乏燃料干式贮存系统用转运容器厚壁SA350 Gr.LF3大锻件及其制造工艺

技术领域

本发明属于锻件制造领域，涉及一种锻件及其制造工艺，具体地说，是关于乏燃料干式贮存系统用转运容器厚壁SA350 Gr.LF3大锻件及其制造工艺。

背景技术

乏燃料的贮存安全是核电站安全管理的重要内容之一。乏燃料转运容器是乏燃料干法贮存项目中的主要设备之一。在进行干法贮存工作过程中，转运容器用于将装有乏燃料组件的密封贮存罐转运到混凝土贮存模块中。转运容器在转运操作时为密封贮存罐提供辐射屏蔽、结构保护和乏燃料的散热等功能。锻造筒体为转运容器中的主要锻件，为了确保乏燃料运输过程中的安全，要求材料具有良好的强韧性和抗冲击性。

SA350 Gr.LF3是国际上常用的一种低温压力容器用碳钢材料，主要制造标准为ASME SA-350。应用于乏燃料干式贮存系统用大锻件的SA350 Gr.LF3材料，在需要满足常规ASME SA-350的要求基础上，还额外增加了低温落锤韧性的要求和高温强度的考核要求，详见表1所示。

表1乏燃料容器用SA350 Gr.LF3大锻件性能要求

此外该材料在国内通常用于厚钢板的制造，其厚度一般不超过150mm，且通常仅考核室温拉伸和低温冲击，无落锤转变温度考核；一般热处理采用常规的淬火+回火调质工艺。国外用该材料制造的乏燃料相关容器设备，一般壁厚在50mm左右。

本项目中的SA350 Gr.LF3大锻件调质壁厚需超过300mm，该材料合金含量有限，淬透性较差，随着壁厚增加至200mm以上，采用常规的成分控制和热处理方法，难以满足乏燃料转运容器锻件的性能要求。

发明内容

本发明针对上述技术问题，提供一种调质壁厚超过200mm的满足乏燃料转运容器用SA350 Gr.LF3锻件的制造工艺。因此，本发明的第一个目的在于提供一种乏燃料干式贮存系统用转运容器厚壁SA350 Gr.LF3大锻件。本发明的第二个目的在于提供一种乏燃料干式贮存系统用转运容器厚壁SA350 Gr.LF3大锻件的制造工艺。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

作为本发明的第一个方面，一种乏燃料干式贮存系统用转运容器厚壁SA350Gr.LF3大锻件，包括SA350 Gr.LF3大锻件本体，所述SA350 Gr.LF3大锻件本体中包含的成分及其质量百分比含量(wt.％)如下：

C：0.05％-0.15％；Cr：0.10-0.20％；Mo：0.04-0.06％；V：0.01-0.03％；Nb：0.01-0.02％；Al：0.012-0.017％；N：0.008-0.012％；Si：0.20-0.30％；Mn：0.70-0.80％；Ni：3.5-3.7％；P≤0.006％；S≤0.003％；余量为Fe。

优选地，所述SA350 Gr.LF3大锻件本体中包含的成分及其质量百分比含量(wt.％)如下：

C：0.06％-0.08％；Cr：0.12-0.15％；V：0.02-0.03％；Nb：0.01-0.02％；Al：0.012-0.017％；N：0.009-0.011％；Mo：0.04-0.06％；Si：0.20-0.30％；Mn：0.70-0.80％；Ni：3.5-3.7％；P≤0.006％；S≤0.003％；余量为Fe。

根据本发明，所述SA350 Gr.LF3大锻件本体中，N(wt.％)/Al(wt.％)≥0.5。

作为本发明的第二个方面，一种乏燃料干式贮存系统用转运容器厚壁SA350Gr.LF3大锻件的制造工艺，包括如下步骤：

S1、制备钢锭：对废钢进行冶炼，将所得的冶炼液进行浇筑，得到钢锭，所述钢锭中包含上述任一项所述的SA350 Gr.LF3大锻件本体中包含的成分及其质量百分比含量；

