制为＜0.1%；

或者在真空脱氧处理过程中，采用硅镇静脱氧工艺，硅作为脱氧剂是在真空处理时加入，而铝是在真空处理后加入，在冶炼过程中精确控制化学成分，控制铝元素质量分数为

0.02～0.04%，氮元素质量分数控制为0.005～0.015%，硅元素质量分数为0.1～0.3%的钢水；同时冶炼多炉钢水，通过先进的多炉合浇工艺浇注成200～600吨的大型钢锭；对冶炼成功的钢锭进行相应的锻造加工处理；

热处理工艺

在大锻件钢锻造后，对大锻件进行正火预备热处理，其温度应控制在Ac3 + 80～130℃；

炉温加热至400℃时，以100～200℃/h加热至正火温度，保温3～5小时后，空冷至室温；

随后对大锻件进行第二次正火预备热处理，工艺与第一次正火工艺相同，其温度控制在Ac3 + 80～130℃，保温同样的时间后，空冷至室温；而后在635～650℃进行回火处理，保温

5～8小时，空冷至室温。

说明书

核反应堆蒸发器大锻件钢晶粒细化方法

技术领域

[0001] 本发明属于钢的热处理技术领域，特别是提供了一种核反应堆蒸发器大锻件钢晶粒细化方法，适用于SA508Gr.3Cl.2低合金钢的百万千瓦级核电反应堆蒸发器大锻件的晶粒细化，使得蒸发器大锻件钢的组织均匀，晶粒度从5级提高到了8.5级，平均晶粒尺寸＜20μm，最终获得良好的综合力学性能。

背景技术

[0002] 随着化石燃料为主的能源资源的日益枯竭，以及全球生态环境的不断恶化，核电又一次进入了快速发展期。近年来对核电站经济性和安全性的要求，反应堆输出功率不断提高，使得反应堆压力容器和蒸发器的大型化和一体化成为趋势，而福岛核电事故的发生，对核电站的安全性有了更高的要求。核电站中的反应堆压力容器和蒸汽发生器大锻件具有非常大的尺寸和截面厚度，为了应对可能的失效情况，这就要求大锻件钢具有良好的综合力学性能。反应堆压力容器锻件目前采用SA508Gr.3Cl.1钢制造，而反应堆蒸发器锻件采用高强度级别的SA508Gr.3Cl.2钢来制造。ASME规范对两种强度级别的SA508Gr.3钢的性能要求不同，SA508Gr.3Cl.2钢与SA508Gr.3Cl.1钢相比，韧性要求相差不多，但屈服强度由345MPa提高到450MPa。在工业生产中，反应堆压力容器锻件因强度级别相对较低，并不难生产。但高强度级别的蒸发器锻件，特别是对于壁厚较厚的大锻件来说，强度和冲击韧性难以同时达到规范要求。

