[发明专利]核反应堆蒸发器大锻件钢晶粒细化方法

说明书

技术领域

本发明属于钢的热处理技术领域，特别是提供了一种核反应堆蒸发器大锻件钢晶粒细化方法，适用于SA508Gr.3Cl.2低合金钢的百万千瓦级核电反应堆蒸发器大锻件的晶粒细化，使得蒸发器大锻件钢的组织均匀，晶粒度从5级提高到了8.5级，平均晶粒尺寸＜20μm，最终获得良好的综合力学性能。

背景技术

随着化石燃料为主的能源资源的日益枯竭，以及全球生态环境的不断恶化，核电又一次进入了快速发展期。近年来对核电站经济性和安全性的要求，反应堆输出功率不断提高，使得反应堆压力容器和蒸发器的大型化和一体化成为趋势，而福岛核电事故的发生，对核电站的安全性有了更高的要求。核电站中的反应堆压力容器和蒸汽发生器大锻件具有非常大的尺寸和截面厚度，为了应对可能的失效情况，这就要求大锻件钢具有良好的综合力学性能。反应堆压力容器锻件目前采用SA508Gr.3Cl.1钢制造，而反应堆蒸发器锻件采用高强度级别的SA508Gr.3Cl.2钢来制造。ASME规范对两种强度级别的SA508Gr.3钢的性能要求不同，SA508Gr.3Cl.2钢与SA508Gr.3Cl.1钢相比，韧性要求相差不多，但屈服强度由345MPa提高到450MPa。在工业生产中，反应堆压力容器锻件因强度级别相对较低，并不难生产。但高强度级别的蒸发器锻件，特别是对于壁厚较厚的大锻件来说，强度和冲击韧性难以同时达到规范要求。

反应堆压力容器锻钢当前一般采用电弧炉冶炼+炉外精炼，在炼钢脱氧工艺中为了降低钢中的含氧量，常采用普通的铝、钡、钙、硅、锰的镇静脱氧工艺。在普通的镇静脱氧工艺中，铝和硅是优良的脱氧剂，易与氧反应生成Al₂O₃和SiO₂造渣，在造渣的同时会有少量的Al₂O₃和SiO₂滞留在钢中形成夹杂物，降低钢的性能。因此，近年来发展了真空碳脱氧(VCD)工艺。VCD工艺较之传统的镇静脱氧工艺来说，锻件能够获得更好的韧性。反应堆锻件钢热处理工艺一般有预备热处理、性能热处理和焊后消应热处理。在性能热处理前一般进行一次正火+回火预备热处理，为性能热处理提供组织准备。ASME规范中对SA508Gr.3Cl.2钢的晶粒度有严格要求，晶粒度大于5级。然而，对于大壁厚的蒸发器用的高强度大锻件，用普通的炼钢和热处理工艺处理后，晶粒度在5级左右，强度和冲击韧性难以达到ASME规范要求，更不用说提供更多的安全裕度值。因此，通过细化蒸发器大锻件钢的晶粒，成为保证先进大型核电站反应堆蒸发器大锻件满足性能要求的关键。

发明内容

本发明的目的在于提供一种核反应堆蒸发器大锻件钢晶粒细化方法，要解决的技术问题是使SA508Gr.3Cl.2低合金钢的百万千瓦级核电反应堆蒸发器锻件钢的晶粒细化，缓解因锻造偏析可能产生的混晶现象，以及解决大锻件生产中难以达到ASME规范规定的性能要求等问题。这种方法经过成分控制、特殊的炼钢工艺和恰当的热处理工艺，可以显著细化用于制造反应堆蒸发器大锻件钢的晶粒，获得晶粒尺寸＜20μm，晶粒度为8.5级的原奥氏体晶粒。从而可以提高反应堆蒸发器大锻件钢的使用性能，尤其是可以显著提高蒸发器锻件钢的冲击韧性，使锻件的最终机械性能达到相关技术规范的要求。

本发明的技术方案：

一种核反应堆蒸发器大锻件的晶粒细化方法，首先采用特殊的炼钢工艺，对蒸发器大锻件钢的化学成分进行控制，然后在铸锭锻造后对锻件进行两次预备热处理工艺进一步细化晶粒。详细步骤如下：

冶炼工艺

对冶炼原料，采用电弧炉冶炼+炉外精炼工艺处理，随后在真空脱氧处理过程中采用改进型的真空碳脱氧工艺，在真空处理后加入铝处理，在冶炼过程中精确控制化学成分，铝元素质量分数控制为0.02～0.04％，氮元素质量分数控制为0.005～0.015％，硅元素质量分数控制为＜0.1％；或者在真空脱氧处理过程中采用硅镇静脱氧工艺，硅作为脱氧剂是在真空处理时加入，而铝是在真空处理后加入，在冶炼过程中精确控制化学成分，控制铝元素质量分数为0.02～0.04％，氮元素质量分数控制为0.005～0.015％，硅元素质量分数为0.1～0.3％的钢水。同时冶炼多炉钢水，通过先进的多炉合浇(MP)工艺浇注成200～600吨的大型钢锭。对冶炼成功的钢锭进行相应的锻造加工处理。

热处理工艺