S2、锻造：将S1所得的钢锭进炉加热进行锻造，得到锻件；

S3、锻后热处理：对S2中锻造得到的锻件进行采用正火+回火的方式进行锻后热处理；

S4、性能热处理：对S3中锻后热处理后的锻件采用淬火+亚温淬火+回火的方式进行性能热处理，得到SA350 Gr.LF3大锻件。

具体地，所述S2中对钢锭进行锻造的锻造温度为1100℃-1240℃，终锻温度≥850℃。

优选地，所述S2中对钢锭进行锻造的锻造温度为1150℃-1240℃，终锻温度≥850℃。

具体地，所述S3中对锻件进行锻后热处理的步骤包括：S31、正火：将锻造获得的锻件进入待料炉保温，过冷至230±20℃保温；再升温至860-880℃进行保温；

S32、回火：将锻件出炉空冷至250-300℃，进炉230±20℃保温；再升温至600-630℃进行保温；

S33、炉冷至＜150℃出炉。

进一步地，所述S31中对锻件进行正火处理的步骤包括：

先将锻造结束后获得的锻件空冷至约500-600℃进炉待料，于600-650℃保温；

再以≤50℃/h的速度降温处理，过冷至230±20℃保温；

再以≤50℃/h的速度升温处理，于650-700℃保温；

再尽速升温至860-880℃保温。

优选地，所述S31中将锻件进炉待料后于600-650℃保温的保温时间为8h；

过冷至230±20℃后保温时间为15h；

升温至650-700℃后保温时间为8h；

尽速升温至860-880℃后保温时间为15h。

进一步地，所述S32中对锻件进行回火处理的步骤包括：

先将正火处理结束后的锻件出炉空冷至锻件表面温度为250-300℃，进炉230±20℃保温；

再将锻件以≤50℃/h的速度升温处理，于600-630℃保温。

优选地，所述S32中将正火处理后的锻件空冷至表面温度为250-300℃，进炉230±20℃后保温时间为15h；

升温至600-630℃后保温时间为30h。

具体地，所述S4中对锻件进行性能热处理的步骤包括：

S41、淬火：锻件在室温下进炉，升温至830-860℃进行保温，出炉后水冷至锻件表面温度≤80℃；

S42、亚温淬火：锻件进炉转亚温淬火，升温至710-740℃进行保温，出炉后水冷至锻件表面温度≤80℃；

S43、回火：锻件进炉转回火，升温至600-630℃进行保温，出炉空冷，得到SA350Gr.LF3大锻件。

进一步地，所述S41中对锻后热处理结束后的锻件进行淬火处理的步骤包括：

先将锻件在室温下进炉以≤40℃/h的速度升温至400-450℃保温；

再以≤50℃/h的速度升温至600-650℃保温；

再以≤140℃/h的速度升温至830-860℃保温；

出炉水冷至锻件表面温度≤80℃。

优选地，所述S41中将锻件升温至400-450℃后保温时间为3h；

升温至600-650℃后保温时间为4h；

升温至830-860℃后保温时间为6h。

进一步地，所述S42中对淬火后的锻件进行亚温淬火处理的步骤包括：

先将锻件进炉以≤40℃/h的速度升温至400-450℃保温；

再以≤50℃/h的速度升温至600-650℃保温；

再以≤140℃/h的速度升温至710-740℃保温；

出炉水冷至锻件表面温度≤80℃。

优选地，所述S42中将锻件升温至400-450℃后保温时间为3h；

升温至600-650℃后保温时间为4h；

升温至710-740℃后保温时间为6h。

进一步地，所述S43对锻件进行回火处理的步骤包括：

先将锻件进炉，以≤40℃/h的速度升温至300-350℃保温；

再以≤80℃/h的速度升温至600-630℃保温；

出炉空冷，得到SA350 Gr.LF3大锻件。

优选地，所述S43中将锻件升温至300-350℃后保温时间为3h；

升温至600-630℃后保温时间为6h。

本发明的有益效果：

本发明所述的乏燃料干式贮存系统用转运容器厚壁SA350 Gr.LF3大锻件的各项力学性能得到了明显的提升，制造工艺可以克服因材料淬透性有限和壁厚较厚所产生的低温韧性不稳定的现象。

附图说明

图1为本发明实施例锻件的锻后热处理工艺的示意图。

图2为本发明实施例锻件的性能热处理工艺的示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明做进一步解释说明。以下实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。以下实施例中所用的材料等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围。

一、锻件的成品要求：

锻件热处理尺寸为

二、锻件中包含的成分及其含量：

本发明所述乏燃料干式贮存系统用转运容器厚壁SA350 Gr.LF3大锻件，包括SA350Gr.LF3大锻件本体，所述SA350 Gr.LF3大锻件本体中包含的成分及其质量百分比含量(wt.％)如下：

C：0.05％-0.15％；Cr：0.10-0.20％；Mo：0.04-0.06％；V：0.01-0.03％；Nb：0.01-0.02％；Al：0.012-0.017％；N：0.008-0.012％；Si：0.20-0.30％；Mn：0.70-0.80％；Ni：3.5-3.7％；P≤0.006％；S≤0.003％；余量为Fe。