[0003] 反应堆压力容器锻钢当前一般采用电弧炉冶炼+炉外精炼，在炼钢脱氧工艺中为了降低钢中的含氧量，常采用普通的铝、钡、钙、硅、锰的镇静脱氧工艺。在普通的镇静脱氧工艺中，铝和硅是优良的脱氧剂，易与氧反应生成Al2O3和SiO2造渣，在造渣的同时会有少量的Al2O3和SiO2滞留在钢中形成夹杂物，降低钢的性能。因此，近年来发展了真空碳脱氧(VCD)工艺。VCD工艺较之传统的镇静脱氧工艺来说，锻件能够获得更好的韧性。反应堆锻件钢热处理工艺一般有预备热处理、性能热处理和焊后消应热处理。在性能热处理前一般进行一次正火+回火预备热处理，为性能热处理提供组织准备。ASME规范中对SA508Gr.3Cl.2钢的晶粒度有严格要求，晶粒度大于5级。然而，对于大壁厚的蒸发器用的高强度大锻件，用普通的炼钢和热处理工艺处理后，晶粒度在5级左右，强度和冲击韧性难以达到ASME规范要求，更不用说提供更多的安全裕度值。因此，通过细化蒸发器大锻件钢的晶粒，成为保证先进大型核电站反应堆蒸发器大锻件满足性能要求的关键。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种核反应堆蒸发器大锻件钢晶粒细化方法，要解决的技术问题是使SA508Gr.3Cl.2低合金钢的百万千瓦级核电反应堆蒸发器锻件钢的晶粒细化，缓解因锻造偏析可能产生的混晶现象，以及解决大锻件生产中难以达到ASME规范规定的性能要求等问题。这种方法经过成分控制、特殊的炼钢工艺和恰当的热处理工艺，可以显著细化用于制造反应堆蒸发器大锻件钢的晶粒，获得晶粒尺寸＜20μm，晶粒度为8.5级的原奥氏体晶粒。从而可以提高反应堆蒸发器大锻件钢的使用性能，尤其是可以显著提高蒸发器锻件钢的冲击韧性，使锻件的最终机械性能达到相关技术规范的要求。

[0005] 本发明的技术方案：

[0006] 一种核反应堆蒸发器大锻件的晶粒细化方法，首先采用特殊的炼钢工艺，对蒸发器大锻件钢的化学成分进行控制，然后在铸锭锻造后对锻件进行两次预备热处理工艺进一步细化晶粒。详细步骤如下：

[0007] 冶炼工艺

[0008] 对冶炼原料，采用电弧炉冶炼+炉外精炼工艺处理，随后在真空脱氧处理过程中采用改进型的真空碳脱氧工艺，在真空处理后加入铝处理，在冶炼过程中精确控制化学成分，铝元素质量分数控制为0.02～0.04％，氮元素质量分数控制为0.005～0.015％，硅元素质量分数控制为＜0.1％；或者在真空脱氧处理过程中采用硅镇静脱氧工艺，硅作为脱氧剂是在真空处理时加入，而铝是在真空处理后加入，在冶炼过程中精确控制化学成分，控制铝元素质量分数为0.02～0.04％，氮元素质量分数控制为0.005～0.015％，硅元素质量分数为0.1～0.3％的钢水。同时冶炼多炉钢水，通过先进的多炉合浇(MP)工艺浇注成200～600吨的大型钢锭。对冶炼成功的钢锭进行相应的锻造加工处理。

[0009] 热处理工艺

[0010] 在大锻件钢锻造后，对大锻件进行正火预备热处理，其温度应控制在Ac3+80～130℃。在400℃装炉以100～200℃/h加热至正火温度，保温3～5小时后，空冷至室温。随后对大锻件进行第二次正火预备热处理，工艺与第一次正火工艺相同，其温度控制在Ac3+80～130℃，保温同样的时间后，空冷至室温。而后在635～650℃进行回火处理，保温
5～8小时，空冷至室温。

[0011] 本发明的物理冶金学分析：

[0012] 晶粒的细化主要通过促进奥氏体晶粒的形核和阻碍奥氏体晶粒的长大两种途径来实现。在奥氏体化过程中，可以通过晶界、相界以及析出的第二相颗粒来提供形核的位置。而晶粒长大是借助晶界迁移来实现的。晶界迁移能否进行，又受两种作用力的相互制约，一种是由于系统自由能降低而使晶界移动的驱动力增加，一种是弥散第二相颗粒阻碍晶界迁移的阻力(钉扎力)。

[0013] 铝是强氮化物形成元素，常被用作为细化晶粒而添加的合金元素，AlN的固态析出物，能够提供更多的奥氏体形核位置，并能够在奥氏体长大的过程中，钉扎晶界，阻碍奥氏体晶粒的长大。只有当AlN颗粒的体积百分数、尺寸和分布达到某种特定的状态时，才能有效地钉扎晶界。在蒸发器大锻件钢的正火热处理过程中，AlN颗粒能够很好地弥散析出，并且颗粒的尺寸细小，从而能够起到细化奥氏体晶粒的作用。

