華龍一號主管道電渣錠成分偏析控制

李連龍 曾杰 路正平 王承 鄧琴 楊先芝 邱斌 申贇

(二重(德陽)重型裝備股份有限公司,四川 德陽 618000)

核電擁有能量密度高、經濟性好、高效清潔、無溫室氣體排放的優點,是當今世界能大規模發展的低碳高效清潔能源之一,是我國調整能源結構的關鍵[1]。

華龍一號是我國具有完全自主知識產權的三代核電技術[2-3],是中國走向世界的“國家名片”[4]。核電主管道是核島一回路的關鍵設備,華龍一號主管道采用X2CrNiMo 18.12(控氮)材質制造。電渣重熔技術因其生產的鋼錠成分均勻、表面光潔的特點[5-6]而被作為大型鍛件制造的關鍵技術,得到了廣泛關注并被應用于核電鍛件等領域。在核電主管道產品方面盡管有傳統三相電渣生產技術的報道[1],但鮮有單相電渣技術開發的報道,為此,我公司開展了在大型單相氣氛保護電渣爐條件下華龍一號主管道電渣重熔技術的研究與開發,并從C、N關鍵化學元素的成分偏析控制角度,闡述了我公司百噸級電渣錠成分均勻性的控制技術及控制質量。

1 主管道鋼錠制造技術難點

華龍一號主管道電渣錠達到百噸級,其電渣錠成分均勻性一直備受關注,主要原因及制造難點如下:

(1)X2CrNiMo 18.12(控氮)材質屬于超低碳控氮奧氏體不銹鋼,合金含量高達30%以上,易產生偏析[7],特別是C和N,如果成分不均勻,會影響產品質量,特別是性能會受到影響。根據相關文獻的報道[8-9],氮是非常強烈的穩定奧氏體且擴大奧氏體相區的元素,顯著提高奧氏體不銹鋼的強度,特別是屈服強度,而其斷裂韌性并不降低,氮提高奧氏體不銹鋼的耐蝕性能,特別是耐局部腐蝕,比如晶間腐蝕、點腐蝕和縫隙腐蝕等;碳元素也是強烈的奧氏體形成元素,根據Simmons等提出的鎳當量公式,碳的鎳當量系數達到30倍。但是該材質的碳和氮規定了上限要求(C≤0.035%,N≤0.080%),如果成分不均勻,則可能導致性能不合格。

(2)我公司的125 t電渣爐屬于單相電渣爐,其電極采用單支整體制造,電極直徑達到?1400～1600 mm,因此電極在澆注時,電極產生的偏析需要通過電渣技術進行控制,從而減小電渣錠的成分偏析。

(3)鋼錠錠型達到100 t級別,中心水冷凝固效果會減弱,同時鋼錠的電渣時間長達70 h以上,鋼錠直徑達到2000 mm,長度達到6000 mm,因此無論在鋼錠的橫向還是縱向上,鋼錠的成分偏析傾向增大,造成成分不均勻。

(4)電渣錠在開始重熔時,必須進行造渣,在造渣過程中,部分電極會跟隨渣子的熔化而一起熔化,同時電渣剛開始啟動,電流及電壓不穩定,因此鋼錠底部的成分會受到造渣制度的影響,成分不均勻。

2 主管道主要技術指標

關于華龍一號主管道的化學成分等技術指標,多篇文獻均有報道,其中文獻[10-11]對華龍一號主管道的化學成分給出了確切范圍,同時,其材質為X2CrNiMo 18.12(控氮)。綜合文獻[10-11],華龍一號主管道的化學成分見表1。從表1可看出,華龍一號主管道的C、N等元素僅給定了上限值,但這兩個元素如果控制過低或者不均勻,將會影響產品的力學性能。

表1 化學成分要求(質量分數,%)

3 主管道電渣錠成分偏析控制技術研究

3.1 成分偏析的理論分析

在鋼液凝固過程中,由于選分結晶,許多未溶解元素,特別是非金屬元素(P、S、O、C、H等)不斷在鋼液的凝固前沿的母液中富集,形成不均勻的分布,稱為偏析[12]。

偏析分為微觀偏析和宏觀偏析,我公司百噸級的電渣錠的成分偏析屬于宏觀偏析。根據Fleming方程式[12]：

(1)

