一种用于钠冷快堆中间换热器的无缝换热管的制备工艺的制作方法

本发明属于快中子反应堆技术领域，具体涉及一种用于钠冷快堆中间换热器的无缝换热管(直管)的制备工艺。

背景技术：

钠冷快堆中间热交换器为壳管式换热器，设备固定于反应堆容器内，设计温度为550℃，设计寿命为40年。换热器上下管板间的空间弯管为316h无缝换热管(直管)弯制而成，换热管内外分别为一回路钠(带有放射性)与二回路钠。换热管在高温下长周期运行，需要保证材料具有较高的室温与高温强度、较高的疲劳强度、较高的持久强度和良好的长期时效组织稳定性。

传统的316h无缝换热管(直管)的制造工艺包括：冶炼工艺、热加工工艺、冷加工工艺、热处理工艺等。其中，冶炼工艺由于原料纯度控制不严、冶炼方法选择不当，会造成五害元素(pb、as、sn、sb、bi)及杂质元素p、s、h、o、b、cu、ti等含量过高，引起换热管蠕变性能、疲劳性能、韧性明显下降等问题；热加工工艺国内主要采用热穿管工艺，该工艺产生的单向拉应力会造成换热管长期使用的持久强度、耐疲劳性能无法保证，而国外主要采用热挤压工艺，但是热挤压工艺参数如挤压速度、挤压温度、挤压坯规格、挤压流程等未公开，且国内传统热挤压工艺成材率较低。冷加工工艺由于冷拔钢管为轴向拉应力状态，影响持久与疲劳性能，因而多采用壁厚精度与表面质量较高的冷轧工艺，但针对具体的钢管尺寸如何设计冷轧道次、如何分配与设计变形量，是换热管冷加工工艺的主要难点；热处理工艺是改善换热管组织与应力状态，提升换热管性能的关键步骤，需要给出精确的热处理温度范围与热处理时间。因此，目前急需一种能满足钠冷快堆高温长时服役强度、热稳定性、耐疲劳性、高韧度、高尺寸精度与直线度、高表面质量的无缝换热管的制备工艺。

技术实现要素：

(一)发明目的

根据现有技术所存在的问题，本发明提供了一种五害元素(pb、as、sn、sb、bi)含量低于0.001％，杂质元素p≤0.010％、s≤0.002％，气体夹杂元素o≤25ppm、h≤5ppm，晶粒度范围为4～6级，铁素体含量小于1％，屈服强度、抗拉强度、持久强度与疲劳强度能满足钠冷快堆中间热交换器无缝换热管技术要求，同时能够满足表面粗糙度要求及直线度要求的制备工艺。

(二)技术方案

为了解决现有技术所存在的问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种用于钠冷快堆中间换热器的无缝换热管的制备工艺，该工艺包括以下步骤：

(1)熔炼

熔炼按照工艺步骤的先后顺序可分为真空感应冶炼(vod)及电渣重熔(esr)两道工序；

所述真空感应冶炼是在真空感应熔炼炉中进行，真空感应冶炼过程中冶炼的温度为1520℃～1560℃，真空度为≤0.1pa；选取杂质元素p≤0.007％、s≤0.003％的纯铁作为冶炼原料，选取电解镍、金属铬、金属锰、微碳铬铁作为合金添加剂，合金添加剂中五害元素pb、sn、as、sb、bi的含量均在0.001％以下；采用碳作为脱氧剂，高真空环境下利用c-o反应脱氧；合金化过程中先加入al进行深脱氧，然后向真空感应炉中加入ce进行脱氧、脱硫；

所述电渣重熔步骤是将真空感应冶炼后得到的产物置于重熔结晶设备中，采用的四元预熔渣渣系为20％cao—5％mgo—20％al2o3—55％caf2，其中20％、5％、55％均为占预熔渣渣系的质量分数；该渣系熔点为1290～1310℃，该四元预熔渣渣系可为电渣重熔过程中提供良好的电阻率和粘度；在起弧前，先向重熔结晶设备内导入氩气以排除空气中氧及水蒸汽对合金熔池的污染，降低重熔钢锭中的氧化物夹杂和氢含量；起弧并进入稳态后，对熔速、电流、电压进行自动控制，其中熔速控制在5.2～5.6kg/min，电流8000a～9000a，电压38v-40v；电渣重熔步骤可得到硫含量在0.002％以下，h含量在5ppm，o含量在25ppm以下的电渣锭，该电渣锭的直径根据工程需要及冶炼原料投料量确定；