[0014] 两次正火预备热处理进一步细化晶粒尺寸，原理在于采用两次循环往复热处理化， 之间的多次相互转变，这个过程主要为铁素体/贝氏体组织在加热过程
中在原奥氏体晶界和贝氏体板条界处提供形核位置，形成新的晶粒，从而达到细化晶粒的效果。

[0015] 本发明的有益效果为：

[0016] 与现有技术方法相比，本发明通过特殊的炼钢技术控制钢中的化学成分，以及通过特殊的热处理工艺，达到显著细化核反应堆蒸汽发生器大锻件晶粒的效果，所获得的平均晶粒尺寸＜20μm，晶粒度达到8.5级。同时，晶粒的细化和组织的均匀化，使得大锻件钢获得了非常良好的综合力学性能，具有高的强度和良好的韧性，获得比ASME规范中的力学性能要求高出较多的安全裕度值。

附图说明

[0017] 图1对比例的大锻件钢的原奥氏体晶粒尺寸(200×)。

[0018] 图2本发明实施案例1的大锻件钢的原奥氏体晶粒尺寸(400×)。

[0019] 图3本发明实施案例2的大锻件钢的原奥氏体晶粒尺寸(400×)。

具体实施方式

[0020] 本发明核反应堆蒸发器大锻件的晶粒细化方法，首先采用特殊的冶炼工艺，对大锻件钢的成分进行精确控制，然后对锻造后的大锻件钢采用两次正火预备热处理工艺达到细化晶粒的效果，具体方法如下：

[0021] 冶炼工艺

[0022] 对冶炼原料，采用电弧炉冶炼+炉外精炼工艺处理，随后在真空脱氧处理过程中，采用改进型的真空碳脱氧工艺，在真空处理后加入铝处理，在冶炼过程中精确控制化学成分，铝元素质量分数控制为0.02～0.04％，氮元素质量分数控制为0.005～0.015％，硅元素质量分数控制为＜0.1％；或者在真空脱氧处理过程中，采用硅镇静脱氧工艺，硅作为脱氧剂是在真空处理时加入，而铝是在真空处理后加入，在冶炼过程中精确控制化学成分，控制铝元素质量分数为0.02～0.04％，氮元素质量分数控制为0.005～0.015％，硅元素质量分数为0.1～0.3％的钢水。同时冶炼多炉钢水，通过先进的多炉合浇(MP)工艺浇注成200～600吨的大型钢锭。对冶炼成功的钢锭进行相应的锻造加工处理。

[0023] 热处理工艺

[0024] 在大锻件钢锻造后，对大锻件进行正火预备热处理，其温度应控制在Ac3+80～130℃。在400℃装炉以100～200℃/h加热至正火温度，保温3～5小时后，空冷至室温。随后对大锻件进行第二次正火预备热处理，工艺与第一次正火工艺相同，其温度控制在Ac3+80～130℃，保温同样的时间后，空冷至室温。而后在635～650℃进行回火处理，保温
5～8小时，空冷至室温。

[0025] 共采用了2组实施例和1组对比例具体来说明本发明。

[0026] 对比例

[0027] 采用普通的硅镇静脱氧工艺冶炼的试验钢，炼钢时采用硅脱氧工艺，试验钢中未加入铝处理，因此铝含量很低，具体化学成分见表1。试验钢经1150℃锻造后，采用一次正火热处理工艺：在400℃装炉以150℃/h加热至900℃保温5小时后空冷至室温，随后进行650℃保温8小时。切取样品进行金相组织分析，金相组织和晶粒尺寸见图1。同一批次的试样进行调质处理和模拟焊后消应力热处理，加工成符合国家标准的拉伸和冲击试样做力学性能试验，试验结果见表4。

