专利名称：核电站蒸汽发生器用拉杆材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种新材料技术领域的核电站蒸汽发生器用拉杆材料及其制备方法，主要用于压水堆核岛蒸汽发生器用拉杆材料。
背景技术：
能源产业是国民经济的基础，是制约国民经济持续快速发展的重要环节，随着国民经济的发展，人们对生活水平和环保的要求越来越高，因此，大力发展核电事业已成为当今能源开发的主导方向。核电与火力发电及其它新能源相比其优势是显而易见的。蒸汽发生器是压水堆核电站一回路和二回路的枢纽，是分割一回路和二回路的介质的屏障，是核电站关键设备之一。蒸汽发生器的主要作用是将一回路中水的热量传给二回路的水，使其汽化。由于一回路水流经堆芯而带有放射性，因而蒸汽发生器与压力容器和一回路管道共同构成防止放射性外溢的第二道屏障。在压水堆核电厂正常运行时，二回路应不受到一回路水的污染，是不具有放射性的。压水堆核电厂蒸汽发生器是按自然循环原理运行的，在这类蒸汽发生器中，保证流体的原动力是冷水柱和热水柱之间的密度差，产生的蒸汽是饱和蒸汽。每一台饱和式蒸汽发生器按照满负荷运压水堆核电厂的蒸汽发生器由带有内置式汽水分离设备的立式筒体和倒置式U形管束组成。一回路的每一个环路有一台蒸汽发生器，它是垂直布置的、自然循环的管式汽化装置。整个装置可分为给水蒸发段蒸汽发生器蒸发段的下部是由倒置的4640根倒U形管束构成。一回路水在管内流动，二回路水在管外汽化。这些管子焊接在585mm厚的锰-钥-镍(Mn-Mo-Ni )管板上，管板和管束承受一回路压力。一回路水侧封头是由铸钢半球形封头构成的，在其内表面覆盖了不锈钢层，并通过焊在管板上的因科镍隔板分成两个入口水室、出口水室。每个水室都有一个连到一回路的接管和人孔。自然循环原理整个汽化装置安置在圆筒状的金属筒体内，筒体下部与管板衔接，其上部通过一个中间过渡锥体而与一个包含干燥装置的更大的金属筒体相连。给水的入口位于该筒体的上部。给水分配由一个环形孔管完成。给水与干燥设备排出的水相混合，然后在由下部筒体与包围管束的圆柱形薄钢板包壳所形成的环形空间内向下流动。在包壳下部与管板上表面之间有一个空间，在这里水加热到接近饱和温度，然后进入到管束中间，向上流动。借助于蒸汽发生器U形管束的隔板来保持管束的间距，而在隔板之间又通过拉杆固定。在8个抗震隔板上开有一些孔以让管子及水一蒸汽混合物通过。此外，隔板通过一些防止管束整体振动的楔子固定在管束围板上。同样，在管束的弧形段也设置了防振定位杆。一台核电站需设置几台蒸汽发生器，内含数以万计的传热管，高温度压水在管束中流动，供给水沿着管子以垂直的方向流动，同时被加热，然后被汽化，蒸汽进入蒸汽轮机发电，与这些管子接触的流体会引起震动，需要用抗震隔板隔开防止管子损坏破裂，直致蒸汽发生器损坏。为有效防止隔离管板的震动，设置管板之间的连接拉杆材料对核电站安全可靠运行起着关键作用。
蒸汽发生器连接杆是在高温、高压、强腐蚀环境下使用，对制造连接拉杆材料的耐高温强度、耐腐蚀性、抗疲劳、抗蠕变性及可加工性提出了严格要求。目前我国用于制造蒸汽发生器连接拉杆材料仍依赖进口，因此研发制造具有优良的耐腐蚀性、抗疲劳、抗蠕变性及可加工性的连接拉杆材料，以替代进口，对有效提高核电站的经济性和安全可靠性具有十分重要的意义。
发明内容
本发明提供一种核电站蒸汽发生器用连接拉杆材料及其制备方法，克服现有蒸汽发生器用连接拉杆材料技术中的不足，该材料价格低、 成分设计合理、制造工艺简单，具有优良的耐腐蚀性、抗疲
劳、抗蠕变性及可加工性能。本发明的一种核电站蒸汽发生器用连接拉杆材料，其抗拉强度760_960MPa，屈服强度大于590 MPa，伸长率大于15%，断面收缩率大于50%，布氏硬度228-285HB，0°CKV冲击值大于40J。为了实现上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现的一种核电站蒸汽发生器用连接拉杆材料，按重量百分比计算，所含成分如下
C 0. 080-0. 015% ； Si 0. 10-1. 0% ； Mn: O. 4-1. 0% ； P O. 030% ； S O. 030% ；Cr: 11. 5-13. 5% ；Ni 0. 01-0. 50% ； Re 0. 02-0. 80%;余量为 Fe 及不可避免的杂质；
