核電站蒸發(fā)器筒體電熔成形方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種核電站蒸發(fā)器筒體電熔成形方法。
【背景技術(shù)】
[0002]蒸汽發(fā)生器是核電站一回路系統(tǒng)中核心設(shè)備之一，是二回路冷卻水經(jīng)一回路高壓水換熱后蒸發(fā)為蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)做功實(shí)現(xiàn)發(fā)電的關(guān)鍵構(gòu)件，是一二回路熱力換轉(zhuǎn)的樞紐。在核電一回路系統(tǒng)中，蒸發(fā)器設(shè)備最重(典型AP1000容器總重600噸位)，尺寸最大(AP1000上部容器筒節(jié)直徑5米多，容器總高20米以上)，外加嚴(yán)苛的工作環(huán)境和愈發(fā)極致的安全要求，因此對(duì)設(shè)備材料及制備工藝要求愈來(lái)愈高。
[0003]目前蒸發(fā)器材料選用低合金高強(qiáng)度鋼(ASME標(biāo)準(zhǔn)SA508Gr3C12，RCC-M標(biāo)準(zhǔn)18MnD5,中國(guó)對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)20MnMoNi)，基于鋼錠冶煉和鍛造工藝技術(shù)限制要求，通過(guò)分段進(jìn)行鍛造和熱處理操作制備而成.后續(xù)通過(guò)將分段制備的構(gòu)件材料組焊而成容器整體。以AP1000為例，整個(gè)蒸發(fā)器容器分為9-11個(gè)材料構(gòu)件，其中筒體部件分6個(gè)部分(上筒節(jié)2個(gè)，錐形段I個(gè)，下筒節(jié)3個(gè))，各部分單獨(dú)制造后再整體組焊。
[0004]典型材料在鍛造基礎(chǔ)上經(jīng)受淬火回火熱處理(一般中間還要經(jīng)受一次甚至以上的正火回火熱處理，用以擴(kuò)散殘氫，細(xì)化晶粒，為最終熱處理作準(zhǔn)備)，可以獲取強(qiáng)度和韌性綜合性能優(yōu)越的回火馬氏體材料組織。此方法在生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用，也能夠滿足質(zhì)量要求，但對(duì)于逐漸增大的材料部件單體的需求，鍛造尤其是熱處理時(shí)容易出現(xiàn)宏觀材料相組織很不均勻等問(wèn)題.工藝復(fù)雜、化學(xué)與力學(xué)性能控制難度大，也造成質(zhì)量穩(wěn)定性差，廢品率高。同時(shí)從該工藝最終的晶粒測(cè)度結(jié)果看，一般只在5-7級(jí)左右，對(duì)目前研發(fā)生產(chǎn)中所希望的通過(guò)進(jìn)一步細(xì)化晶粒來(lái)提高力學(xué)性能尤其是強(qiáng)度和韌性綜合性能的目的，該工藝有很大的瓶頸。
[0005]另外，蒸發(fā)器設(shè)備所采用的分段材料鍛制并拼焊組成的方式，也因?yàn)楹缚p的增加嚴(yán)重割裂了機(jī)械纖維的連續(xù)走向，極大的影響材料的力學(xué)性能和容器設(shè)備的安全性.并且也極易引起制造工期拖延，增加了成本。
[0006]因此，如何能夠研發(fā)出蒸發(fā)器所需的細(xì)晶粒、均組織，且綜合力學(xué)性能良好的材料和整體成形方法是該類新材料研發(fā)需攻克的難點(diǎn)和重要發(fā)展方向。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于，提供一種高效、低成本、具有良好力學(xué)性能的核電站蒸發(fā)器筒體電熔成形方法。
[0008]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的核電站蒸發(fā)器筒體電熔成形方法是采用電弧熱、電阻熱、電渣熱復(fù)合而成的高能熱源，熔化連續(xù)輸送的金屬原料絲材，在基材上逐層凝固堆積成形制造金屬構(gòu)件；
