專利名稱：一種1Cr13厚壁管材的熱處理工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及管材加工工藝，特別提供一種1Cr13厚壁管材的熱處理工藝。

背景技術(shù)：
隨著能源危機(jī)的日益加劇，世界上許多國家正在大力發(fā)展核電產(chǎn)業(yè)。中國核電發(fā)電比例在總發(fā)電比例中還很小，因此中國也已推出大力發(fā)展核電的宏偉藍(lán)圖。據(jù)報(bào)道，中國計(jì)劃在2020年前動(dòng)工建造的核電站達(dá)30多座，同時(shí)還有許多座核電站正在選址或論證階段。
無論在設(shè)備、構(gòu)件還是技術(shù)上，目前已建成和在建的核電機(jī)組的國產(chǎn)化比例還非常低，國家有關(guān)部門已經(jīng)強(qiáng)調(diào)后續(xù)核電機(jī)組的建設(shè)要在設(shè)備和技術(shù)上逐步提高國產(chǎn)化的比例，尤其在關(guān)鍵部件上要擺脫對(duì)國外的長(zhǎng)期依賴。其中，控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)就是急需實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化的堆內(nèi)構(gòu)件的關(guān)鍵部分。而控制桿(驅(qū)動(dòng)桿)是控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中最大的關(guān)鍵部件，是由1Cr13馬氏體不銹鋼厚壁管材制作的，目前該管材全部依賴進(jìn)口。核電站反應(yīng)堆控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制桿的主要功能是調(diào)節(jié)核反應(yīng)堆的功率，它的主要?jiǎng)幼魇窃谛枰獣r(shí)能夠及時(shí)、迅速、可靠地上下運(yùn)動(dòng)以控制燃料控制棒的進(jìn)出。更重要的是在發(fā)生緊急情況時(shí)，能夠快速地把控制棒插入反應(yīng)堆以實(shí)現(xiàn)停堆。因此，要求控制桿既具有高強(qiáng)度，又具有高韌性，同時(shí)還需把硬度控制在規(guī)定范圍內(nèi)。
可以預(yù)見，隨著國家對(duì)在建和即將建設(shè)核電站的國產(chǎn)化指標(biāo)的逐漸提高，核電站反應(yīng)堆驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制桿也必須依靠國產(chǎn)化，目前控制桿的機(jī)械加工已經(jīng)能夠在國內(nèi)多個(gè)企業(yè)完成，制約國產(chǎn)化的主要問題是管材尚需要國外進(jìn)口，因此，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)國產(chǎn)化的關(guān)鍵就是1Cr13管材。核電站反應(yīng)堆驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制桿用1Cr13管材國產(chǎn)化研制成功，將提升我國核電國產(chǎn)化率，也將擺脫關(guān)鍵制品長(zhǎng)期依賴國外進(jìn)口的困境。
與普通1Cr13管材相比，核電用1Cr13厚壁管材無論在成分、冷熱加工和成品熱處理工藝上都有著很大不同，對(duì)設(shè)備和工藝都有嚴(yán)格的要求。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種1Cr13厚壁管材的熱處理工藝，特別是一種針對(duì)核電站核反應(yīng)堆控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)桿用1Cr13厚壁管材的熱處理工藝。