其中所述Si、Mn、Cr、Ni、Fe的纯度均大于99%，粒度均为20_50um;所述稀土 Re为混合稀土金属，其纯度大于99%，块状60*100mm。一种核电站蒸汽发生器用连接拉杆材料的制备方法，包括如下步骤
A、按核电站蒸汽发生器用连接拉杆材料所含成分的重量百分比计算进行原料配制
C 0. 080-0. 015% ； Si 0. 10-1. 0% ； Mn: O. 4-1. 0% ； P O. 030% ； S O. 030% ；Cr: 11. 5-13. 5% ；Ni :0. 01-0. 50% ； Re :0. 02-0. 80%;余量为 Fe 及不可避免的杂质;
B、将按前述配制的原料按冶炼顺序加入感应炉中冶炼，熔清后温度1500°C 1580°C；其中脱氧造渣时的精炼温度1550°C 1600°C，精炼时间大于40分钟，造白渣保持15分钟；其中所述混合稀土金属Re在感应炉冶炼出钢前2 3分钟内加入钢液中立即出钢，出钢时采用氩气保护方法进行浇铸；
C、电渣重熔，电渣重熔温度1520°C 1580°C、熔炼电压55/60V;熔炼电流5000/6000A ；
D、锻造，开锻温度1150°C，终锻温度彡950°C；
E、热轧，热轧温度1150°C，终轧温度彡9500C；
F、淬火，正火温度980°C 1050°C，淬水冷却；
G、回火，回火温度600°C 650°C，水冷却或空冷却；
表面机架剥除钢棒表面氧化层得到蒸汽发生器用连接拉杆材料成品。本发明制备方法的主要技术特点是采用感应炉加电渣重熔的双联熔炼方法，使得脱气充分，再经电渣重熔精炼，使钢液洁净，混合稀土金属Re在出钢前加入进一步提高蒸汽发生器用连接拉杆的质量和力学性能，通过控制锻造比大于4，经热轧后淬火加回火等工序的控制，最终得到蒸汽发生器用连接拉杆材料的抗拉强度可达780-815MPa，屈服强度可达598 MPa，伸长率18%，收缩率52_75%，布氏硬度228-285HB，(TC冲击值大于42-80J的蒸汽发生器连接拉杆材料。本发明一种核电站蒸汽发生器用连接拉杆材料设计成分的原理如下
C :非常有效的硬化和固溶强化组元，稳定马氏体结构，保证强度，但常常作为裂纹源出现，如含量过高容易形成脆硬组织而引发延迟裂纹，其成分重量％限制在O. 080-0. 0150% ；Mn :脱氧和脱硫作用，确保抗氧化性的重要元素，不足O. 01%不能得到充分脱氧，超过I%强度降低，其成分重量％限制在O. 4-1. 0% ；
Si :脱氧、提高屈服强度、耐高温腐蚀性，不足O. 01%，不能得到充分抗氧化性，超过O. 90%韧性降低，其成分重量%限制在O. 1-1. 0% ；
Ni :提高材料韧性，对强度的提高也有贡献，其成分重量％限制在O. 10-0. 50% ； Cr :确保抗氧化性、耐高温腐蚀性、提高高温强度不可缺少的元素，含量过低，不能显现效果，含量过高，强度和韧性显著降低，其成分重量％限制在11. 5-13. 5% ；
S、P:是材料中不可避免的有害杂质元素，其含量越低越好，其成分重量％，P(O. 030%, S :彡 O. 030% ；
Re :材料中加入混合稀土金属，与Cr、Si的复合作用下具有良好的抗氧化性，稀土是强还原性元素，稀土与硫有很大的亲和力，在溶池中不仅具有脱氧作用，还具有明显脱硫改善硫化物夹杂的尺寸、形态和分布作用，减少材料中的夹杂物含量，可以改变夹杂物的组成、形态、分布和性质，抑制这些夹杂物在晶界中的偏析，从而改善了材料的各种性能，如韧性、焊接性，本发明中成分重量％限制在O. 02-0. 80%。采用本发明所设计的核电站蒸汽发生器用连接拉杆材料与现有技术相比，具有如下优点
I.成分设计合理、成本低、使用安全可靠；
2.本蒸汽发生器用连接拉杆条材料其抗拉强度780-815MPa，屈服强度可达598 MPa,伸长率18%，硬度230-260，收缩率52-75%，布氏硬度228-285HB，(TC冲击值大于42-80J。在1000°C高温下长期工作具有较高强度与耐腐蚀能力，其高温应力强度稳定；
3.因为加入了微量的稀土元素和采用了双联熔炼的特殊的制备工艺，确保材料具有优良的耐腐蚀性、抗疲劳、抗蠕变性及可加工性能；