(2)热挤压

将步骤(1)得到的电渣锭进行热挤压之前先进行锻造工艺，以改善冶炼坯的性能，缩减冶炼锭尺寸；锻造过程是将步骤(1)得到的电渣锭进行加热锻造，开锻温度≥950℃，停锻温度≥750℃，冷却方式为水冷，最终得到锻造比大于5的锻制棒材；

锻制棒材在热挤压前，需要进行加热穿孔工艺，即对锻制棒材表面去除氧化层后，中心处加工贯穿的圆孔，并在挤压母坯一端利用镗孔和车削将圆孔以锥度为1:1～1:2进行扩孔得到挤压坯；扩孔后挤压坯进入环形炉预热，预热温度达到350℃后进入一次感应加热炉，加热至650～700℃后出炉进入扩孔机扩至所需直径的通孔；随后，挤压坯进入二次感应加热炉加热至出炉温度大于1230℃后进入热挤压机，挤压温度范围为1190～1230℃，热挤压温度偏差不大于±10℃，挤压速度控制范围为100～300mm/s，最终得到所需尺寸的挤压荒管规格；

(3)冷轧与热处理

冷轧分为第一道冷轧、第二道冷轧及成品冷轧；其中第一道冷轧设计变形量为61％；第二道冷轧设计变形量为68％～76％；成品冷轧参数选择送进量为1.5～2.5mm/次，轧制速度为100～140次/min，成品冷轧设计变形量为61％～70％；在第一道冷轧前要进行矫直、平头、酸洗及检验步骤；在第一道冷轧和第二道冷轧结束后要进行去油、中间热处理过程、矫直、酸洗及检验步骤后进入后续冷轧操作；在成品冷轧结束后进行去油、光亮热处理、矫直操作，最终得到所需尺寸的换热管。

优选地，所述步骤(1)中在真空感应冶炼前对真空感应熔炼炉内的坩埚进行200～300℃、12～20h的烘烤，保证坩埚内氢含量低于2ppm。

优选地，所述步骤(1)中，真空感应冶炼过程中炉内通入6000pa以上的氩气作为保护气氛，以抑制锰元素的挥发。

优选地，步骤(1)中所述合金添加剂还包括微碳钼铁、微碳硅铁、碳粉。

优选地，步骤(1)中加入的al含量为相对于纯铁质量0.05％。

优选地，步骤(1)中加入的ce含量为相对于纯铁质量0.04～0.05％。

优选地，步骤(2)中所述挤压母坯去除氧化层是通过车削去除的。

优选地，步骤(2)中所述锻造之前有一个锻坯加热过程；该过程是先将冶炼得到的电渣锭感应加热至800℃并保温1小时，然后在1小时将其一次匀速升温至850℃±10℃并保温2小时，再在2.5小时将其二次匀速升温至1200±10℃并保温3.5小时，出炉后进行锻造并保证开锻温度≥950℃。

优选地，步骤(3)中所述冷轧的模具为两辊轧机孔型，且采用环形孔型轧制，该两辊轧机孔型使得外径偏差达到±0.07mm，壁厚偏差达到在0.12mm且无负偏差。

优选地，所述第一道冷轧结束后中间热处理过程为固溶退火温度1120～1180℃，保温时间10～15min；所述第二道冷轧结束后中间热处理过程为固溶退火温度1120～1180℃，保温时间6～9min。

优选地，所述平头是利用平头机对换热管端部进行头尾去除或平整；所述酸洗是利用hcl水溶液进行换热管中间冷轧过程氧化层的酸洗；所述检验是利用目视或尺寸检查手段检验换热管表面质量与尺寸精度，其作用是保证材料每一道次冷轧前的表面质量与尺寸精度符合要求；所述去油将管子浸泡在30～50℃的hno3、hf稀释混合溶液中去油，去油时间为2h。

