向大林 辜榮如

(浙江電渣核材有限公司，浙江314305)

生產(chǎn)技術(shù)

CAP1400主管道用112 t電渣錠研制

向大林 辜榮如

(浙江電渣核材有限公司，浙江314305)

利用自主研發(fā)的大型電渣技術(shù)，生產(chǎn)出CAP1400主管道用超低碳控氮不銹鋼SA376 TP316LN 112 t電渣錠。電渣重熔的關(guān)鍵則是有效保證超低碳氮含量、高純凈度和高均勻性。

CAP1400主管道;SA376 TP316LN;電渣錠

CAP1400屬于國家科技重大專項，是在消化、吸收、全面掌握引進的第三代核電技術(shù)AP1000的基礎(chǔ)上，通過再創(chuàng)新開發(fā)形成具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的、功率更大的壓水堆核電技術(shù)品牌，是我國第三代核電技術(shù)自主創(chuàng)新的標(biāo)志，也是我國建設(shè)創(chuàng)新型國家的標(biāo)志性工程之一。CAP1400主管道和AP1000主管道一樣，要采用超低碳控氮不銹鋼電渣錠整體鍛造。AP1000主管道用電渣錠重70多噸，與AP1000相比，CAP1400主管道的流道面積擴大了30%，所需電渣錠在110 t以上。

電渣錠從70 t到115 t，這不是一個簡單的數(shù)量增加。鋼錠尺寸的擴大和重量的增加使得很多設(shè)備和工藝因素復(fù)雜化，以致保證巨型鋼錠的高品質(zhì)，特別是保證巨型核級高合金鋼錠的高品質(zhì)一直是現(xiàn)代冶金技術(shù)的難題。

浙江電渣核材有限公司在深入總結(jié)17根、總重1 000 t的AP1000主管道電渣錠生產(chǎn)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合新建的130 t電渣爐的具體實際［2］，在熔煉工藝和冶金質(zhì)量控制各方面，進行了一系列卓有成效的開創(chuàng)性工作，于2012年12月一次成功生產(chǎn)出世界上第一根高品質(zhì)CAP1400主管道用112 t超低碳控氮不銹鋼(SA376 TP316LN)電渣錠。圖1是鋼錠出爐時的照片。

1 關(guān)鍵技術(shù)

1.1 高質(zhì)量自耗電極控制技術(shù)

圖1 CAP1400主管道112 t電渣錠Figure 1 112 t ESR ingot for CAP1400 main pipe

高質(zhì)量的自耗電極是生產(chǎn)高品質(zhì)電渣錠的前提。對于難度很高的CAP14000主管道112 t電渣錠用核級超低碳控氮不銹鋼自耗電極的質(zhì)量控制，采取了包括應(yīng)用專利技術(shù)［3］、電極質(zhì)量控制專有技術(shù)等在內(nèi)的一系列有效可靠措施。

電極的原材料經(jīng)過精心挑選，廢鋼用原生廢鋼(寶鋼高爐鐵水鋼邊角料)和進口高純廢鋼(艦艇板邊角料)，合金料用金川一號鎳、巴西鎳和金屬鉻，確保低P、低Co、低Cu、低微量元素含量。

電極成分按質(zhì)量專有技術(shù)設(shè)計控制，由EAF提供粗煉鋼水，采用德國進口的VODC精煉。VODC技術(shù)有以下特點:

(1)VODC是對VOD的改進，其主要特點是爐頂不是直的而是有個轉(zhuǎn)角，吹煉沸騰噴濺的鋼、渣在轉(zhuǎn)角處，不在爐蓋上。而且爐子加高了1.4 m～1.8 m，自由空間大，噴濺不致粘住爐蓋。因此，可有更大的脫碳量，達0.6%～1.2%(VOD的脫碳量一般為0.2%～0.5%，不能再大，去夾雜有限，否則吹煉過程中鋼、渣噴濺在爐蓋上會粘住鋼包)。也就是說，VODC可把C從0.6%～1.2%脫到0.02%以下，而且脫碳速度快，脫碳過程可以自由控制，不僅夾雜物去除徹底，鋼的純凈度高，而且化學(xué)熱充足，不需要補償熱量。這批自耗電極熔煉，粗煉脫碳量為0.4%，精煉脫碳量在0.8%以上。