解上述微分方程,可得出:

(2)

3.2 電極坯成分偏析控制技術

(1)嚴格控制電極成分內控

根據電渣過程中的成分變化規律,對電極坯提出嚴格的成分內控要求,減小成分波動,降低電渣錠偏析。電極冶煉采用VOD吹氧脫碳技術,同時在停吹氧后,進一步提高真空度并加強氬氣攪拌,達到碳脫氧的目的,精確控制碳含量在0.010%～0.035%;在控制氮含量方面,采用多批次添加氮化合金方法,精確控制氮含量在0.060%～0.080%。

(2)嚴格控制電極澆注溫度

X2CrNiMo 18.12(控氮)的液相線按照式(3)[12]以及表2[12]中相關參數進行計算,其液相線為1460℃?？紤]到鋼水運輸過程的降溫以及適當的澆注過熱度,澆注溫度設計為TL+(50～100)℃。

表2 鋼液中各元素單位質量降低純鐵凝固點的值ΔTB(℃/%)

(3)

式中:TL為液相線溫度(℃);1538為純鐵熔點(℃);ΔTB為鋼液中各元素單位質量降低純鐵凝固熔點的值(℃/%);w[B]為各元素的質量分數(%)。

在電極澆注時,澆注溫度嚴格控制在1510～1560℃,減小鋼液凝固過程中的溫度梯度和熱對流,減小電極澆注時的凝固偏析。

3.3 電渣錠成分偏析控制技術

(1)電極的合理使用

由于電極在凝固時無法避免偏析,因此在電渣時,結合電渣爐具有一定的金屬熔池和電磁攪拌混勻效果以及快速的順序凝固特點,根據電極成分的高低進行合理使用,可以達到相互抵充電極偏析而減輕鋼錠的縱向偏析,同時橫向偏析也得到極大改善。

(2)合適的造渣制度

不僅可以縮短造渣時間,加快渣料熔化,同時可以減小造渣對鋼錠底部的影響?？焖俚膶⒃先刍?而電極盡可能不熔化可以大大減輕底部成分的不均勻性,同時,良好的造渣溫度有利于渣金分離,提高鋼錠的底部成型質量。造渣電壓最大可達(0.6～0.8)D1(D1為結晶器直徑(cm),計算時僅帶入數值)。

(3)合適的電渣熔化制度

根據式(1)～(2)的分析,鋼錠的元素偏析與鋼錠的局部凝固時間密切相關[13]。保證合適的熔化速度,同時提高冷卻速度可以大大減小鋼錠的局部凝固時間,減小成分偏析,進而提高鋼錠質量;因此,從提高冷卻速度的傳熱方面入手,結晶器采用高速水套及導熱極好的優質銅套結構,與此同時,對冷卻水采用內外循環結構,完全避免水的結垢污染,確保傳熱良好,充分發揮電渣技術高速冷卻和快速凝固的天然優勢,獲得了橫向高均勻性鋼錠。

通過理論計算與實踐的結合,同時結合電渣原理[14],推導出了自身工藝技術的水冷制度和電制度的匹配關系,從而可以匹配到合適的電極熔化速度和鋼錠凝固速度,保證鋼錠成分均勻。

電制度:

U=(0.4～0.8)D1

(4)

水冷制度:

Q1=(1.0～1.4)D1

(5)

電制度與水冷制度的關系:

U=(0.29～0.57)Q1

(6)

電極熔化速度:

V1=(8～13)D1

(7)

式中:U為電壓(V);Q1為冷卻水流量(m3/h);V1為電極熔化速率(kg/h);D1為結晶器的直徑(cm),計算時D1僅帶入數值。

(4)使用專有渣系控制技術,降低氮的滲透率,增加氮的穩定性,同時防止增碳,提升鋼錠的成分均勻性。二重在CaF2-Al2O3-CaO基礎渣上添加一些其他的特殊氧化物,形成了自己專有渣系控制技術,極大地增加了碳和氮穩定性,實現了大型電渣重熔鋼錠重熔過程C、N含量穩定精準控制。

