(國(guó)核寶鈦鋯業(yè)股份公司，陜西寶雞 721013)

(國(guó)核寶鈦鋯業(yè)股份公司，陜西寶雞 721013)

300兆瓦燃料組件控制棒用0Cr18Ni10Ti不銹鋼導(dǎo)向管及通量測(cè)量管工藝要求在軋制成φ12.91 mm×0.5 mm規(guī)格后，進(jìn)行固溶處理，需要控制加熱溫度和時(shí)間。但是由于系統(tǒng)不能直接控制管材溫度，所以將固溶加工的參數(shù)確定為電流和時(shí)間。并通過設(shè)備工作原理分析和工藝試驗(yàn)驗(yàn)證，得出了加熱溫度、加熱時(shí)間、電流等工藝參數(shù)的較合理匹配值，為其他規(guī)格核用材料的固溶處理提供參考。

0Cr18Ni10Ti;固溶處理;工藝曲線;機(jī)械性能

0 前言

300MW燃料組件控制棒用0Cr18Ni10Ti不銹鋼導(dǎo)向管及通量測(cè)量管工藝要求在軋制成φ12.91 mm×0.5 mm規(guī)格后進(jìn)行固溶處理，使管材組織和成分均勻一致、性能滿足技術(shù)條件要求。0Cr18Ni10Ti為奧氏體不銹鋼，固溶處理是其最有效的軟化處理方式。由于之前對(duì)兩種管材進(jìn)行固溶處理采用簡(jiǎn)易的老式設(shè)備，該設(shè)備不能實(shí)時(shí)控制時(shí)間和溫度，主要由工人根據(jù)對(duì)材料加熱顏色的判斷經(jīng)驗(yàn)來控制加熱溫度和時(shí)間，所以真正的固溶參數(shù)一直難以明確，不能有效地控制產(chǎn)品質(zhì)量。2013年，為了滿足工藝要求，國(guó)核寶鈦鋯業(yè)股份公司管材制造廠通過試驗(yàn)和固溶處理工藝進(jìn)行設(shè)備調(diào)試。

1 工藝分析及固溶設(shè)備調(diào)試

1.1 工藝分析

根據(jù)奧氏體不銹鋼熱處理規(guī)范，固溶處理要求將材料加熱到920～1 150℃左右，保溫一段時(shí)間，使碳化物和各種合金元素充分均勻的溶解于奧氏體中，然后快速淬水冷卻，碳及其他合金元素來不及析出，獲得純奧氏體組織，并使性能達(dá)到國(guó)標(biāo)規(guī)定的要求。國(guó)標(biāo)要求0Cr18Ni10Ti不銹鋼固溶處理機(jī)械性能見表1。

表10 Cr18Ni10Ti不銹鋼固溶處理機(jī)械性能Tab.1Mechanical properties after solution treatment on 0Cr18Ni10Ti stainless steel

根據(jù)產(chǎn)品技術(shù)和加工工藝要求，0Cr18Ni10Ti不銹鋼導(dǎo)向管及通量測(cè)量管在固溶和矯直處理后，產(chǎn)品的加工性能不受影響(矯直使材料受交變載荷，對(duì)機(jī)械性能略有提升，這里不作考慮)，故產(chǎn)品的最終性能即為固溶處理的技術(shù)要求。產(chǎn)品性能要求見表2，固溶參數(shù)的檢測(cè)要求見表3。

表2 導(dǎo)向管及通量測(cè)量管拉伸性能要求Tab.2Tension properties requirements to thimble and flux tube

表3 檢測(cè)要求Tab.3Detecting requirements

由表1、表2性能比較，核用不銹鋼管機(jī)械強(qiáng)度要求均高于國(guó)標(biāo)20 MPa，延伸率低于10%。從工藝角度來說，固溶處理過程實(shí)際上就是管材溫度隨時(shí)間變化的處理過程，可以用溫度-時(shí)間變化曲線來表示，如圖1所示。因此，使外徑φ12.91 mm、壁厚0.5 mm、長(zhǎng)度3 700 mm的0Cr18Ni10Ti不銹鋼管材通過固溶處理，機(jī)械性能達(dá)到表2要求，需明確各段溫度及需要時(shí)間并確定對(duì)應(yīng)的固溶處理工藝。

圖1 固溶處理工藝曲線Fig.1Process curve of solution treatment

1.2 設(shè)備分析

管材制造廠固溶處理設(shè)備在設(shè)計(jì)制造時(shí)，考慮到需固溶的產(chǎn)品為細(xì)長(zhǎng)管材，產(chǎn)量少，設(shè)備使用頻次低，所以選擇了成本較低的電接觸加熱方式。該加熱方式是采用干式單相變壓器電接觸點(diǎn)為一極(電流密度對(duì)接觸部位的影響不在此詳細(xì)論述)，活動(dòng)小車為另一極，通過低電壓、大電流的電熱效應(yīng)加熱管材。電流熱效應(yīng)根據(jù)焦耳定律

