核電壓力容器用SA-508-3-1鋼的冶煉

薛永棟 晉帥勇 汪 勇 郭 彪

>(中信重工機械股份有限公司核電加氫研究所，河南471003)

中信重工積極拓展核電大型鍛件生產領域，開展核電壓力容器鍛件用SA-508-3-1鋼的生產工藝研究，生產的模擬件符合核島鍛件要求，并取得了國家核安全局頒發(fā)的核電壓力容器核島主設備鍛件制造許可證。

1 SA-508-3-1鍛件用鋼技術條件要求

1.1 化學成分要求

核電壓力容器用SA-508-3-1鋼的化學成分要求見表1。

1.2 力學性能要求

調質及模擬焊后熱處理狀態(tài)的主要力學性能應滿足表2規(guī)定。

1.3 晶粒度及非金屬夾雜物評級

鍛件實際晶粒度要求評定結果為5級或更細。

非金屬夾雜物評級要求見表3。

其中A為硫化物類型，B為氧化鋁類型，C為硅酸鹽類型，D為球狀氧化物類型。

2 冶煉技術難點

2.1 有害元素控制

核電壓力容器SA-508-3-1鍛件用鋼要求嚴格控制鋼中產生輻照脆性的P、S、Cu、Sn、As、Sb等元素[1]，以及經輻照后產生放射性同位素的Co元素。由于這些有害元素在冶煉過程中大部分無法去除，因此須從冶煉原材料環(huán)節(jié)降低有害元素含量，采用一般的廢鋼鐵料難以滿足要求。

表1 SA-508-3-1的化學成分(質量分數，%)Table 1 Chemical composition of SA-508-3-1 steel (mass fraction,%)

表2 SA-508-3-1鍛件力學性能要求Table 2 Mechanical properties requirements of SA-508-3-1 steel forging

表3 非金屬夾雜物評級要求Table 3 Classification requirements of non-metallic inclusion

2.2 保證較好的力學性能

核電壓力容器用鋼力學性能要求嚴格，尤其是參考無塑性轉變溫度(RTNDT)要求在-20℃以下，即要求在低溫下有良好的韌性。合理控制鋼中[N]/[Al]細化晶粒，可明顯提高低溫沖擊韌性[2]，但是極為活潑的Al在煉鋼溫度下極易氧化，冶煉控制[N]/[Al]比較困難。

2.3 保證鋼的潔凈度

核電壓力容器用鋼嚴格的檢測要求、極低的非金屬夾雜物評級和高指標的力學性能對鋼的潔凈度提出了極高要求。

3 冶煉工藝過程及控制措施

3.1 工藝路線

綜合考慮核電壓力容器用鋼冶煉的難點以及本公司實際生產能力，采用目前非常成熟的雙真空冶煉工藝。其工藝過程為：EBT初煉—LF精煉—VD—VC，即采用EBT電爐初煉鋼水無渣出鋼，然后轉至LF精煉及真空脫氣處理，最后進行真空澆注。

3.2 精選爐料

為保證將殘余有害元素控制在盡可能低的范圍，采用含P、S、Cu、Sn、As、Sb、Co等有害元素低的核電專用廢鋼、生鐵及專用鐵合金，確保熔清時鋼中Cu、Sn、As、Sb、V、Co、B滿足技術條件要求。

3.3 EBT初煉鋼水

EBT電爐初煉鋼水，爐底加大石灰配入量，以利于增加初期渣的堿度及渣量，在溫度較低時提前造高堿度爐渣，充分發(fā)揮脫磷的作用，通過多次換渣操作，將磷脫到0.002%以下。保證合適的配碳量，采用吹氧操作促進C-O反應，以利于去除氣體及促進夾雜物上浮。EBT出鋼時嚴禁氧化渣進入鋼包。