(5)采用氬氣和氮氣進行全氣氛保護重熔,同時控制氮氣的比例10%～50%,確保氮氣分壓的穩定性,保證了鋼錠的成分均勻性;同時氮的穩定控制還與送電制度有關,特別是鳴弧情況下,極易增氮,因此為了確保電渣過程穩定,盡量避免高電壓重熔生產。

4 產品生產及取樣驗證方案

采取上述控制技術后,生產了多支百噸級的主管道電渣錠,電渣錠如圖1所示。為了驗證電渣錠的成分均勻性,分別在電極和電渣錠進行取樣,取樣方案如下:

圖1 百噸級華龍一號主管道電渣錠

(1)電極頭尾分別取一塊40 mm厚的試板,其取樣如圖2所示,用以驗證電極的均勻性。

圖2 電極及電渣錠冒口取樣示意圖

(2)在某支百噸級的電渣錠冒口端取一塊40 mm厚的試板,其取樣如圖2所示,同時在電渣錠底端心部鋸切一塊400 mm高的縱剖試板,如圖3進行取樣分析,驗證電渣錠成分的均勻性以及與電極成分的遺傳性。

圖3 電渣錠縱剖取樣示意圖

5 結果及數據分析

5.1 電極碳、氮成分分布情況及分析

對電極頭尾的試樣進行了碳、氮等成分分析,并采用Origin軟件進行等高線分析,分析結果如圖4所示。

(a)電極A (b)電極B

從圖4電極碳、氮成分的等高線分布可以看出:在電極縱向方面,電極冒口端成分均較水口端成分偏高,兩者相差9.8%,氮在兩端的平均相差7.4%;從電極橫截面來看,電極水口端的中心局部的碳、氮均較邊緣低,C的負偏析最大為-12%,N的負偏析最大為-8%,而冒口端的中心局部碳、氮均較邊緣高,C的正偏析最大為21.9%,N的正偏析最大為5%?？煽闯鲭姌O的成分偏析在水冒口位置仍然存在,但得到了一定的控制。

5.2 電渣錠底部縱截面及頂部橫截面碳、氮成分分布

對電渣錠取下來的試樣進行碳、氮等成分分析,并采用Origin軟件進行等高線數據分析,分析結果如圖5～7所示。

圖5 電渣錠底部縱截面碳分布

圖6 電渣錠底部縱截面氮分布

(a)水口端C (b)水口端N

從圖5～7電渣錠的碳、氮成分分布可以看出:

(1)氮偏析情況:無論在電渣錠橫截面還是縱截面,以及對電渣錠的頭部和尾部進行比較,氮的成分十分均勻,氮的正負偏析小于3%。

(2)碳偏析情況:橫截面上均勻,正負偏析小于6%;而縱截面上靠近底部造渣區碳整體平均值略微偏高一點,這與電渣錠啟動和渣料有一定關系,但均在標準要求值范圍內。同時,電渣錠頭尾的成分均十分均勻。

(3)電渣改善了電極遺傳的偏析,電渣錠整體成分均勻,最終保證了主管道產品質量。

6 主管道電渣錠結果對比

與某采用三相電渣爐生產的華龍一號主管道電渣錠頭尾化學成分進行了對比分析,其C、N檢測結果見表3,從表中可看出,我公司的125 t單相氣保電渣爐在控制主管道成分均勻性方面有其獨特的優勢,特別是可以精確控制保護氣氛比列,穩定控制了電渣錠的氮含量。

表3 化學成分對比結果(質量分數,%)

7 結論

(1)電極采用下注錠,無論是碳還是氮均有一定程度的偏析,這符合下注錠的特點,但在嚴格控制澆注溫度等工藝措施下,電極的碳氮偏析得到了一定的控制。

(2)合理使用電極、強化電渣凝固速度等控制技術后,電極的成分偏析在電渣錠上得到了良好的改善。

(3)采用CaF2-Al2O3-CaO為基礎的多元專有渣料配方,極大的增加了碳和氮的穩定性,實現了大型電渣重熔鋼錠重熔過程C、N含量穩定精準控制。

(4)我公司單相電渣爐生產的百噸級華龍一號主管道電渣錠無論在縱向還是橫向上偏析極小,C、N成分均勻可控,保障了主管道性能要求。