核電站核反應(yīng)堆控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)桿用1Cr13厚壁管材是由核電用1Cr13不銹鋼制備而成，該不銹鋼與普通1Cr13不銹鋼相比，其化學(xué)成分除了對(duì)普通1Cr13已有的C、Si、Mn、Cr、S、P要求進(jìn)行嚴(yán)格限制外，還增加了對(duì)Ni、B、Co、N、O的成分范圍要求，同時(shí)要求Pb、Sn、Sb、Bi、As、Al、Ce、La、Mo等元素含量盡可能低(每種含量≤0.005％)，提供實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)(其化學(xué)成分要求見表1)。通過對(duì)化學(xué)成分進(jìn)行嚴(yán)格控制，才能保證加工成的管材中的鐵素體含量小于10％，強(qiáng)度、硬度提高的同時(shí)，沖擊韌性不降低。
表1核電用1Cr13不銹鋼化學(xué)成分要求(％) 因此，該核電用1Cr13不銹鋼需采用感應(yīng)爐冶煉+電渣重熔的方法冶煉獲得，其中 感應(yīng)爐冶煉工藝 熔化期采用感應(yīng)冶煉爐冶煉，爐料為85.25～86.85％裝爐容量，純度≥98％的純鐵，12～13％裝爐容量的金屬Cr以及0.4～0.50％裝爐容量的電解鎳；使用滿功率的1/4～1/2送電加熱30～60分鐘，當(dāng)出現(xiàn)初熔鋼水后，爐料全紅時(shí)，使用滿功率的2/3～1熔化直至全部爐料熔化清； 精煉期升溫至1550℃±10℃，保溫15±5分鐘； 合金化期當(dāng)精煉期結(jié)束后，停電使鋼液溫度降至表面結(jié)膜；然后送電將結(jié)膜熔化，再按照加料順序?qū)?.50～0.75％裝爐容量的金屬M(fèi)n，0.25～0.5％裝爐容量的金屬Si加入鋼液中；合金化過程中應(yīng)盡量緩慢地加入各元素，防止飛濺，確保合金成分準(zhǔn)確。
電渣重熔工藝 冶煉前準(zhǔn)備 電極采用澆注電極棒或鍛造而成電渣重熔電極棒，電極尺寸為3支*100mm鋼錠，水冷銅結(jié)晶器結(jié)晶器直徑為500mm； 渣系三元渣CaF2∶Al2O3∶MgO2＝30％∶65％∶5％，使用前600℃烘烤4小時(shí)； 底板銅板或鐵板；底墊1Cr13片；引弧劑固體導(dǎo)電引弧，引弧劑成分CaF2∶TiO2＝50％∶50％； 電渣重熔工藝參數(shù) 渣量AA＝1/4πD2·h·γ，D為結(jié)晶器直徑，渣池深度h為結(jié)晶器直徑的1/3～1/2，渣的密度在2400～2500Kg/m3； 工作電流II＝S·J，S為自耗電極的橫斷面積，單位mm2，J為電流密度，單位A/mm2，J＝56/d電極-0.05，d電極為電極直徑，單位cm； 冶煉電壓UU＝0.5d電極+B，B為27～37V。
采用上述工藝冶煉所得的1Cr13鋼經(jīng)鍛造后，得到1Cr13不銹鋼棒材，然后采用特殊熱穿孔工藝制得管坯，該熱穿孔工藝為 (1)棒坯加工經(jīng)感應(yīng)冶煉+電渣重熔獲得的1Cr13不銹鋼鑄錠，經(jīng)鍛造(鍛造工藝為室溫入爐，隨爐升溫，緩慢加熱到1150℃，保溫2～3小時(shí)；始鍛溫度1150℃，終鍛溫度850℃，鍛造前后棒材截面積之比即鍛造比大于3)后得到

的棒材。經(jīng)砂輪鋸按1800mm定尺切割后，采用扒皮機(jī)或車床進(jìn)行扒皮，扒皮后的棒坯外徑尺寸為105mm，不直度小于1.0mm/m，表面粗糙度≤Ra6.4； (2)加熱設(shè)備煤氣輥底加熱爐； (3)加熱工藝為 將所得棒坯冷裝入爐，在低溫段溫度650～850℃下均熱90～120分鐘，然后以大于2℃/分鐘的速度加熱至1100～1180℃，保溫15～30分鐘。加熱和保溫時(shí)棒料需經(jīng)常翻動(dòng)，以保證加熱均勻。
(4)熱穿孔設(shè)備76加強(qiáng)型或90型無縫穿孔機(jī)； (5)穿孔頂頭鉬基合金頂頭；潤滑劑玻璃粉。
(6)冷卻穿孔后冷卻，控制其冷卻速度小于100℃/小時(shí)冷卻至室溫。
冷卻方法最好采用厚度30mm的硅酸鋁石棉氈包覆冷卻。