优选地，所述成品冷轧结束后的光亮热处理过程，是指采用惰性气体保护或者是真空状态对工件进行热处理，避免或减少工件表面与氧气接触而发生氧化，从而达到工件表面的光亮或相对光亮；光亮热处理后进行光亮退火，采用光亮热处理温度范围1140～1160℃、0.5m/min退火速度、保温时间8～15min；使得材料表面粗糙度满足平均值ra≤1.0μm，最大值ra≤1.5μm。

(三)有益效果

本发明提供的工艺具有的有益效果为：五害元素(pb、as、sn、sb、bi)含量低于0.001％，杂质元素p≤0.010％、s≤0.002％，气体夹杂元素o≤25ppm、h≤5ppm，晶粒度范围为4～6级，铁素体含量小于1％，屈服强度、抗拉强度、持久强度与疲劳强度能满足钠冷快堆中间热交换器无缝换热管技术要求，同时能够满足表面粗糙度要求及直线度要求。

附图说明

图1是无缝换热管制备工艺流程示意图。

具体实施方式

实施例1

下面将结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步阐述。

一种用于钠冷快堆中间换热器的无缝换热管的制备工艺，以快堆中某一换热管为例，该工艺包括以下步骤，步骤流程图如图1所示意：

(1)熔炼

熔炼按照工艺步骤的先后顺序可分为真空感应冶炼(vod)及电渣重熔(esr)两道工序；

所述真空感应冶炼是在真空感应熔炼炉中进行，在真空感应冶炼前对真空感应熔炼炉内的坩埚进行200℃、20h的烘烤，保证坩埚内氢含量低于2ppm。

真空感应冶炼过程中冶炼的温度为1520℃，真空度为≤0.1pa；选取杂质元素p≤0.007％、s≤0.003％的纯铁作为冶炼原料，选取电解镍、金属铬、金属锰、微碳铬铁作为合金添加剂，合金添加剂中五害元素pb、sn、as、sb、bi的含量均在0.001％以下；采用碳作为脱氧剂，高真空环境下利用c-o反应脱氧；合金化过程中先加入al进行深脱氧，然后向真空感应炉中加入ce进行脱氧、脱硫；真空感应冶炼过程中炉内通入6000pa以上的氩气作为保护气氛，以抑制锰元素的挥发。

所述电渣重熔步骤是将真空感应冶炼后得到的产物置于重熔结晶设备中，采用四元预熔渣渣系为20％cao—5％mgo—20％al2o3—55％caf2，其中20％、5％、55％均为占预熔渣渣系的质量分数；该渣系熔点为1290～1310℃，该四元预熔渣渣系可为电渣重熔过程中提供良好的电阻率和粘度；在起弧前，先向重熔结晶设备内导入氩气以排除空气中氧及水蒸汽对合金熔池的污染，降低重熔钢锭中的氧化物夹杂和氢含量；起弧并进入稳态后，对熔速、电流、电压进行自动控制，其中熔速控制在5.2kg/min，电流8000a，电压38v；电渣重熔步骤可得到硫含量在0.002％以下，h含量在5ppm，o含量在25ppm以下的电渣锭，该电渣锭的直径根据工程需要及冶炼原料投料量确定。

(2)热挤压

将步骤(1)得到的电渣锭进行热挤压之前先进行锻造工艺，以改善冶炼坯的性能，缩减冶炼锭尺寸。锻造过程是将步骤(1)得到的电渣锭进行加热锻造，所述锻造之前有一个锻造预处理过程；该过程是先将电渣锭感应加热至800℃并保温1小时，然后在1小时内将其一次匀速升温至850℃±10℃并保温2小时，再在2.5小时内将其二次匀速升温至1200±10℃并保温3.5小时，出炉后进行锻造并保证开锻温度≥950℃。停锻温度≥750℃，冷却方式为水冷，最终得到φ204mm～φ206mm，锻造比为大于5的锻制棒材；