(2)VODC在真空吹氧脫碳的高真空條件下，還具有VCD功能(10 min左右)。VCD功能使鋼水在高真空底吹A(chǔ)r的條件下碳脫氧，脫氧產(chǎn)物是CO氣體，鋼的冶金質(zhì)量要比VOD更勝一籌。這批自耗電極熔煉VCD時間長達15 min。

(3)VODC的VD功能使鋼水在高真空底吹A(chǔ)r的條件下脫氣，［H］可達到1×10-6。在VD過程中，吹A(chǔ)r劇烈沸騰也不要緊，不會造成爐蓋被粘住。

自耗電極模是精心設(shè)計的專用金屬模，熱模澆鑄，微C絕熱板冒口，模中懸吊低熔點無C保護渣，電極澆鑄前中注管通Ar，澆鑄過程中，水口以下、中注管喇叭口以上采用雙環(huán)Ar保護。補縮前加入高發(fā)熱量的微C覆蓋劑。補縮時間為錠身澆鑄時間的2/3以上。因此冒口密實飽滿平整無縮孔，電極內(nèi)也無縮孔(圖2)。

電極表面質(zhì)量優(yōu)良(圖3)，對于不銹鋼，達到如此優(yōu)良的表面質(zhì)量還不多。對于電極成分，本公司進行了兩次復(fù)驗，一次是電極澆鑄時取樣，一次是電極本體取樣，還專門送國家標(biāo)準(zhǔn)件產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心、上海材料研究所進行了復(fù)驗。四次復(fù)驗表明，電極成分控制準(zhǔn)確，各爐成分彼此接近，具體見表1、表2。由表1、表2可知，電極中P、Co、Cu、H及微量元素含量都極低。

圖2 自耗電極冒口(電極余頭)Figure 2 Consumable electrode risers(residual electrodes)

圖3 待重熔的自耗電極Figure 3 Consumable electrodes to be remelted

表1 自耗電極成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%) Table 1 Chem ical com position of consumable electrode(mass fraction，%)

表2 自耗電極中微量元素含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%) Table 2 Contents ofm icroelement in consumable electrode(mass fraction，%)

1.2 超低碳的保證

雖然，在奧氏體不銹鋼中，碳能強烈形成并穩(wěn)定奧氏體且擴大奧氏體區(qū)，還可通過固溶強化顯著提高它的強度。但是，碳通常被視為奧氏體不銹鋼的頭號有害元素，因為碳和鉻的親和力很大，它能與鉻形成高鉻的Cr23C6型碳化物，導(dǎo)致晶界鉻的貧化，降低耐晶間腐蝕性能，增大點腐蝕傾向。超低碳奧氏體不銹鋼中的碳一般為≤0.035%，而CAP1400主管道用超低碳奧氏體不銹鋼的碳要求更為苛刻:≤0.020%。

通過VODC深脫碳，自耗電極中的碳都在0.015%左右。重熔如此超低碳鋼種，極容易發(fā)生增碳，稍有不慎，就會導(dǎo)致增碳出格報廢。生產(chǎn)過程中，在電極清理、渣料凈化、啟動方法、造渣工藝、脫氧制度等方面采取了特殊措施，重熔全過程始終沒有發(fā)生明顯增碳，而且鋼錠底部表面質(zhì)量良好。重熔SA376TP316LN 110 t電渣錠的電極及電渣錠上、中、下部的碳含量變化如表3所示。