采用上述工藝制備的管坯，表面質(zhì)量良好，且不易開裂。下面對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步處理冷加工成形。
為了保證管材的順利軋制，防止損壞設(shè)備和軋后管材的開裂，同時(shí)保證成品管材的尺寸公差和表面質(zhì)量達(dá)到要求(成品管材公差

管材內(nèi)表面粗糙度要求≤Ra1.6μm)，需對(duì)管坯冷加工的道次變形率和軋制工藝參數(shù)進(jìn)行限制控制道次累積變形量為25～40％，冷軋管機(jī)送進(jìn)量為2～5mm/次，機(jī)頭擺動(dòng)次數(shù)為30～60次/分。
采用上述工藝加工而成的管材，其尺寸公差和表面質(zhì)量均能達(dá)到核電用的要求，而且生產(chǎn)效率高，成本低，適合大批量生產(chǎn)(幾十噸及上百噸的生產(chǎn)量)。經(jīng)過成品熱處理，可以制成核反應(yīng)堆控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制桿用1Cr13厚壁管材。
與普通1Cr13材料性能相比較，核電站核反應(yīng)堆控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)桿用1Cr13厚壁管材的性能要求(表2)不僅提高了強(qiáng)度、硬度要求，還提高了沖擊韌性要求。國外一般采用的是真空熱處理+油冷，而核電用1Cr13管材成品長(zhǎng)度在8米以上，目前國內(nèi)還沒有如此長(zhǎng)度的合適的熱處理設(shè)備。如何在國內(nèi)現(xiàn)有熱處理設(shè)備條件下采取合適的熱處理工藝并保證成品管材的性能就是成品熱處理的技術(shù)關(guān)鍵。
表2核電站核反應(yīng)堆控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)桿用1Cr13厚壁管材的力學(xué)性能要求 本發(fā)明提供了一種1Cr13厚壁管材的熱處理工藝，其特征在于將核電站核反應(yīng)堆控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)桿用1Cr13厚壁管材成品置于管式保護(hù)氣氛熱處理爐中進(jìn)行熱處理，工藝參數(shù)為在1000～1050℃下保溫1～2小時(shí)，氣冷冷卻至室溫，控制冷卻速度＜500℃/h；在650～700℃下保溫3～5小時(shí)，氣冷冷卻至室溫，控制冷卻速度＜500℃/h。
本發(fā)明提供的一種1Cr13厚壁管材的熱處理工藝，其特征在于最佳熱處理工藝參數(shù)為在1020℃下保溫1小時(shí)，氣冷冷卻，控制冷卻速度＜500℃/h；在675℃下保溫4小時(shí)，氣冷冷卻，控制冷卻速度＜500℃/h。
如果改變上述熱處理工藝，則所得成品管材的強(qiáng)度，沖擊韌性或硬度等將低于表2所示力學(xué)性能要求值。
采用本發(fā)明上述制備方法，能夠制備出高強(qiáng)度、高韌性且完全符合核反應(yīng)堆控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制桿用力學(xué)性能要求的1Cr13厚壁管材，其成品管材性能全部達(dá)到或超過了進(jìn)口實(shí)物管材的性能數(shù)據(jù)。該制備方法工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)效率高，成本低，并能夠徹底擺脫該管材長(zhǎng)期、全部依賴進(jìn)口的困境。



圖1所得管材金相照片； 圖2所得管材金相照片； 圖3所得管材金相照片； 圖4所得管材金相照片； 圖5所得管材金相照片； 圖6所得管材金相照片； 圖7所得管材金相照片； 圖8所得管材金相照片； 圖9所得管材金相照片； 圖10所得管材金相照片； 圖11所得管材金相照片。

