核電蒸汽發(fā)生器傳熱管均是無(wú)縫管,無(wú)縫管材由于是整體成型,無(wú)焊接接頭,所以其耐壓性和耐腐蝕性要遠好于焊接管,成為壓力管道的首選管材。通常情況下我們所說(shuō)的無(wú)縫管是指低合金鋼管、有色金屬管等無(wú)縫鋼管,基本上采用熱軋無(wú)縫鋼管的生產(chǎn)方法,該方法的基本變形工序可以概括為3個(gè)階段:穿孔、延伸和精軋。穿孔工序的主要目的是將實(shí)心圓坯穿孔成為空心毛管。毛管在規格、精度和表面質(zhì)量上都不可能滿(mǎn)足成品要求,需要進(jìn)一步通過(guò)金屬的變形加以改善。延伸機的主要目的是進(jìn)一步減小截面,獲得較大的軸向延伸,使毛管在尺寸精度、表面質(zhì)量和組織性能上獲得改善。經(jīng)延伸機軋制的鋼管統稱(chēng)荒管,需要在精軋機上進(jìn)一步成型以達到成品管的要求。


  高溫合金無(wú)縫管不像普通鋼管,其合金化程度高,給加工帶來(lái)一系列的困難,制成無(wú)縫鋼管就更加困難。它們往往由于熱加工溫度范圍窄、熱塑性差,熱穿孔時(shí)管坯很容易出現裂紋甚至破碎,這直接造成了熱穿孔生產(chǎn)高溫合金無(wú)縫管的可行性大大降低。生產(chǎn)實(shí)踐也表明高溫合金管采用上述熱軋無(wú)縫鋼管的生產(chǎn)方式基本上達不到管材的性能要求。各國科學(xué)家、工程人員通過(guò)科研生產(chǎn),在了解掌握高溫合金的熱加工特點(diǎn)和各種工藝參數影響規律的基礎上,并結合無(wú)縫鋼管的生產(chǎn)經(jīng)驗,提出了通過(guò)鉆孔/擴孔然后熱擠壓的方式生產(chǎn)荒管,然后再通過(guò)多道次的冷軋/冷拔結合中間熱處理的工藝模式來(lái)生產(chǎn)高溫合金無(wú)縫管,取得了良好的效果。其中管坯經(jīng)鉆孔、擴孔獲得毛管,然后熱擠壓生產(chǎn)荒管,其成型功能等效于上述熱軋無(wú)縫鋼管生產(chǎn)中的穿孔功能和部分的延伸功能,多機架的冷連軋有繼續延伸成型的作用。


  對于鎳基耐蝕合金無(wú)縫管,要取得良好的生產(chǎn)效果比較困難,首先是因為鎳基合金的合金化程度高、傳熱慢,這導致在擴孔時(shí)感應加熱的溫度分布不均勻性;其次鎳基合金的可變形溫度很窄,這就要求荒管的擠壓應在高溫高速下進(jìn)行,而高速擠壓會(huì )導致產(chǎn)品性能的不均勻性增加,易產(chǎn)生大量缺陷;再者由于鎳基合金的硬度比較大,在加工過(guò)程中的抗力很大,對擠壓模具的要求很高,同時(shí)帶來(lái)大的能耗。這些都決定了鎳基高溫合金無(wú)縫管的生產(chǎn)有很多獨特的特點(diǎn),必須要有相應的工藝規范才能實(shí)現管材質(zhì)量可控的生產(chǎn)。


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  圖1-3所示為無(wú)縫管熱擠壓生產(chǎn)工藝的流程圖,由圖可見(jiàn)高溫合金無(wú)縫管的生產(chǎn)大致包括以下步驟:管坯→鉆孔→感應加熱→擴孔→感應加熱→熱擠壓→固溶→冷軋/冷拔→熱處理→冷軋/冷拔→熱處理→質(zhì)量檢測。目前國內的寶鋼、攀長(cháng)鋼和太鋼均采用該工藝流程模式試制生產(chǎn)690合金傳熱管直管,大批量試生產(chǎn)和初步研究的結果表明,對成品管質(zhì)量有較大影響的工序為感應加熱擴孔、熱擠壓、冷軋(拔)和熱處理,下面就這些工序分別加以說(shuō)明。


一、感應加熱擴孔


  感應加熱是利用電磁感應原理,把坯料放在交變磁場(chǎng)中,使其內部產(chǎn)生感應電流,從而產(chǎn)生焦耳熱來(lái)加熱坯料的方法。感應加熱具有很多優(yōu)點(diǎn):首先是能耗低,感應加熱爐的實(shí)際坯料加熱熱效率可達到65%~75%,而火焰爐和各種室式爐只有30%左右。第二,感應加熱爐無(wú)需煤爐、燃氣爐及電阻爐等必需的預熱過(guò)程,使用方便,操作簡(jiǎn)單。第三,無(wú)需對工件整體加熱,可選擇局部加熱,因而電能消耗少,工件變形小而且加熱速度快,可使工件在短時(shí)間內達到所需的溫度,這樣690合金管坯在感應加熱時(shí)發(fā)生晶粒長(cháng)大的傾向較小。雖然感應加熱有上述諸多優(yōu)點(diǎn),但由于690合金的高合金化,傳熱慢,容易在后續擴孔時(shí)產(chǎn)生諸如熱裂紋等缺陷,其次如果擴孔的變形量控制不當,可能導致管坯組織不均勻,這直接影響熱擠壓成材率,因此控制好感應加熱擴孔工藝是擠壓出質(zhì)量良好的荒管的前提條件。