1.3 氮含量的保證

強度和耐蝕性是不銹鋼最重要的性能指標(biāo)，承載和輸送高溫、高壓、高流速、含放射性物質(zhì)冷卻劑的主管道的強度和耐蝕性就更為重要。在［C］≤0.020%的SA376 TP316LN中，氮代替碳的作用，很強烈地形成并穩(wěn)定奧氏體且擴大奧氏體區(qū)，提高鎳當(dāng)量，降低鋼中的鐵素體含量，降低熱加工中的裂紋敏感性;氮形成間隙式固溶體，在顯著提高其常溫及高溫強度的同時又不降低材料的塑韌性;作為改善耐蝕性的元素，氮的加入提高了SA376 TP316LN的抗敏化性能，從而改善了耐晶間腐蝕性能，還能抑制點蝕的發(fā)生和蝕孔內(nèi)金屬的溶出速度，改善局部腐蝕性能，提高抗蠕變、疲勞、磨損能力。

在 SA376 TP316LN中，［N］=(0.10～0.16)%，氮含量范圍狹窄，介于控氮型與中氮型之間，旨在提高強度又具有優(yōu)良的耐蝕性。因此，在電渣重熔SA376 TP316LN過程中避免氮的逃逸很重要。雖然氮在鐵-鉻-鎳奧氏體中的溶解度甚高，但也必須在電極要求、熔煉參數(shù)、脫氧制度等方面采取一定的保氮措施，電渣重熔才能達到理想的保氮結(jié)果。重熔SA376TP316LN 110 t電渣錠的電極及電渣錠上、中、下部的氮含量變化如表4所示。

1.4 高純凈度控制

純凈度是當(dāng)今世界大鋼錠制造的兩大冶金質(zhì)量難題之一。高鉻鋼水粘度較大，要注意夾雜物的分離。特別是，含氮鋼種要注意盡量防止氮化物夾雜。在鐵-鉻-鎳奧氏體中氮的溶解度很高，但重熔工藝失當(dāng)，仍然會導(dǎo)致氮化物夾雜偏高，氮化物會使鋼的塑性和韌性降低，惡化熱加工性能。因此，必須在電極的制備、渣系的選擇、重熔工藝參數(shù)、脫氧制度等方面嚴(yán)防氮化物夾雜。

表3 電極和電渣錠中的C含量變化(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 3 Change of C content in electrodes and ESR ingot(mass fraction，%)

表4 電極和電渣錠中的N含量變化(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 4 Change of N content in electrodes and ESR ingot(mass fraction，%)

SA376TP316LN 110 t電渣錠自耗電極熔煉，盡管采用了強制脫氧措施，但由于C＜0.020%的超低碳鋼，與之平衡的氧含量高，電極中的氧含量仍在(48～92)×10-6之間。經(jīng)電渣工藝強烈精煉，鋼中的氧下降到了24×10-6。如上所述，重熔前后氮含量沒有發(fā)生變化，因此，SA376TP316LN 110 t電渣錠不但氧凈度達到了很高的水平，氮化物夾雜也得到了有效控制。

1.5 有害微量元素控制

核電用鋼必須具有優(yōu)良的抗輻照性能。主管道直接承載和輸送高溫、高壓、高流速、含有放射性物質(zhì)的一回路冷卻劑，承受著一定能量的中子輻照。這將引起鋼的結(jié)構(gòu)的改變，晶格內(nèi)原子發(fā)生位移，使晶格內(nèi)出現(xiàn)空位和間隙，形成晶格缺陷，導(dǎo)致鋼的力學(xué)性能惡化，最嚴(yán)重的影響是產(chǎn)生輻照脆化現(xiàn)象，使鋼的沖擊韌性下降，發(fā)生脆性斷裂。

