Z2CN19 - 10(N)奧氏體不銹鋼為RCC-M標準中的牌號,該牌號材料以其良好的化學成分、力學性能、耐腐蝕性能、組織穩(wěn)定性和良好的抗中子輻照性能而廣泛用于核電站的關鍵設備,如核島反應堆內的堆內構件、安注箱以及一些配套的支撐件。在這些關鍵設備用不銹鋼中,超厚超重板材占有很大比例,主要規(guī)格為厚度76 ~90 mm,最大單重為19 t。根據(jù)RCC-M標準規(guī)定,安注箱和堆內構件用鋼質保等級為核二級和核一級。該類用鋼除了要求較高的化學性能、力學性能、耐腐蝕性能和表面質量外,還對雜質元素控制、無損探傷提出了很高的要求,這就對材料表面質量、材料的純凈度和雜質元素控制提出了的要求。

本文系統(tǒng)介紹了某核電項目開發(fā)的安注箱用超厚超重Z2CN19 - 10(N)奧氏體不銹鋼板材的生產(chǎn)工藝路徑、關鍵技術和產(chǎn)品實物質量。1 Z2CN19 - 10 (N)奧氏體不銹鋼

化學成分及力學性能

Z2CN19 - 10(N)奧氏體不銹鋼化學成分及力學性能如表1所示。

超厚超重板材生產(chǎn)關鍵技術

合理設計成分和雜質元素控制

對于大型模鑄扁錠,成分偏析一直是澆鑄過程中不可避免的“。設計成分時,要充分考慮不同元素的偏析差異和由此造成的影響,如間隙原子碳、氮的偏析,貴重金屬Ni、Cr的偏析。若碳、氮設計成分含量過低,將會影響其力學性能;若設計成分偏高,由于偏析則極易導致核電板材局部碳氮超標。貴重元素Ni、Cr添加過多,將會使材料成本增加;添加過少,又會由于偏析造成局部成分不合,因此需要控制在一個合理值范圍。除了對各個元素的控制外,還要控制Z2CN19 - 10(N)奧氏體中的鎳鉻當量比,主要借此來控制其殘余鐵素體含量。如果殘余鐵素體含量過高,再加上局部成分偏析,可能會導致鍛造和熱軋過程中鍛坯或熱軋板材表面或內部出現(xiàn)微裂紋,直接造成酸洗后成品鋼板表面存在缺陷,或者探傷不合。

Z2CN19 - 10(N)作為核反應島內用結構材料,要求對中子吸收截面大的Co、B等進行嚴格控制,以防止材料受中子輻照而導致的脆化。在冶煉過程中要求對廢鋼、鉻鐵中的Co,B等雜質元素進行重點控制,必要時可預先分析主要原料中B、Co含量,確保熔煉后B、Co含量符合材料標準要求(見表1)。此外對于Z2CN19 - 10(N)奧氏體不銹鋼要求將氮含量控制小于0.08% ,但同時該奧氏體不銹鋼又要求比常規(guī)304L高的力學性能,考慮到氮元素可以明顯改善奧氏體不銹鋼的力學性能5-61,一般將氮含量控制在0.06%~0.08%之間,因此在煉鋼過程中,尤其在精煉過程后,需要使用控氮模型和相應的控氮技術進行精確控制。

澆鑄工藝控制

大型模鑄扁錠澆鑄采用下注法,在澆鑄過程中主要控制開澆溫度、澆鑄時間以及保護渣和發(fā)熱劑的使用量。大型不銹鋼模鑄錠由于偏析嚴重,易產(chǎn)生裂紋,因此盡可能采用低溫澆鑄。澆鑄時間的確定主要根據(jù)大型模鑄錠的澆鑄時間和帽口補注時間來確定。由于不銹鋼鋼水具有易氧化,黏度高、流動性差和低熔點等顯著特性,是模鑄中難于澆鑄的鋼種,因而對不銹鋼模鑄固體保護渣的選材、配料和理化性能檢測要求較高。若選材不當,將會造成鋼錠內部存在卷渣、夾雜等內部缺陷;若加入量不夠,將會造成保護渣功能失效,影響鋼材純凈度。澆鑄完畢后加入適量的發(fā)熱劑,防止鋼錠頭部的溫降過快,提供充足的澆鑄補縮時間

對于大型模鑄扁錠,若在冶煉和澆鑄的過程中導致大顆粒夾雜存在于鋼液中,將會導致最終成品鋼板探傷不合,因此有必要對其夾雜物進行評級。圖3給出了厚度方向不同位置的夾雜物觀察結果,發(fā)現(xiàn)夾雜物在不同厚度位置分布沒有明顯規(guī)律,夾雜物尺寸也相對較小,以顆粒環(huán)狀和不連續(xù)的長條狀為主。圖4給出了通過掃描電鏡觀察到的長條狀夾雜物形貌和能譜分析圖,該夾雜物為氧化鋁和硅酸鹽的復合夾雜物,主要是由于冶煉過程中采用了鋁脫氧所致。

對實際生產(chǎn)的超厚板成品進行了室溫拉伸、室溫沖擊和350℃拉伸性能的全面評價。從表3可以看出,材料沿厚度方向的各項機械性能比較穩(wěn)定,指標都滿足 RCC-M標準的各項要求。對于超厚超重板材,材料的機械性能穩(wěn)定性和化學成分.微觀組織的均勻性是相輔相成的,較少的化學成分偏析和均勻的微觀組織保證力學性能的均勻性,相反力學性能的穩(wěn)定性又說明了化學成分和組織的均勻性。

(1)在制定合理的生產(chǎn)工藝路徑基礎上,通過研究成分設計、雜質元素控制、澆鑄工藝、鍛造工藝、表面質量控制及板形控制等各項關鍵技術，成功開發(fā)了超厚超重核電用Z2CN19 - 10(N)奧氏體不銹鋼板材。

(2)超厚超重核電用Z2CN19 -10(N)奧氏體不銹鋼的實物水平RCC-M標準中的各項要求。

(3)該工藝開發(fā)的超厚超重Z2CN19 - 10(N)奧氏體不銹鋼通過核電設備制造商的全面認證和評價,并已經(jīng)取代國外進口產(chǎn)品,用于制造國內核電站安注箱和一些支撐件。該鋼種超厚超重規(guī)格的開發(fā),將會打破國外廠家長期壟斷的局面，也為國內核電站的建設以及實現(xiàn)設備的國產(chǎn)化打下良好的基礎。