经过试验获得，控制各成分及质量百分比含量如下时，能够获得性能更优的SA350Gr.LF3大锻件：

C：0.06％-0.08％；Cr：0.12-0.15％；V：0.02-0.03％；Nb：0.01-0.02％；Al：0.012-0.017％；N：0.009-0.011％；Mo：0.04-0.06％；Si：0.20-0.30％；Mn：0.70-0.80％；Ni：3.5-3.7％；P≤0.006％；S≤0.003％；余量为Fe。

(1)经过试验获得，控制C的含量在0.05％-0.15％(wt％)范围内可极大提升材料的低温韧性，若C含量高于此范围，在材料壁厚较厚，不能获得较好的淬火冷速的前提下，材料的低温韧性将极大降低，韧脆转变温度大幅提高；若C含量高于该温度区间，材料强度则存在一定的风险。

(2)经过试验获得，对于壁厚超过200mm的锻件，材料的淬透性有限，在原料中添加Cr、Mo、V、Nb微量元素，对材料进行微量化元素调控，能够增加材料的淬透性，从而提升材料性能。

(3)经过试验获得，材料壁厚增加到一定程度后，基体组织为铁素体，在该组织条件下，要获得良好的强度和低温韧性，需要组织均匀并细小，添加适量的Al、N，控制N/Al比，可以形成AlN，均匀细化组织，阻碍晶粒长大，进而提高材料整体性能。

三、锻件的制造工艺：

本发明所述的乏燃料干式贮存系统用转运容器厚壁SA350 Gr.LF3大锻件的制造工艺如下：

S1、制备钢锭：

采用电炉粗炼-真空精炼-真空浇筑的工艺对废钢进行冶炼，将所得的冶炼液进行浇筑，得到钢锭，所述钢锭中包含的成分及其质量百分比含量(wt.％)如下：

C：0.05％-0.15％；Cr：0.10-0.20％；Mo：0.04-0.06％；V：0.01-0.03％；Nb：0.01-0.02％；Al：0.012-0.017％；N：0.008-0.012％；Si：0.20-0.30％；Mn：0.70-0.80％；Ni：3.5-3.7％；P≤0.006％；S≤0.003％；余量为Fe。

优选地，所述钢锭中包含的成分及其质量百分比含量(wt.％)如下：

C：0.06％-0.08％；Cr：0.12-0.15％；V：0.02-0.03％；Nb：0.01-0.02％；Al：0.012-0.017％；N：0.009-0.011％；Mo：0.04-0.06％；Si：0.20-0.30％；Mn：0.70-0.80％；Ni：3.5-3.7％；P≤0.006％；S≤0.003％；余量为Fe。

并同时控制N/Al＞0.5。

S2、锻造：

将S1制成的钢锭进炉加热到1100℃-1240℃保温后进行锻造，得到锻件。锻造过程涉及拔长、开坯、镦粗、冲孔、扩孔、拔长等操作，锻造出满足尺寸形状要求的锻件，终锻温度≥850℃。

S3、锻后热处理：

为了降低锻件锻造结束后的残余应力、调整细化组织、为后续性能热处理做好组织准备，对锻造得到的锻件采用正火+回火的方式进行锻后热处理。具体包括如下步骤：

S31、正火：

锻件锻造结束后空冷至约500-600℃进炉待料，于600-650℃保温8h左右；

以≤50℃/h的速度降温处理，过冷至230±20℃保温15h；

以≤50℃/h的速度升温处理，于650-700℃保温8h；

尽速升温至860-880℃保温15h。

S32、回火：

出炉空冷至锻件表面温度为250-300℃，进炉230±20℃保温15h；

以≤50℃/h的速度升温处理，于600-630℃保温30h；

炉冷至＜150℃出炉。

S4、性能热处理：

相对于SA350 Gr.LF3小锻件而言，SA350 Gr.LF3大锻件进行性能调控的难点在于：大锻件壁厚厚，材料淬透性有限，通过小锻件常用的常规淬火+回火方式难以获得较为细密的组织，进而难以满足乏燃料需要的优良的高温强度和低温韧性。因此对热处理后的锻件采用淬火+亚温淬火+回火的方式进行性能热处理。具体包括如下步骤：