二、熱擠壓


擠壓是對放在容器(擠壓筒)內的金屬坯料施加外力,使之從特定的??字辛鞒?,獲得所需斷面形狀和尺寸的一種塑性加工方法,主要用于不銹鋼、鎳基高溫合金和難熔合金的棒材、管材及異型材的生產(chǎn)。區別于傳統鋼鐵材料和有色金屬材料采用軋制穿孔工藝生產(chǎn)荒管,690合金無(wú)縫管的生產(chǎn)主要是采用熱擠壓成型方式,圖1-4是690合金荒管的熱擠壓工藝工裝簡(jiǎn)化圖。用熱擠壓方式生產(chǎn)無(wú)縫管要求管坯是空心的坯料,國內較多采用先鉆孔后經(jīng)感應加熱擴孔的方式得到熱擠壓空心管坯。擴孔后的空心管坯溫度有所下降,需再經(jīng)過(guò)感應加熱,使溫度提升到設定的坯料預熱溫度。擠壓開(kāi)始之前,把能起到潤滑作用的玻璃墊片放在擠壓模上,同時(shí)用玻璃粉末對空心管坯的內外表面進(jìn)行潤滑。將預熱后涂抹玻璃粉潤滑的管坯運送到擠壓筒附近的上料臺,然后滾進(jìn)擠壓筒和柱塞之間的料槽里,將擠壓墊片運送到料槽中并貼近坯料,擠壓桿緩慢移動(dòng)并靠近擠壓墊后,伸出擠壓芯棒,將坯料、擠壓墊片、擠壓芯棒連成一個(gè)整體。擠壓桿在低擠壓壓力下向前移動(dòng),將坯料送人擠壓筒中,料槽自動(dòng)下降,隨著(zhù)擠壓力的不斷增加,擠壓桿逐漸向前移動(dòng),先進(jìn)行預擠壓,填充管坯與擠壓筒之間的縫隙,接著(zhù)坯料會(huì )從擠壓模與擠壓芯棒之間的間隙擠出。在此過(guò)程中,玻璃墊片與熱坯料接觸后逐漸軟化,并在坯料表面形成一層玻璃潤滑膜。擠壓桿在大擠壓力下繼續向前移動(dòng),直到最后剩下一段很短的余料,完成一次熱擠壓。


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三、冷軋/冷拔+熱處理


  熱擠壓得到的690荒管經(jīng)矯直后,先要經(jīng)過(guò)張力減徑機以減小直徑,然后進(jìn)行多道次的冷軋或者冷拔,以減小管材的壁厚,最終得到法國的RCC-M零部件采購技術(shù)規范-M4105壓水堆蒸汽發(fā)生器管束用無(wú)縫鎳-鉻-鐵合金(NC30Fe)管的尺寸規格。圖1-5是690合金管的冷連軋示意圖,軋制在兩個(gè)軋輥的孔型和芯棒組成的密閉環(huán)中進(jìn)行,在軋制過(guò)程中芯棒和荒管不動(dòng),當帶變動(dòng)面孔型的軋輥沿軋制方向運動(dòng)時(shí),實(shí)現對管坯的軋制,當軋輥返回到后極限位置時(shí),回轉送進(jìn)機構將管坯向前推進(jìn)一定距離(送進(jìn)量)并翻轉一個(gè)角度。



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 合金管材在軋制過(guò)程中,不僅形狀、尺寸發(fā)生了變化,其內部顯微組織也發(fā)生了一系列的變化,包括晶粒形狀改變以及晶粒內部出現滑移帶、攣晶帶。此外,材料的亞結構也將發(fā)生變化,如點(diǎn)陣畸變、位錯密度的迅速增大等。這些變化的結果會(huì )使得材料內部的能量增加,因此熱力學(xué)處于不穩定的狀態(tài),當動(dòng)力學(xué)條件許可時(shí)(如加熱到某一溫度),材料內部就會(huì )發(fā)生一系列的變化,如回復和再結晶,以降低系統的能量,這就是冷軋后改善690合金管性能的理論依據。690合金是低層錯能的合金,對于冷變形金屬加熱退火幾乎不發(fā)生回復,其冷加工硬化后的熱處理就是再結晶熱處理。高溫合金在冷加工后的熱處理,主要目的是消除應力和進(jìn)行再結晶,以增加材料塑性,降低強度,改善其冷加工性能。寶鋼特鋼試制690合金無(wú)縫管采用冷軋后經(jīng)過(guò)保護氣氛的輻射管式直通輥底爐進(jìn)行光亮退火處理。冷軋和中間熱處理是690合金管特殊處理前的最后變形加熱處理工序,所以此步工序直接決定著(zhù)690合金成品管的組織狀態(tài),從而決定了管材的使用性能,因此熱擠壓之后的冷軋退火熱處理工藝對蒸汽發(fā)生器用690合金傳熱管的組織影響最大,研究掌握該工藝下的合金組織演變規律,制定合理的熱處理工藝制度對保證690合金傳熱管的產(chǎn)品質(zhì)量具有重要的實(shí)際意義。