[0009]將電熔頭與基材接至電源兩極，成形時(shí)金屬原料絲材經(jīng)由輸送機(jī)構(gòu)和電熔頭送至基材表面，在顆粒狀輔料的堆積保護(hù)下，原料絲材與基材間產(chǎn)生電弧，熔化部分堆敷輔料形成熔融渣池，電流流過(guò)原料絲材和熔融輔料渣池形成電阻熱和電渣熱，在電弧熱、電阻熱、電渣熱三種熱復(fù)合高能熱源作用下使原料絲材熔化，在基材表面形成局部熔池，持續(xù)輸送原料絲材與輔料，根據(jù)成形構(gòu)件的分層切片數(shù)據(jù)，采用計(jì)算機(jī)控制電熔頭與基材的相對(duì)移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)熔池在基材上快速冷卻逐層凝固堆積，最終成形核電站蒸發(fā)器筒體。
[0010]在本發(fā)明中，根據(jù)不同核電機(jī)組要求，成形的蒸發(fā)器筒體直徑3-6米，長(zhǎng)度2-18米，可以是成形上部筒體，或下部筒體，或上部筒體連錐形段，或下部筒體連錐形段，或上部筒體連錐形段連下部筒體。
[0011]在本發(fā)明中，成形所用原料絲材是為蒸發(fā)器構(gòu)件而特殊制備的低合金鋼材料，原料絲材直徑2-10mm，C含量0.11-0.15%，成形后工件C含量0.05-0.10%，工件晶粒度9-10級(jí)。
[0012]在本發(fā)明中，電源參數(shù)中的電流為200A?3000A，電壓為20V?60V，電源可以是直流或交流電源，在使用直流電源時(shí)，電熔頭可接正極或負(fù)極。
[0013]在本發(fā)明中，控制基材或堆積金屬預(yù)熱與層間溫度為120?450°C，電熔頭與基材的相對(duì)移動(dòng)速度為300?800mm/min，實(shí)現(xiàn)熔池的快速凝固，從而獲得晶粒細(xì)密、無(wú)宏觀偏析、組織均勻的材料，極大的改善成形工件的塑性、韌性和高溫蠕變等力學(xué)性能。
[0014]在本發(fā)明中，在逐層成形的過(guò)程中，原料絲在下層金屬表面形成熔池，熔滴以射流形態(tài)進(jìn)入熔池后凝固使兩層金屬形成一體，實(shí)現(xiàn)分層成形，整體融合，保證了成形金屬構(gòu)件的整體性能。
[0015]在本發(fā)明中，單個(gè)電熔頭對(duì)原料絲材熔化效率為20?50Kg/h，另外為提高堆積效率實(shí)現(xiàn)快速成形，電熔頭的數(shù)量可以按需要調(diào)整為I?100個(gè)，當(dāng)多電熔頭排布時(shí)，相鄰電恪頭間距為50?500mm。
[0016]在本發(fā)明中，所述基材可以為圓筒狀或圓柱狀，壁厚不小于5mm。(其軸線)水平配置，通過(guò)控制基材的轉(zhuǎn)動(dòng)以及電熔頭在基材軸向和徑向上的相對(duì)移動(dòng)實(shí)現(xiàn)逐層堆積?；目梢允?08不銹鋼材料或者是碳鋼或合金鋼材料，當(dāng)為308不銹鋼材料時(shí)，可作為異種材料連接合成工件，為碳鋼或合金鋼材料時(shí)可在后續(xù)機(jī)加工中去除。
[0017]本發(fā)明擺脫了復(fù)雜的工裝、模具和專用工具的約束；成形即為近凈形坯件，生產(chǎn)后只需少量精加工，大大簡(jiǎn)化加工工序，縮短產(chǎn)品周期；所成形工件具有媲美傳統(tǒng)鍛造工藝的力學(xué)和化學(xué)性能，強(qiáng)度、韌性、耐蝕等性能均十分突出；同時(shí)實(shí)現(xiàn)了蒸發(fā)器筒體的整體成形，突破了傳統(tǒng)鍛造工藝技術(shù)的局限，大大提高了效率，節(jié)省了成本。
【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1A為用于說(shuō)明【具體實(shí)施方式】中的電熔成形方法的示意圖；
[0019]圖1B為圖1A中A所示位置附近的局部放大圖；
[0020]圖2為用于說(shuō)明實(shí)施例中的蒸發(fā)器筒體成形方法的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]下面參照附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行說(shuō)明。圖1A為用于說(shuō)明【具體實(shí)施方式】中的電熔成形方法的示意圖；圖1B為圖1A中A所示位置附近的局部放大圖。由于是原理圖，因而，圖中部件是示意性的，其實(shí)際形狀與尺寸關(guān)系等不受圖示限制。
[0022]該成形方法是將原料絲材I熔化而逐層(圖1中所示為堆積至第N層時(shí)的狀態(tài))堆積在基礎(chǔ)材2上，從而最終形成所需的金屬構(gòu)件。
[0023]具體實(shí)施工序?yàn)?