3.4 LF精煉及真空處理

EBT出鋼時加入鋁塊以快速預脫氧及造鋁渣，分批加入渣料，采用鋁粉、硅鈣粉進行擴散脫氧，造高鋁渣深度脫硫。精確控制合金加入量，使成分達到目標值，準確調整[N]/[Al]，使成品鋼中氮和鋁的比值盡量接近0.5[3]。最后調整完合金的時間距離LF出鋼時間應大于5 min，保證夾雜物充分上浮。真空處理時保證工作壓力低于60 Pa，有效時間不少于15 min，根據液面翻騰情況調整氬氣流量。

3.5 真空澆注

采用塞桿吹氬進行真空澆注，促使鋼流擴散，增大鋼液與真空的接觸面積，使擴散鋼流中的氧進一步和碳發(fā)生反應，降低鋼中氧含量、氫含量。鋼流滴落后夾雜物浮在鋼水表面，能夠有效降低鋼中夾雜物含量，達到潔凈鋼要求。

4 研制結果

經過周密的組織和嚴格的操作，成功制造了包括模擬件在內的核電壓力容器鍛件。經超聲波檢測和整體表面磁粉檢測均未發(fā)現可記錄缺陷，部分產品已經交付用戶。

模擬件采用85 t鋼錠鍛造成蒸汽發(fā)生器內部構件支承法蘭。模擬件化學成分、力學性能、晶粒度及夾雜物評級見表4～7。

從表4和表7的結果看，我公司生產的模擬件化學成分控制精確，熔煉和成品再熱裂紋敏感系數ΔG均小于-0.1。鍛件成品中P、S、As、Sb、Cu、Co、B等有害元素含量極低，鋼中氫及氧的含量也很低，達到了很高的潔凈度。晶粒度及夾雜物評級達到核電壓力容器鍛件要求。

從表2和表5、表6看出模擬件力學性能遠遠高于技術條件要求。在取得核電壓力容器核島主設備鍛件制造許可證后，通過微調合金成分，交付用戶的核電壓力容器鍛件力學性能又超過模擬件，RTNDT最低達到-50℃，遠優(yōu)于-20℃要求。

表4 核電壓力容器模擬件化學成分(質量分數，%)Table 4 Chemical composition of nuclear plant reactor pressure vessel simulation specimen (mass fraction,%)

表5 核電壓力容器模擬件調質及模擬焊后熱處理狀態(tài)(PWHT)拉伸性能Table 5 The tensile property of nuclear plant reactor pressure vessel simulation specimen at the situations of quenching and tempering as well as PWHT

表6 核電壓力容器模擬件調質及PWHT狀態(tài)Akv沖擊性能和RTNDTTable 6 Akv impact property and RTNDT of nuclear plant reactor pressure vessel simulation specimen at the situations of quenching and tempering as well as PWHT

表7 核電壓力容器模擬件晶粒度及夾雜物評級Table 7 Classification requirements for grain size and inclusion of nuclear plant reactor pressure vessel simulation specimen

5 結論

(1)通過選用核電專用原材料，保證了鋼中As、Sb、Cu、Co、B等有害元素的低含量，鋼中P達到0.004%以下，S達到0.002%以下，合金元素控制精確。

(2)通過調整鋼中氮和鋁含量，保證成品鋼中[N]/[Al]比值接近0.5，以形成AlN，降低鋼的原始晶粒度，同時改善低溫沖擊韌性。

(3)中信重工目前已生產出核電壓力容器鍛件鋼錠近20支，生產的鍛件各項性能均滿足核電壓力容器技術條件及客戶的要求。

[1] 趙林， 金東國，等. 核電壓力容器用鋼的冶煉. 一重技術， 1997，71：6.

[2] 胡本芙， 卜勇， 等. N/Al比值對A508-3鋼的組織和性能的影響. 鋼鐵， 1999(1): 39-43.

[3] 薛永棟， 賀強， 等. 核電鍛件用鋼SA-508-3-1低溫沖擊性能不合格原因分析與對策. 大型鑄鍛件， 2011(6): 28-29.