锻制棒材在热挤压前，需要进行加热穿孔工艺，即对锻制棒材表面去除氧化层后，中心处加工贯穿的φ30的圆孔，并在挤压母坯一端利用镗孔和车削将圆孔扩充至84mm、锥度为1:2的挤压坯。挤压坯扩孔后进入环形炉预热，预热温度达到350℃后进入一次感应加热炉，加热至650～700℃后出炉进入扩孔机扩至所需直径的通孔即φ84mm；随后，挤压坯进入二次感应加热炉加热至出炉温度大于1230℃后进入热挤压机，挤压温度为1190℃，热挤压温度偏差不大于±10℃，挤压速度控制范围为100～300mm/s，最终得到所需尺寸的挤压荒管规格

(3)冷轧与热处理

冷轧分为第一道冷轧、第二道冷轧及成品冷轧，前两道冷轧得到的管材均为中间品，成品冷轧得到的管材为中间热交换器φ16×1.2mm规格的成品管。其中第一道冷轧设计变形量为61％，由φ8×7mm轧至φ57×3.5mm；第二道冷轧设计变形量为76％，冷轧至φ32×1.5mm；成品冷轧参数选择送进量为2.0mm/次，轧制速度为120次/min，成品冷轧设计变形量为61％，最终冷轧至φ16×1.2mm。

在第一道冷轧前要进行矫直、平头、酸洗及检验步骤，所述平头是利用平头机对换热管端部进行头尾去除或平整；所述酸洗是利用hcl水溶液进行换热管中间冷轧过程氧化层的酸洗；所述检验是利用目视或尺寸检查手段检验换热管表面质量与尺寸精度，其作用是保证材料每一道次冷轧前的表面质量与尺寸精度符合要求；

在第一道冷轧和第二道冷轧结束后要进行去油、中间热处理过程、矫直、酸洗及检验步骤后进入后续冷轧操作；在成品冷轧结束后进行去油、光亮热处理、矫直操作，最终得到所需尺寸的管件。所述去油将管子浸泡在30～50℃的hno3、hf稀释混合溶液中去油，去油时间为2h。所述第一道冷轧结束后中间热处理过程为固溶退火温度1120～1180℃，保温时间10～15min；所述第二道冷轧结束后中间热处理过程为固溶退火温度1120～1180℃，保温时间6～9min。所述成品冷轧结束后的光亮热处理过程，是指在热处理过程中，采用惰性气体保护或者是真空状态，避免或减少工件表面与氧气接触而发生氧化，从而达到工件表面的光亮或相对光亮；光亮热处理后进行光亮退火，采用光亮热处理温度范围1140～1160℃、0.5m/min退火速度、保温时间8～15min；使得材料表面粗糙度满足平均值ra≤1.0μm，最大值ra≤1.5μm。

冷轧的模具为两辊轧机孔型，且采用环形孔型轧制，该两辊轧机孔型使得外径偏差达到±0.07mm，壁厚偏差达到在0.12mm且无负偏差。

实施例2

与实施例1不同的是，在真空感应冶炼前对真空感应熔炼炉内的坩埚进行250℃、16h的烘烤；真空感应冶炼过程中冶炼的温度为1540℃，所述合金添加剂还包括微碳钼铁、微碳硅铁、碳粉。电渣重熔时熔速控制在5.4kg/min，电流8500a，电压39v；热挤压过程中，挤压温度为1210℃，热挤压温度偏差不大于±10℃，挤压速度控制范围为100～300mm/s。第一道冷轧设计变形量为61％，由φ78×7mm轧至φ57×3.5mm；第二道冷轧设计变形量为68％，冷轧至φ32×2mm；成品冷轧参数选择送进量为1.5mm/次，轧制速度为100次/min，成品冷轧设计变形量为70％，最终冷轧至φ16×1.2mm。

实施例3

与实施例1不同的是，在真空感应冶炼前对真空感应熔炼炉内的坩埚进行300℃、12h的烘烤；真空感应冶炼过程中冶炼的温度为1560℃，电渣重熔时熔速控制在5.6kg/min，电流9000a，电压40v；热挤压过程中，挤压温度为1220℃，热挤压温度偏差不大于±10℃。第一道冷轧设计变形量为61％，由φ78×7mm轧至φ57×3.5mm；第二道冷轧设计变形量为68％，冷轧至φ32×2mm；成品冷轧参数选择送进量为2.5mm/次，轧制速度为140次/min，成品冷轧设计变形量为70％，最终冷轧至φ16×1.2mm。