核电用奥氏体不锈钢锻造开裂的主要原因及解决措施

GXF360 2019-11-06

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1. 概述

锻造开裂问题一直是重机行业所关注和研究的重大问题之一，核电用X2 CrNi 19.10和316LN不锈钢为低碳控氮的奥氏体不锈钢，这类不锈钢在锻造过程中变形抗力较大，可锻温度区间较窄，裂纹的敏感性较强。锻造温度（特别是终锻温度）对金属材料塑性有着很大的影响，实际生产过程中往往由于锻造温度范围确定不妥而导致锻造开裂，对不锈钢锻造温度范围进行确定对整个热锻过程来说具有重大意义。本文基于中国一重RCC-M X2 CrNi 19.10控氮奥氏体不锈钢主管道产品，开展了不锈钢锻件锻造开裂问题研究工作，以期为主管道的锻造工艺优化提供技术参考。

模拟小试结果初步验证了植物能够在掺混有机肥料的底泥中生长良好。因此，在江西德兴铜矿水龙山排土场选择10000m2的区域进行了中试试验。按模拟小试最佳结果，底泥控制在体积30%与有机肥料配比，并与排土场表层30cm的土壤掺混，进行土壤改良。按2株/m2的用量直栽乔灌木袋苗与撒播植物种子、土壤种子库，种植完成后，用稻草覆盖遮荫。中试试验取得了良好生态恢复效果，进一步证实底泥添加有机肥料调配制成的人工基质能够满足植被重建的需求（见图2）。

2. 结果与讨论

对大多数金属材料来说，材料的整体塑性一般都是随着温度的升高而升高的，但这种升高并不都呈现线性关系，在锻造温度区间里，有时会因为脆性相、第二相的析出而使材料的高温塑性显著下降，出现所谓的“拐点”，比如奥氏体不锈钢在低温时碳化物、AlN相等的析出，均会增大不锈钢的锻造开裂倾向，降低材料在高温下的可锻性。采用双真空熔炼的109t X2 CrNi 19.10不锈钢主管道空心锻件如图1所示，其化学成分如附表所示。由于X2 CrNi 19.10不锈钢主管道尺寸较大，且为异形整体锻造，锻造火次较多，芯棒拔长过程中产品表面（特别是端面），产生了许多开裂，且裂纹较深。如果不作处理，裂纹会继续加深，有可能使整个锻件报废。该自由锻芯棒拔长工序锻造工艺为锻前1060℃保温18h，始锻温度1060℃，终锻温度820℃，变形量＜3 0%，采用1 5 0 M N（15000t）水压机上平下V型帧进行锻造。

建筑工程施工期间，需促进各个部门与人员之间的良好配合，明确施工管理职责落实责任制度。首先，要求工作人员进行施工原材料与机械设备的动态化管理，实时掌握资料并将其共享到其他部门，以便于开展质量的管理工作。其次，需安排专业管理人员与监督人员进行建筑工程的管理与监督，在发现问题之后立即采取合理措施解决问题，提升建筑工程造价管理效果。最后，需开展造价管理的分析工作，明确工程区域内是否存在造价控制的影响因素，采取合理措施解决问题。

图1 不锈钢主管道锻件芯棒拔长过程中开裂情况

X2 CrNi 19.10不锈钢主管道化学成分（质量分数）（%）

为了保证材料在最适宜的温度区间来完成锻造过程，避免进一步的开裂，切取主管道部分试料进行了高温热塑性研究。图2为主管道的高温拉伸特性曲线，可以将其划分为三个区域：高温塑性区（Ⅰ区），不锈钢在此区域内高温塑性比较好，尽管强度指标不高，但是不易产生锻造开裂，这是因为温度较高，原子扩散能力比较强，应力不易集中，导致不锈钢可以经受较大的塑性变形；低温塑性区（Ⅲ区），不锈钢在此区域内塑性不是很好，但是强度很高，在进行塑性变形过程中也不易产生开裂；中温塑性区（Ⅱ区），不锈钢在此区域内塑性与强度均不是很高，防止裂纹产生能力较弱，在此温度区间进行热塑性变形容易产生裂纹。根据易裂敏感温度区间的特点，从图2中得出X2 CrNi 19.10不锈钢高温变形过程中易裂敏感温度区间为740～890℃，因此不锈钢主管道的高温锻造过程最好控制在890～1060℃，从而获得良好的高温塑性。

主管道产品实际锻造过程中，为防止粗晶的产生，回炉加热温度的选取一般比较低，在1030～1070℃，出炉后操作机的加持时间较长，主管道表面温降明显，锻造过程中表面温度很容易降到850℃以下，个别铸锭冶炼时残余元素存在波动，比如Al元素的升高，导致锻造过程中会析出AlN相，增大不锈钢的开裂倾向，锻造过程中更容易产生开裂。针对本件主管道开裂产品，为防止下一火次加热过程中表面氧化加速裂纹扩展，将主管道开裂锻件表面清伤后再进行回炉加热，后续锻造过程中始锻温度仍为1060℃，提高终锻温度至890℃左右，并在不锈钢锻件表面加盖保温棉，以降低表面温降速率，主管道锻件后续芯棒拔长过程如图3所示，能够看出开裂问题大大减少，避免了产品的潜在报废。