式中，Q為發(fā)熱量，J;I為次級(jí)電流，A;R為被加熱材料電阻，Ω;t為加熱時(shí)間，s。

管材加熱到一定溫度所需的理論熱量為

式中，QL為理論需要熱量，J;C為被加熱管材比熱，J/(g·℃);Г為被加熱管材比重，g/ cm3;L為被加熱管材長(zhǎng)度，cm;S為被加熱管材的截面積，cm2;t終為加熱的終止溫度，℃; t起為加熱的起始溫度，℃。

由式(1)、(2)可知，設(shè)備加熱電流與加熱溫度關(guān)系為

式中，ρ為被加熱管材電阻率。

公式(1)～(3)中I、C、R幾個(gè)參數(shù)是隨溫度的變化而變化的。隨加熱溫度的升高，電流逐漸下降，電阻和比熱逐漸上升，電阻和電阻率與長(zhǎng)度成正比，和截面積成反比。參數(shù)隨溫度的變化給工藝確定帶來一定的難度。同時(shí)，由于管材在加熱過程中散熱、變壓器和線路損耗等因素，也使設(shè)備加熱到控制溫度所需實(shí)際熱量大于理論熱量QL。

為了快速得到被加熱工件表面實(shí)時(shí)溫度，固溶設(shè)備測(cè)溫系統(tǒng)采用性能較好的德國(guó)歐普士系統(tǒng)，測(cè)量溫度與工件實(shí)際溫度仍存在誤差。誤差包括輻射測(cè)溫儀器本身誤差，還有被測(cè)材料表面粗糙度、工作現(xiàn)場(chǎng)灰塵、材料表面不潔凈產(chǎn)生的加熱煙霧等客觀環(huán)境因素影響的測(cè)量誤差，使測(cè)量溫度不足以作為工藝參數(shù)進(jìn)行鑒定。C、R雖然隨溫度上升而變化，但在保溫溫度下可視為定值，電流I及時(shí)間t是決定工件溫度的直接因素，可嚴(yán)格控制，因此，設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)以加熱電流和時(shí)間作為控制參數(shù)?？紤]到電流及時(shí)間均對(duì)管材溫度呈正影響關(guān)系，即電流大、時(shí)間長(zhǎng)均會(huì)造成管材溫度上升，因此在測(cè)試時(shí)需要確定最大電流/最長(zhǎng)時(shí)間和最小電流/最短時(shí)間。

1.3 實(shí)驗(yàn)研究

為了給固溶工藝提供理論依據(jù)，了解加熱過程中各參數(shù)及相互間關(guān)系非常重要。電加熱過程中主要參數(shù)有管材直徑(截面)、長(zhǎng)度、電阻率、加熱電流、電壓、時(shí)間等。如何合理使用設(shè)備，使溫度在短時(shí)間內(nèi)得到控制及各參數(shù)達(dá)到較好匹配，就需對(duì)各參數(shù)的相互關(guān)系進(jìn)行分析研究。

1.3.1 電流和加熱溫度

當(dāng)管材材料、規(guī)格、環(huán)境起始溫度和加熱時(shí)間一定時(shí)，任一電流下，電阻率、比熱均為定值，則式(3)簡(jiǎn)化為:I2=at終+b，其中a、b為常數(shù)，即電流平方和加熱溫度成線性關(guān)系。通過試驗(yàn)，實(shí)際電阻率在一定范圍內(nèi)隨溫度變化呈線性上升，通過數(shù)據(jù)擬合確定其規(guī)律仍接近線性，如圖2所示。

圖2 電流平方與溫度關(guān)系Fig.2Current squared V.S.temperature

1.3.2 起始電流和電壓

起始電流和電壓呈正線性關(guān)系，如圖3所示。為了較快速的使管材從冷態(tài)達(dá)到熱態(tài)，可根據(jù)不同直徑管材使用不同的起始電流和電壓。使設(shè)備達(dá)到適宜的起始電流，縮短加熱時(shí)間。

圖3 起始電流和電壓關(guān)系Fig.3Start current V.S.voltage

1.3.3 管材長(zhǎng)度、規(guī)格、加熱電流和加熱時(shí)間

管材長(zhǎng)度和加熱時(shí)間成正線性關(guān)系，如圖4所示;起始電流和加熱時(shí)間成負(fù)相關(guān)線性關(guān)系，如圖5所示。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

在加熱過程中，隨著加熱時(shí)間延長(zhǎng)，工件溫度上升，電阻增大，電流降低。要滿足圖1所示穩(wěn)定的固溶處理工藝曲線，使被加熱管材加熱至工藝溫度范圍內(nèi)，并進(jìn)行均熱保溫。設(shè)備必須具有一定的自動(dòng)補(bǔ)償功能，可以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電流，使工件持續(xù)達(dá)到工藝溫度。

為了提高效率，得到升溫快速的特性，起始電流要求較高，當(dāng)溫度升至工藝要求后，為了得到恒溫特性，需快速降至保溫電流進(jìn)行保溫。設(shè)備輸入的工藝電流曲線如圖6所示。