4.本核电站蒸汽发生器用连接拉杆材料可替代进口，确保蒸汽发生器用连接拉杆运行的安全可靠性，有效延长核电站蒸汽发生器的使用寿命，降低成本，显著提高经济效益。为推进核电装备国产化有着十分重要意义。
具体实施例方式为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明作进一步详述，以下实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。一种核电站蒸汽发生器用连接拉杆材料，按重量百分比计算，所含成分如下
C 0. 080-0. 015% ； Si 0. 10-1. 0% ； Mn: 0.4-1.0%; P O. 030% ； S O. 030% ；Cr: 11. 5-13. 5% ；Ni :0. 01-0. 50% ； Re :0. 02-0. 80%;余量为 Fe 及不可避免的杂质；其中所述Si、Mn、Cr、Ni、Ti、Fe的纯度均大于99%，粒度均为20_50um;所述稀土 Re为混合稀土金属，其纯度大于99%，块状60*100mm.一种核电站蒸汽发生器用连接拉杆材料的制备方法，包括如下步骤:A、按核电站蒸汽发生器用连接拉杆材料所含成分的重量百分比计算进行原料配制C :0. 080-0. 015% ；Si :0.10-1.0% ； Mn: 0.4-1.0%; P ^ O. 030% ； S ^ O. 030% ； Cr: 11. 5-13. 5% ；Ni
O.01-0. 50% ； Re :0. 02-0. 80%;余量为Fe及不可避免的杂质;
B、将按前述配制的原料按冶炼顺序加入感应炉中冶炼，熔清后温度；其中脱氧造渣时的精炼温度1550°C 1600°C，精炼时间大于40分钟，造白渣保持15分钟；其中所述混合稀土金属Re在感应炉冶炼出钢前2 3分钟内加入钢液中立即出钢，出钢时采用氩气保护方法进行浇铸；
C、电渣重熔，电渣重熔温度1520°C 1580°C、熔炼电压55/60V;熔炼电流5000/6000A ；、
D、锻造，开锻温度1150°C，终锻温度彡950°C；
E、热轧，热轧温度1150°C，终轧温度彡9500C；
F、淬火，正火温度980°C 1050°C，淬水冷却；
G、回火，回火温度600°C 650°C，水冷却或空冷却；
表面机架剥除钢棒表面氧化层得到蒸汽发生器连接拉杆材料成品。本发明核电站蒸汽发生器用连接拉杆材料制备了 8炉实施例，其中所述实施例1-8炉拉杆材料所含成分及含量按重量％计算，如下
第一炉C 0. 10%, Si 0. 50%, Mn :0. 85%, P :0. 018%, S :0. 004%, Cr :12. 15%, Ni :0. 11%,Re :0. 03% ；
第二炉C 0. 11%, Si 0. 40%, Mn :0. 80%, P :0. 012%, S :0. 005%, Cr :12. 35%, Ni :0. 13%,Re 0. 04% ；
第三炉C 0. 12%, Si 0. 60%, Mn :0. 82%, P :0. 014%, S :0. 005%, Cr :12. 45%, Ni :0. 15%,Re 0. 03% ；
第四炉C 0. 13%, Si 0. 55%, Mn :0. 83%, P :0. 010%, S :0. 005%, Cr :12. 50%, Ni :0. 18%,Re 0. 04% ；
第五炉C 0. 125%, Si 0. 65%, Mn :0. 81%, P :0. 013%, S :0. 006%, Cr :12. 42%, Ni :0. 19%,Re 0. 035% ；
第六炉 C 0. 12%, Si 0. 70%, Mn 0. 82%, P 0. 014%, S 0. 008%, Cr 12. 44%, Ni 0. 18%,Re 0. 04% ；
第七炉 C 0. 12%, Si 0. 350%, Mn 0. 75%, P 0. 013%, S 0. 006%, Cr 12. 56%, Ni 0. 17%,Re 0. 04% ；
第八炉C 0. 12%, Si 0. 40%, Mn :0. 76%, P :0. 012%, S :0. 005%, Cr :12. 51%, Ni :0. 175%,Re 0. 05% ；