[0024]A.送絲機(jī)構(gòu)5將原料絲材I送至放置于工作臺(tái)21上的基材2的表面，其上覆蓋由送粉機(jī)構(gòu)4輸送的顆粒狀輔料。
[0025]B.啟動(dòng)電源12，電源電壓使原料絲材I與基材2間形成電弧9產(chǎn)生電弧熱，電弧熱使部分輔料3熔融，形成輔料渣池8，電流經(jīng)由電熔頭6流過(guò)原料絲材I形成電阻熱，并通過(guò)熔融渣池8形成電渣熱，三種熱源復(fù)合而成高能熱源，熔化原料絲材，在基材2表面形成熔池11。
[0026]C.控制電熔頭6與基材2的相對(duì)移動(dòng)和基材2的溫度，實(shí)現(xiàn)熔池11與基材換熱凝固沉積。
[0027]D.送絲機(jī)構(gòu)5與送粉機(jī)構(gòu)4持續(xù)輸送原料絲材I和輔料3，在輔料3覆蓋熔池11和基材2的狀態(tài)下，原料絲材I逐層堆積在基材2上，最終成形工件。
[0028]其中，控制裝置(計(jì)算機(jī))根據(jù)成形工件的(數(shù)值模擬、數(shù)學(xué)模型)分層切片數(shù)據(jù)控制電熔頭6與基材2的相對(duì)移動(dòng)方式。
[0029]在本發(fā)明圖示中電熔頭電極接正，工件接負(fù)只作示意作用，也可以電熔頭接負(fù)，工件接正，或采取交流電源。
[0030]在本發(fā)明中，為了保證形成良好的高能熱源，尤其是為了產(chǎn)生充分的電渣熱，可以適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)輔料的成分、原料絲材的直徑、電流、基材與原料絲材的相對(duì)移動(dòng)速度等參數(shù)。
[0031]在本發(fā)明中，原料絲I的形態(tài)可以是圓棒狀、帶狀，實(shí)芯或者藥芯的；原料絲I的直徑可以根據(jù)成形工件的尺寸設(shè)定為2?1mm;根據(jù)絲材I直徑不同，伸出電熔頭的長(zhǎng)度(通電長(zhǎng)度)為20mm?150mm。
[0032]在本發(fā)明中，輔料3覆蓋厚度為15mm?120mm，使用輔料3的作用包括:覆蓋電弧9，防止電弧飛濺；覆蓋熔池11，隔絕空氣，使熔池金屬免受空氣中氧、氮、氫等的侵害；對(duì)熔池金屬形成保溫；冶金反應(yīng)過(guò)程中去除雜質(zhì)、摻入合金；形成的渣池8 (渣殼7)以機(jī)械方式保護(hù)沉積金屬10良好成形等。
[0033]輔料3的成分包含氧化物或者氧化物與鹵化物，由于輔料3參與熔池反應(yīng)，調(diào)整工件(金屬構(gòu)件、產(chǎn)品)成分，因而根據(jù)所要形成的金屬構(gòu)件的成分和效率要求，可以在輔料中添加合金粉末以及/或者單質(zhì)金屬粉末，降低生產(chǎn)成本。
[0034]另外，在C工序中，可以附帶回收殘余輔料以及去除渣池8凝固而形成的渣殼7的操作。去除時(shí)，可以在原料絲I的相對(duì)