華龍一號核電波動管電渣錠冶煉技術(shù)研究

李連龍 曾 杰

(二重(德陽)重型裝備有限公司，四川618000)

1 問題描述

在核電發(fā)展的新形勢下，核電發(fā)展重心已轉(zhuǎn)移至RCC-M核電體系下新一代(三代)國產(chǎn)核電——華龍一號技術(shù)，華龍一號技術(shù)是我國擁有全新一代核電技術(shù)知識產(chǎn)權(quán)的核電體系。數(shù)年前，我公司即開始三代華龍一號核電波動管(材料X2CrNiMo18-12(CN))的前期技術(shù)方案研究。三代核電華龍一號波動管屬于新產(chǎn)品開發(fā)，鋼種特性尚不了解，特別是其超低碳控氮奧氏體不銹鋼的電渣冶金材料特性，這在冶煉上有很大難度，本文對電弧爐冶煉、電渣重熔生產(chǎn)的產(chǎn)品鋼錠質(zhì)量進行了分析闡述。

2 冶煉難點

(1)碳含量低，鉻、鎳含量高且范圍窄，尤其是N含量控制難度大，對質(zhì)量要求苛刻。

(2)三代華龍一號核電波動管采用的奧氏體不銹鋼，其可鍛性差，純凈度要求高，須采用電渣重熔生產(chǎn)。

3 采取措施

為了確保產(chǎn)品質(zhì)量，特別是產(chǎn)品的純潔度、力學性能及可鍛性，特制訂下列技術(shù)方案：

(1)制訂合理的工藝流程，確保產(chǎn)品質(zhì)量。

(2)根據(jù)電渣過程中的成分變化規(guī)律，對電極坯成分作電極控制要求。

(3)對原材料提出合理的采購要求，既保證產(chǎn)品質(zhì)量又盡可能降低成本。

(4)對電極坯質(zhì)量作嚴格的要求，制定詳細的電爐過程、鋼包爐過程、VOD過程及電極打磨焊接過程的工藝要求，確保電渣錠所用原材料為合格原材料。

(5)制定詳細的電渣過程工藝操作，確保電渣錠質(zhì)量。

4 產(chǎn)品研制及生產(chǎn)過程

4.1 制定合理的工藝流程

根據(jù)該材料的碳含量低(C≤0.035%)的特點，要求采用VOD脫碳工藝；因其質(zhì)量要求高，須確保其可鍛性好，為此采用電渣工藝，制定工藝流程為：電弧爐粗水→VOD精煉→電極坯料澆注→電極坯切割冒口及打磨焊接→電渣重熔→電渣錠精整。

4.2 電極坯成分控制

根據(jù)電渣錠成分控制要求，結(jié)合成分在電渣過程中燒損變化規(guī)律，對電極成分作了適當調(diào)整，以保證最后的力學性能。該成分控制中的最大難點為N，因該材質(zhì)為首次冶煉，其在電渣過程中的變化規(guī)律無法掌握，因此，N含量采取了比較保守的控制措施，即控制在中限偏上；再者Cr、Ni、Mo含量高，且Cr、Ni范圍窄，增加了控制難度，需要多次補加合金并多次取樣驗證，以確保成分控制。電極成分控制見表1。

表1 電極成分控制(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 1 Electrode composition control(mass fraction,%)

表2 合金爐料采購補充要求(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 2 Supplementary requirements for alloy furnacematerial procurement(mass fraction,%)

表3 VOD開吹條件(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 3 VOD blowing conditions(mass fraction,%)

4.3 提出合理的原材料采購要求和使用要求

為確保有害元素符合產(chǎn)品要求，提高鋼錠純凈度，專門編制了合金爐料規(guī)格書。如表2所示，對原材料提出了嚴格的采購、使用要求，為確保冶煉優(yōu)質(zhì)鋼錠創(chuàng)造了條件。

4.4 電極坯冶煉研究

為確保電極坯質(zhì)量，對電爐粗水、鋼包爐精煉及電極澆注、打磨焊接等都做了詳細工藝要求。

(1)電爐粗水冶煉要求確保P、B、Cu、Co等基本的有害元素符合要求，實際出鋼P達到0.003%及以下。

(2)鋼包爐精煉關(guān)鍵控制VOD開吹條件，并嚴格執(zhí)行到位，確保VOD后少加入合金，為控碳創(chuàng)造條件。VOD開吹條件如表3所示。

(3)VOD過程中確保真空度和氧勢變化，控制好終點碳，確保碳含量達到0.015%以下，然后方可加渣還原。最后分批加入氮化鉻等合金，特別需要注意的是，調(diào)N時需要考慮殘N。最后嚴格控制出鋼溫度。

(4)電極澆注過程中亦需要嚴格控制澆注溫度，澆注溫度的過熱度一般控制在50～85℃，并嚴格控制錠身澆注時間，待充分成型后脫模，并去除冒口使用。

表4 成品化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 4 Chemical composition of finished product(mass fraction,%)

4.5 電渣過程冶煉研究

制定詳細電渣參數(shù)，確保電渣錠質(zhì)量，電極交換時間控制在2 min以內(nèi)(越快越好)；保持電渣過程平穩(wěn)，電流波動不易過大，防止產(chǎn)生渣溝，確保電渣錠冶金質(zhì)量，尤其是控制好氮含量的變化。

5 研究結(jié)果

5.1 電渣錠熔煉成分及成品成分

按照工藝要求，電渣錠成功熔煉，錠重為10.5 t。經(jīng)檢測其熔煉成分及最終的成品成分均達到理想要求，成分控制達到世界同行水平，同時對最終產(chǎn)品進行解剖分析，其成分均勻度極好，鋼錠頭部及尾部成分幾乎無差別，如表4所示。

5.2 電渣鋼錠表面質(zhì)量及鍛造質(zhì)量

電渣錠表面質(zhì)量光潔，無渣溝；鍛造過程無裂紋，鋼錠可鍛性好，質(zhì)量好。

5.3 產(chǎn)品純凈度

6 結(jié)論

(1)采用VOD法可以生產(chǎn)控氮奧氏體不銹鋼，并能精確控制氮含量，已達到生產(chǎn)要求。

(2)在敞口電渣爐中可以生產(chǎn)控氮奧氏體不銹鋼電渣錠，氮的波動量可以實現(xiàn)控制。

(3)采用電渣生產(chǎn)的鋼錠，其鍛造性能優(yōu)越，鍛造質(zhì)量良好。