對微量元素和雜質(zhì)元素加以嚴(yán)格控制，對中子輻照敏感的一些痕跡元素也不忽視，是改善核電用鋼輻照脆化性能的有效途徑。P、Co、Cu是中子輻照脆化敏感元素，P在晶界吸附還引起晶間腐蝕。眾所周知，冶煉高鉻鎳不銹鋼獲得低P、低Co極其困難，必須在原材料和造渣制度方面采取有效措施。

SA376TP316LN的熱加工抗力較大，Cu、Sb、Sn、As、Pb、Zn、Bi均為低熔點元素，凝固的選分結(jié)晶使其產(chǎn)生嚴(yán)重偏析，影響熱塑性，在高溫加熱過程中產(chǎn)生富集，形成應(yīng)力源。在奧氏體單相區(qū)，高溫下固溶的Nb、V、Ti、Al等以氮化物形式沿晶界析出，從而在晶界形成應(yīng)力集中源。這些將會導(dǎo)致產(chǎn)生鍛造裂紋，降低焊接性能和力學(xué)性能，甚至?xí)a(chǎn)生災(zāi)難性影響。雖然，產(chǎn)品和客戶并未對CAP1400主管道用SA376TP316LN 112 t電渣錠的微量元素提出要求，但我們?nèi)匀粡碾姌O開始就對微量元素進行嚴(yán)格控制，經(jīng)電渣重熔后鋼中極低的微量元素含量與電極保持一致，分析結(jié)果如表5所示。

表5 電渣錠中的微量元素(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 5 M icroelement content of ESR ingot(mass fraction，%)

表6 電渣錠上、中、下部的化學(xué)成分變化(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 6 Change of chem ical com position of top，m iddle and bottom of ESR ingot(mass fraction，%)

1.6 高均勻性控制

均勻性是當(dāng)今世界大鋼錠制造的另一大冶金質(zhì)量難題。SA376 TP316LN的合金含量超過30%，電渣錠的直徑達2 m，加之重熔時間長達兩個晝夜。因此，既要注意控制高合金含量的大截面的凝固偏析以獲得高的橫向均勻性，又要注意在長達兩個晝夜的重熔期間控制合金元素的燒損以獲得高的縱向均勻性。

鋼錠的偏析取決于凝固冷卻速度，從提高冷卻速度的傳熱入手，對結(jié)晶器結(jié)構(gòu)形式設(shè)計及結(jié)晶器選材都進行了反復(fù)比較，精益求精，以充分發(fā)揮電渣技術(shù)高速冷卻快速凝固的優(yōu)勢。在電極組配、渣系選擇、熔渣堿度及氧化性的控制、重熔工藝、脫氧工藝等方面，充分應(yīng)用了專利技術(shù)［3～5］和相應(yīng)的專有技術(shù)，措施周密可靠，在長達兩個晝夜的重熔過程中，爐渣始終保持白色，(FeO)始終在0.5%以下，合金元素特別是易氧化合金元素控制穩(wěn)定，在重熔全過程保持均勻燒損獲得了縱向高均勻性。

SA376TP316LN 112 t電渣錠上、中、下部的化學(xué)成分變化如表6所示。

1.7 低氫控制

氫在鋼中會造成多種嚴(yán)重缺陷。在大氣條件下進行的電渣重熔容易增氫，大型電渣錠熔煉時間長達數(shù)十小時，特別是在南方沿海，空氣濕度高達30 g/m3以上，使低氫控制極其困難。雖然氫在超低碳、高鉻、高鎳的奧氏體中溶解度較高，SA376TP316LN對氫不敏感，但使電渣錠中的氫含量保持盡可能低仍然是很有意義的事。

依據(jù)電渣冶金原理，從電渣重熔過程氫在氣/渣/鋼三相反應(yīng)中的行為入手，通過電極處理技術(shù)、渣的選擇及處理技術(shù)、啟動技術(shù)、保護熔煉技術(shù)等專利技術(shù)［2、3、5］和相應(yīng)的專有技術(shù)，控制渣池中的氫和爐氣中的含濕量，有效地控制了重熔過程增氫。在SA376TP316LN 112 t電渣錠重熔過程中，爐內(nèi)濕度始終保持＜1 g/m3，電渣錠中的氫含量＜2×10-6，與電極中的氫含量保持一致。

