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,主要規格為厚度76 ~90 mm,最大單重為19 t。根據RCC-M標準規定,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。

本文系統介紹了某核電項目開發的安注箱用超厚超重Z2CN19 - 10(N)奧氏體不銹鋼板材的生產工藝路徑、關鍵技術和產品實物質量。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熱劑的使用量。大型不銹鋼模鑄錠由于偏析嚴重,易產生裂紋,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,發現夾雜物在不同厚度位置分布沒有明顯規律,夾雜物尺寸也相對較小,以顆粒環狀和不連續的長條狀為主。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,并已經取代國外進口產品,用于制造國內核電站安注箱和一些支撐件。該鋼種超厚超重規格的開發,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設備的國產化打下良好的基礎。