[0028] 实施案例1

[0029] 采用改进型的真空碳脱氧工艺冶炼试验钢，钢水在真空处理后浇注前加入铝处理，控制铝元素质量分数为0.02～0.04％，氮元素质量分数为0.005～0.015％，因为采用真空碳脱氧，因此硅元素的质量分数＜0.1％，具体化学成分见表2。试验钢经1150℃锻造开坯后，采用两次正火热处理工艺：在400℃装炉以150℃/h加热至900℃保温5小时后空冷至室温，随后进行640℃保温8小时，空冷至室温。切取样品进行金相组织分析，金相组织和晶粒尺寸见图2。同一批次的试样进行调质处理和模拟焊后消应力热处理，加工成符合国家标准的拉伸和冲击试样做力学性能试验，试验结果见表4。实验结果表明，本发明获得了细小的晶粒尺寸(＜20μm)，与此同时，获得了良好的综合力学性能，尤其是冲击韧性。本发明的热处理工艺的热处理炉，炉温控制精度为±3℃。

[0030] 实施案例2

[0031] 采用硅镇静脱氧冶炼试验钢。真空处理时，加入硅脱氧，钢水在真空处理后浇注前加入铝处理，控制铝元素质量分数为0.02～0.04％，氮元素的质量分数为0.005～0.015％，硅元素的质量分数为0.1～0.3％，具体化学成分见表3。试验钢经1150℃锻造开坯后，采用两次正火热处理工艺：在400℃装炉以150℃/h加热至900℃保温5小时后空冷至室温，随后进行640℃保温8小时，空冷至室温。切取样品进行金相组织分析，金相组织和晶粒尺寸见图3。同一批次的试样进行调质处理和模拟焊后消应力热处理，加工成符合国家标准的拉伸和冲击试样做力学性能试验，试验结果见表4。实验结果表明，本发明获得了细小的晶粒尺寸(＜20μm)，与此同时，获得了良好的综合力学性能，尤其是冲击韧性。本发明的热处理工艺的热处理炉，炉温控制精度为±3℃。

[0032] 表1* 对比例的化学成分(wt％)，余量为：Fe

[0033]元素 C Si Mn P S Cr
成分规范 ≤0.25 ≤0.4 1.2～1.5 ≤0.025 ≤0.025 ≤0.25
对比例 0.23 0.13 1.38 0.005 0.0079 0.21
元素 Ni Mo V N Al Fe
成分规范 0.4～1.0 0.45～0.6 ≤0.05 - ≤0.025 bal
对比例 0.78 0.57 0.0069 0.0088 0.0062 bal

[0034] *此成分的Ac3为815℃

[0035] 表2* 实施例1的化学成分(wt％)，余量为：Fe

[0036]元素 C Si Mn P S Cr
成分规范 ≤0.25 ≤0.4 1.2～1.5 ≤0.025 ≤0.025 ≤0.25
实施例1 0.24 0.019 1.47 0.005 0.005 0.21
元素 Ni Mo V N Al Fe
成分规范 0.4～1.0 0.45～0.6 ≤0.05 - ≤0.025 bal
实施例1 0.79 0.50 0.0058 0.0089 0.024 bal

[0037] *此成分的Ac3为805℃

[0038] 表3* 实施例2的化学成分(wt％)，余量为：Fe

[0039]元素 C Si Mn P S Cr
成分规范 ≤0.25 ≤0.4 1.2～1.5 ≤0.025 ≤0.025 ≤0.25
实施例2 0.22 0.23 1.48 0.006 0.004 0.16
元素 Ni Mo V N Al Fe
成分规范 0.4～1.0 0.45～0.6 ≤0.05 - ≤0.025 bal
实施例2 0.81 0.51 0.0055 0.0093 0.026 bal

[0040] *此成分的Ac3为810℃

[0041] 表4 力学性能试验结果

[0042]