圖6 工藝電流曲線Fig.6Process current curve

通過試驗(yàn)，設(shè)備的電流切換需要大約2 s，保溫到后可使管材自由落體至水中需要1 s。所以制定工藝需確定t1、t2、t4的工作時(shí)間。

由于核用不銹鋼管的機(jī)械強(qiáng)度要求高于國(guó)標(biāo)，所以需對(duì)國(guó)標(biāo)認(rèn)可的工藝溫度920～1 150℃進(jìn)行驗(yàn)證，確定什么工藝曲線適合于核用不銹鋼管材的固溶處理，同時(shí)滿足后續(xù)工序的加工。

經(jīng)過大量試驗(yàn)后，對(duì)外徑φ12.91 mm×0.5 mm×3 700 mm、0Cr18Ni10Ti不銹鋼導(dǎo)向管及通量測(cè)量管，選定電流-時(shí)間90A-75A/19s、90A-65A/17s為最大最小參數(shù)，并取16支管材進(jìn)行驗(yàn)證。固溶處理輸入設(shè)備的電流-時(shí)間工藝曲線為圖7、圖8，測(cè)量數(shù)據(jù)見表4，性能結(jié)果見表5，滿足工藝要求。對(duì)應(yīng)的溫度-時(shí)間曲線如圖9所示。當(dāng)定尺長(zhǎng)度改變后，需要依據(jù)圖4的曲線關(guān)系適當(dāng)延長(zhǎng)或縮短各段加熱時(shí)間。

圖8 最小鑒定曲線Fig.8Minimum parameter curve

表4 成品管材固溶處理測(cè)量記錄Tab.4Temperature of solution treatmenting final tube

表5 成品管材(固溶、矯直后)高溫拉伸檢測(cè)結(jié)果Tab.5Detecting result of high temperature tensiling final tube(after solid fusing and staightening)

結(jié)果分析:將高溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果與產(chǎn)品技術(shù)要求對(duì)比，90A-75A/19s與90A-65A/17s固溶制度下的管材經(jīng)矯直后高溫拉伸結(jié)果均滿足合格標(biāo)準(zhǔn)。

圖9 滿足工藝要求的溫度-時(shí)間曲線Fig.9Temperature-time curve of meet to process requirement

外徑φ12.91 mm×0.5 mm×3 700 mm、0Cr18Ni10Ti不銹鋼導(dǎo)向管及通量推薦工藝曲線如圖9所示。從表4中測(cè)量?jī)x器的顯示溫度可知，在滿足產(chǎn)品性能符合技術(shù)條件要求的情況下，溫度測(cè)量的值波動(dòng)很大，在90A-75A/19s制度下，波動(dòng)67℃，在90A-65A/17s制度下，波動(dòng)48℃，測(cè)量誤差大，不能指導(dǎo)系統(tǒng)控制，所以最終將固溶加工的參數(shù)確定為電流和時(shí)間。

3 結(jié)論

(1)通過對(duì)300 MW燃料組件控制棒用0Cr18Ni10Ti不銹鋼導(dǎo)向管及通量測(cè)量管技術(shù)要求和工藝分析，得出其固溶處理工序工藝要求，并對(duì)電接觸加熱式固溶設(shè)備進(jìn)行研究，使其滿足了工藝要求;

(2)通過試驗(yàn)，得出外徑φ12．91 mm×0．5 mm×3 700 mm、0Cr18Ni10Ti不銹鋼導(dǎo)向管及通量測(cè)量管的電流-時(shí)間曲線:最大90A-75A/19s、最小90A-65A/17s;

(3)采用該固溶處理工藝生產(chǎn)的不銹鋼導(dǎo)向管，滿足批量生產(chǎn)要求。同時(shí)，可通過機(jī)械調(diào)試優(yōu)化工藝參數(shù)，減小固溶處理對(duì)成品管材外徑變化量的影響;

(4)經(jīng)過設(shè)備工作原理分析和工藝試驗(yàn)驗(yàn)證，得出了加熱溫度、加熱時(shí)間、電流等工藝參數(shù)的較合理匹配值，為其他規(guī)格核用材料的固溶處理提供參考。

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0Cr18Ni10Ti不銹鋼導(dǎo)向管固溶處理設(shè)備和工藝研究

劉杰，崔衛(wèi)東，王建平，王立忠

Research of equipment and technics for solution treatment on 0Cr18Ni10Ti stainless steel thimble and flux tube

LIU Jie，CUI Wei-dong，WANG Jian-ping，WANG Li-zhong
(State Nuclear Baoti Zirconium Industry Company，Baoji 721013，China)

0Cr18Ni10Ti stainless steel thimble and flux tube，used for 300 MW fuel assembly control rod，are solution treated after rolling to φ12.91mm×0.5mm.Heating temperature and time should be controlled during solution treatment.Because the system can't directly control the tube temperature，so current and time is determined as parameter of solution treatment.An appropriate matching parameters such as heating temperature，time and current are obtained，through analysing working principle of equipment and verifying technical experiment.It provides reference for solution treatment of other specifications nuclear materials.

0Cr18Ni10Ti;solution treatment;process curve;mechanical property

TK223.1

A

1001-196X(2014)05-0033-05

2014-04-28;

2014-05-20

劉杰(1979-)，男，國(guó)核寶鈦鋯業(yè)股份公司工程師。