上述八炉实施例其制备方法均为选用超低碳的纯铁，按照本发明八炉实施例设计成分配料，采用双联冶炼方法工艺，其中感应炉冶炼脱氧造渣时的精炼温度1575°C，精炼时间为60分钟，白渣保持15分钟一电渣重熔，精炼温度1575°C、熔炼电压55/60V ;熔炼电流5000/6000A—锻造，开锻温度1150°C，终锻温度100(TC—热轧，热轧温度1150°C、终轧温度1000°C —淬火，正火温度1025°C，淬水冷却一回火，回火温度625°C，水冷却或空气冷却。
以上1-8炉的实施例所设计制备的核电站蒸汽发生器用拉杆条材料已经批量供给使用并得到认可，经有关部门对其成分、综合力学性能进行了检测、试验，检测报告如下
一.东方电气(广州)重型机器有限公司质量理化计量室 材料类别蒸汽发生器用拉杆材料。样品名称本发明
实施例1-8炉，每炉I支，退火，规格Φ 10mm，
检验依据NPC-44300-JT116 Rev:C ；
技术条件NPC-44300-JT116 Rev:C ；
试验温度室温，
I.力学性能试验
权利要求
1.ー种核电站蒸汽发生器用连接拉杆材料，其特征在干按重量百分比计算，所含成分如下C 0. 080-0. 015% ； Si :0.10-1.0% ； Mn: 0.4-1.0%; P O. 030% ； S O. 030% ；Cr: 11. 5-13. 5% ；Ni 0. 01-0. 50% ； Re 0. 02-0. 80%; 余量为Fe及不可避免的杂质。
2.根据权利要求I所述的ー种核电站蒸汽发生器用连接拉杆材料，其特征在干其中所述Si、Mn、Cr、Ni、Fe的纯度均大于99%，粒度均为20_50um;所述稀土 Re为混合稀土金属，其纯度大于99%，块状60*100mm. ー种核电站蒸汽发生器用连接拉杆材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤 A、按核电站蒸汽发生器用连接拉杆材料所含成分的重量百分比计算进行原料配制 C 0. 080-0. 015% ； Si :0.10-1.0% ； Mn: 0.4-1.0%; P O. 030% ； S O. 030% ；Cr: 11. 5-13. 5% ；Ni :0. 01-0. 50% ； Re :0. 02-0. 80%;余量为 Fe 及不可避免的杂质; B、将按前述配制的原料按冶炼顺，加料顺序为C-Fe-Ni-Cr-Si-Mn-Re加入感应炉中冶炼，熔清后温度控制在1520°C 1580°C ;精炼温度1550°C 1600°C，精炼时间大于40分钟，造白渣保持15分钟；其中所述混合稀土金属Re在感应炉冶炼出钢前2 3分钟内加入钢液中熔清后出钢，出钢时采用氩气保护方法进行浇铸； C、电渣重熔，电渣重熔温度1520°C 1580°C、熔炼电压55/60V;熔炼电流5000/6000A ； D、锻造，开锻温度1150°C，终锻温度彡9500C； E、热轧，热轧温度1150°C，终轧温度彡9500C； F、淬火，正火温度980°C 1050°C，淬水冷却； G、回火，回火温度600°C 650°C，水冷却或空冷却； 表面机架剥除最終形成的钢棒表面氧化层得到蒸汽发生器用连接拉杆材料成品。
全文摘要
本发明公开了一种核电站蒸汽发生器用连接拉杆材料,按重量百分比计算，所含成分如下C0.080-0.015%；Si0.10-1.0%；Mn0.4-1.0%；P≤0.030%；S≤0.030%；Cr:11.5-13.5%；Ni0.01-0.50%；Re0.02-0.80%;余量为Fe及不可避免的杂质。其制备方法是A:所含成分的重量百分比计算进行原料配制;B、将按前述配制的原料按冶炼顺序加入感应炉中冶炼，其中所述混合稀土金属Re在感应炉冶炼出钢前2～3分钟内加入钢液中立即出钢，出钢时采用氩气保护方法进行浇铸;C、电渣重熔；D、锻造；E、热轧；F、淬火；G、回火；最终得到连接拉杆材料成品。本发明成分设计合理、成本低、有效延长核电站蒸汽发生器的使用寿命。
文档编号F22B37/04GK102732801SQ201210199380
公开日2012年10月17日 申请日期2012年6月18日 优先权日2012年6月18日
发明者华大凤, 华鹏, 王树平, 邵兴明 申请人:江苏新华合金电器有限公司