S41、淬火：

将锻件在室温下进炉以≤40℃/h的速度升温至400-450℃保温3h；

以≤50℃/h的速度升温至600-650℃保温4h；

以≤140℃/h的速度升温至830-860℃保温6h；

出炉水冷至锻件表面温度≤80℃。

S42、亚温淬火：

将锻件进炉以≤40℃/h的速度升温至400-450℃保温3h；

以≤50℃/h的速度升温至600-650℃保温4h；

以≤140℃/h的速度升温至710-740℃保温6h；

出炉水冷至锻件表面温度≤80℃。

S43、回火：

将锻件进炉，以≤40℃/h的速度升温至300-350℃保温3h；

以≤80℃/h的速度升温至600-630℃保温6h；

出炉空冷。

四、实施例和对比例

实施例

1、制备工艺如下：

S1、制备钢锭：

采用电炉粗炼-真空精炼-真空浇筑的工艺对废钢进行冶炼，将所得的冶炼液进行浇筑，得到钢锭。所述钢锭中包含的成分及其质量百分比含量如下：C：0.06％-0.08％；

Cr：0.12-0.15％；V：0.02-0.03％；Nb：0.01-0.02％；Al：0.012-0.017％；N：0.009-0.011％；Mo：0.04-0.06％；Si：0.20-0.30％；Mn：0.70-0.80％；Ni：3.5-3.7％；P≤0.006％；S≤0.003％；余量为Fe。

上述成分及其质量百分比含量是从钢锭的不同位置取样进行检测后得到的，取样位点较多，数据量大，因此用范围值概括。

S2、锻造：

将钢锭加热到1150-1240℃保温后进行锻造，进行拔长、开坯、镦粗、冲孔、扩孔、拔长等操作，锻造出满足尺寸形状要求的锻件，终锻温度≥850℃。

S3、锻后热处理：

对结束锻造的锻件按照图1所示流程对锻件进行锻后热处理。包括如下步骤：

S31、正火：

锻件锻造结束后空冷至约500-600℃进炉待料，于600-650℃保温8h左右；

以≤50℃/h的速度降温处理，过冷至230±20℃保温15h；

以≤50℃/h的速度升温处理，于650-700℃保温8h；

尽速升温至860-880℃保温15h；

S32、回火：

出炉空冷至锻件表面温度为250-300℃，进炉230±20℃保温15h；

以≤50℃/h的速度升温处理，于600-630℃保温30h；

炉冷至≤150℃出炉。

S4、性能热处理：

按照图2所示流程对锻件进行性能热处理：

S41、淬火：将锻件在室温下进炉以≤40℃/h的速度升温至400-450℃保温3h；

以≤50℃/h的速度升温至600-650℃保温4h；

以≤140℃/h的速度升温至830-860℃保温6h；

出炉水冷至锻件表面温度≤80℃。

S42、亚温淬火：将锻件进炉以≤40℃/h的速度升温至400-450℃保温3h；

以≤50℃/h的速度升温至600-650℃保温4h；

以≤140℃/h的速度升温至710-740℃保温6h；

出炉水冷至锻件表面温度≤80℃。

S43、回火：将锻件进炉，以≤40℃/h的速度升温至300-350℃保温3h；

以≤80℃/h的速度升温至600-630℃保温6h；

出炉空冷。

2、对实施例中制得的SA350 Gr.LF3大锻件从不同位点进行取样，并分别进行化学成分检测，各位点的组分含量有轻微差异，因此检测获得的SA350 Gr.LF3大锻件的各组分含量具体表现为范围值。

实施例SA350 Gr.LF3大锻件本体中包含的成分及其质量百分比含量(wt.％)如下：

(1)C：0.06％-0.08％；Cr：0.12-0.15％；V：0.02-0.03％；Nb：0.01-0.02％；Al：0.012-0.017％；N：0.009-0.011％；

(2)Mo：0.04-0.06％；Si：0.20-0.30％；Mn：0.70-0.80％；Ni：3.5-3.7％；P≤0.006％；S≤0.003％；余量为Fe。

3、对实施例获得的SA350 Gr.LF3大锻件进行力学性能测试，检测结果如表2中所示。

表2锻件不同位置力学性能检测结果

如表2所示，对锻件进行机械性能测试，其各项参数均符合乏燃料贮存容器用大锻件的使用要求，综合力学性能良好。

对比例1

对比例1的锻件锻造工艺除制备的钢锭的化学成分组成外，其余步骤均与实施例中一致。对比例1锻造过程中获得的钢锭及其锻造完成后获得的SA350 Gr.LF3大锻件从不同位点取样进行检测，得到其中包含的成分及其质量百分比含量均如下：

(1)C：0.10％-0.14％；Cr：0.12％-0.15％；V：0.02％-0.03％；Nb：0.01％-0.02％；Al：0.012％-0.017％；N：0.009％-0.011％；