2 結(jié)論

核電仍是我國能源發(fā)展戰(zhàn)略的重點，是化解資源與環(huán)境約束的有效途徑，但是，核電的安全可靠性將不斷提升。

對于CAP1400主管道鍛件來說，最佳的選擇是采用電渣錠制造。

我國的大型電渣重熔技術(shù)在世界上一直處于領(lǐng)先地位［6～13］，浙江電渣核材有限公司的130 t電渣爐，是在國內(nèi)外百噸以上電渣技術(shù)最新發(fā)展的高起點上自主創(chuàng)新設(shè)計和研發(fā)的工藝技術(shù)。112 t CAP1400主管道鍛件用電渣錠試制成功，熔煉工藝先進。目前，我們已具有年產(chǎn)至少8套第三代核電主管道、堆內(nèi)構(gòu)件以及超超臨界轉(zhuǎn)子用電渣錠和單重40 t～100 t的航母用大寬厚高強度板坯6 000 t的能力。這對于緩解我國高端大鍛件材料緊缺的突出矛盾，增強對國家重大需求的保障能力，促進核電產(chǎn)業(yè)的自主化發(fā)展都具有重大意義。

［1］ 向大林，辜榮如，等.130t電渣爐的技術(shù)特點.大型鑄鍛件，2014(4).

［2］ 向大林，辜榮如，等.電渣重熔爐.中國發(fā)明專利.CN 201310069507.8.

［3］ 向大林，辜榮如.一種多個小爐生產(chǎn)大型鋼錠的電渣重熔法.中國發(fā)明專利.CN 201210247584.3.

［4］ 向大林，辜榮如.一種電渣鋼殘余鋁的控制方法.中國發(fā)明專利.CN 201210252479.9.

［5］ 向大林，辜榮如.一種電渣重熔的低氫控制方法.中國發(fā)明專利.CN 201210252486.9.

［6］ Xiang Dalin，et al.Controlling Metallurgical Quality in the200t ESR Installation.Proc.10th International Conference on Vacuum Metallurgy，1990，226-246.

［7］ 向大林，等.用于制造600MW汽輪機低壓轉(zhuǎn)子的180噸電渣錠生產(chǎn).鋼鐵，1999，34(12):23-26.

［8］ 向大林.200噸級電渣爐的技術(shù)特點和產(chǎn)品評價.大型鑄鍛件，2004(3):49-54.

［9］ 向大林.大型電渣重熔值得注意的幾個問題.大型鑄鍛件，2011(1):26-33.

［10］ 向大林.中國大型電渣技術(shù)在世界上的領(lǐng)先地位.中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2012，6(221):83-84.

［11］ 向大林，等.核安全一級閥超低碳不銹鋼鍛件研制.大型鑄鍛件，1999(1):21-27.

［12］ 向大林，等.含Ti不銹鋼大鍛件研制.大型鑄鍛件，2002 (3):1-4，12.

［13］ 向大林，等.快堆工程用不銹鋼核電鍛件研制.大型鑄鍛件，2003(2):6-10.

編輯 肖紅原

Development of 112 t ESR Ingot for CAP1400 Main Pipe

Xiang Dalin，Gu Rongru

Bymeans of independently developed heavy ESR remelting technology，112 t ESR ingotof ultra-low C，N-controlled stainless steel SA376 TP316LN for CAP1400 main pipe is produced.The critical points of ESR remelting are to guarantee thatN contents ofultra-low C，and to ensure the high cleanliness and high homogeneity of the product.

CAP1400 main pipe;SA376 TP316LN;ESR ingot

TG156.3

B

2013—08—02