具體實(shí)施例方式 實(shí)施例1～5 采用核電站核反應(yīng)堆控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)桿用1Cr13厚壁管材成品熱處理專用的管式保護(hù)氣氛熱處理爐，按照表3的熱處理工藝進(jìn)行成品熱處理，其中氣冷冷卻時(shí)均控制冷卻速度＜500℃/h。所得5批成品管材的力學(xué)性能如表4所示，金相照片如圖1～5所示。
表3熱處理工藝 表4成品管材的力學(xué)性能
比較例1 將管材成品置于管式保護(hù)氣氛熱處理爐上進(jìn)行熱處理，處理工藝930℃×2h+550℃×4h，氣冷，冷卻速度＜500℃/h。所得成品管材的力學(xué)性能如表5所示，金相照片如圖6所示。
比較例2 將管材成品置于管式保護(hù)氣氛熱處理爐上進(jìn)行熱處理，處理工藝930℃×2h+600℃×4h，氣冷，冷卻速度＜500℃/h。所得成品管材的力學(xué)性能如表6所示，金相照片如圖7所示。
比較例3 將管材成品置于管式保護(hù)氣氛熱處理爐上進(jìn)行熱處理，處理工藝960℃×2h+550℃×4h，氣冷，冷卻速度＜500℃/h。所得成品管材的力學(xué)性能如表7所示，金相照片如圖8所示。
比較例4 將管材成品置于管式保護(hù)氣氛熱處理爐上進(jìn)行熱處理，處理工藝960℃×2h+600℃×4h，氣冷，冷卻速度＜500℃/h。所得成品管材的力學(xué)性能如表8所示，金相照片如圖9所示。
比較例5 將管材成品置于管式保護(hù)氣氛熱處理爐上進(jìn)行熱處理，處理工藝990℃×2h+550℃×4h，氣冷，冷卻速度＜500℃/h。所得成品管材的力學(xué)性能如表9所示，金相照片如圖10所示。
比較例6 將管材成品置于管式保護(hù)氣氛熱處理爐上進(jìn)行熱處理，處理工藝990℃×2h+600℃×4h，氣冷，冷卻速度＜500℃/h。所得成品管材的力學(xué)性能如表10所示，金相照片如圖11所示。
表5成品管材力學(xué)性能 表6成品管材力學(xué)性能 表7成品管材力學(xué)性能 表8成品管材力學(xué)性能 表9成品管材力學(xué)性能 表10成品管材力學(xué)性能 由比較例可以看出，如果改變熱處理工藝參數(shù)，則所得成品管材的強(qiáng)度將高于或低于實(shí)施例所得成品管材，沖擊韌性或硬度等將低于實(shí)施例所得成品管材的力學(xué)性能值。
權(quán)利要求
1.一種1Cr13厚壁管材的熱處理工藝，其特征在于將核電站核反應(yīng)堆控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)桿用1Cr13厚壁管材成品置于管式保護(hù)氣氛熱處理爐中進(jìn)行熱處理，工藝參數(shù)為在1000～1050℃下保溫1～2小時(shí)，氣冷冷卻至室溫，控制冷卻速度＜500℃/h；在650～700℃下保溫3～5小時(shí)，氣冷冷卻至室溫，控制冷卻速度＜500℃/h。
2.按照權(quán)利要求1所述1Cr13厚壁管材的熱處理工藝，其特征在于在1020℃下保溫1小時(shí)，氣冷冷卻，控制冷卻速度＜500℃/h；在675℃下保溫4小時(shí)，氣冷冷卻，控制冷卻速度＜500℃/h。
全文摘要
本發(fā)明的目的是提供一種1Cr13厚壁管材的熱處理工藝，其特征在于將核電站核反應(yīng)堆控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)桿用1Cr13厚壁管材成品置于管式保護(hù)氣氛熱處理爐中進(jìn)行熱處理，工藝參數(shù)為在1000～1050℃下保溫1～2小時(shí)，氣冷冷卻至室溫，控制冷卻速度＜500℃/h；在650～700℃下保溫3～5小時(shí)，氣冷冷卻至室溫，控制冷卻速度＜500℃/h。
文檔編號(hào)C21D1/84GK101812576SQ20101015183
公開日2010年8月25日 申請(qǐng)日期2010年4月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月21日
發(fā)明者都祥元, 蘇國躍, 李惠娟, 孔凡亞 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院金屬研究所