(2)Mo：0.04-0.06％；Si：0.20-0.30％；Mn：0.70-0.80％；Ni：3.5-3.7％；P≤0.006％；S≤0.003％；余量为Fe。

对比例2

对比例2的锻件锻造工艺除制备的钢锭的化学成分组成外，其余步骤均与实施例中一致。对比例2锻造过程中获得的钢锭及其锻造完成后获得的SA350 Gr.LF3大锻件从不同位点取样进行检测，得到其中包含的成分及其质量百分比含量均如下：

(1)C：0.06％-0.08％；Cr：＜0.10％；V：＜0.01％；Nb：＜0.01％；Al：0.025％-0.035％；N：0.006％-0.007％；

(2)Mo：0.04-0.06％；Si：0.20-0.30％；Mn：0.70-0.80％；Ni：3.5-3.7％；P≤0.006％；S≤0.003％；余量为Fe。

将实施例和对比例1、2中含量不同的化学成分进行对比，如表3中所示。表3中的数值均为各组分的质量百分比含量(wt.％)。

表3实施例和对比例1、2的含量不同的化学成分表

注：实施例和对比例中对化学成分进行调整，锻造完成后需从多个位点取样对其组分及其含量进行检测，每组实施例各位点的组分含量有轻微差异，因此在上述化学成分表中各成分的含量具体表现为范围值。

对比例3

相比实施例的锻造工艺，对比例3锻造工艺中的S1制备钢锭、S2锻造及S3锻后热处理过程均与实施例中的步骤一致，仅在S4性能热处理这步中缺少了S42亚温淬火这一步骤。

对比例3的锻件在进行锻造及锻后热处理后，按照如下所述步骤进行性能热处理：

(1)淬火：

将锻件在室温下进炉以≤40℃/h的速度升温至400-450℃保温处理3h；

以≤50℃/h的速度升温至600-650℃保温处理4h；

以≤140℃/h的速度升温至830-860℃保温处理6h；

水冷至锻件表面温度≤80℃。

(2)回火：

将锻件以≤40℃/h的速度升温至300-350℃保温处理3h；

以≤80℃/h的速度升温至600-630℃保温6h；

出炉空冷。

对比例4

相比实施例的锻造工艺，对比例4锻造工艺中的S1制备钢锭、S2锻造及S3锻后热处理过程均与实施例中的步骤一致，仅在S4性能热处理这步中，S43回火的温度与实施例不同。

对比例4的锻件在进行锻造及锻后热处理后，按照如下所述步骤进行性能热处理：

(1)淬火：

将锻件在室温下进炉以≤40℃/h的速度升温至400-450℃保温处理3h；

以≤50℃/h的速度升温至600-650℃保温处理4h；

以≤140℃/h的速度升温至830-860℃保温处理6h；

水冷至锻件表面温度≤80℃。

(2)亚温淬火：

将锻件以≤40℃/h的速度升温至400-450℃保温处理3h；

以≤50℃/h的速度升温至600-650℃保温处理4h；

以≤140℃/h的速度升温至710-740℃保温处理6h；

水冷至锻件表面温度≤80℃。

(3)回火：

将锻件以≤40℃/h的速度升温至300-350℃保温处理3h；

以≤80℃/h的速度升温至630-650℃保温6h；

出炉空冷。

对比例5

相比实施例的锻造工艺，对比例5锻造工艺中的S1制备钢锭、S2锻造及S3锻后热处理过程均与实施例中一致，仅在S4性能热处理这步中缺少了S41淬火这一步骤。

对比例5的锻件在进行锻造及锻后热处理后，按照如下所述步骤进行性能热处理：

(1)亚温淬火：

将锻件以≤40℃/h的速度升温至400-450℃保温处理3h；

以≤50℃/h的速度升温至600-650℃保温处理4h；

以≤140℃/h的速度升温至710-740℃保温处理6h；

水冷至锻件表面温度≤80℃。

(2)回火：

将锻件以≤40℃/h的速度升温至300-350℃保温处理3h；

以≤80℃/h的速度升温至600-630℃保温6h；

出炉空冷。

六、效果实施例

对上述实施例和对比例1-5制成的SA350 Gr.LF3大锻件进行各项物理性能指标测试，测试结果如表4所示。

表4实施例和对比例的性能测试表

由表4可知，实施例的锻件性能明显优于各对比例，因此本发明所述的SA350Gr.LF3大锻件无论从其化学成分组成方面，还是锻造工艺方面来讲，都能够获得性能更好的SA350 Gr.LF3大锻件。

以上所述仅是本发明的实施方式的举例，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。