CAP1400核电厂主管道112吨电渣锭研制

向大林，辜荣如(浙江电渣核材有限公司，浙江 海盐 314305)

CAP1400核电厂主管道112吨电渣锭研制

向大林，辜荣如
(浙江电渣核材有限公司，浙江 海盐 314305)

文章简述了在世界上首次生产CAP1400主管道用SA376 TP316LN 112 t电渣锭的关键技术和取得的成果，指出生产CAP1400主管道锻件必须采用电渣锭，电渣重熔的关键是有效保证超低碳、氮含量、高纯净度和高均匀性。

CAP1400主管道；电渣锭；SA376 TP316LN；130 t电渣炉

1 CAP1400主管道和主管道电渣锭研制的由来

CAP1400属于国家科技重大专项，是在消化、吸收、全面掌握引进的第三代核电技术AP1000的基础上，通过再创新，开发形成具有我国自主知识产权的、功率更大的核电技术品牌，是我国第三代核电技术自主创新的标志。

CAP1400主管道和AP1000主管道一样，要采用超低碳控氮不锈钢电渣锭整体锻造弯形。AP1000主管道用电渣锭最重达70多吨，从AP1000到CAP1400，主管道流道面积扩大了30%，所需电渣锭更大，重达112 t。

优质巨型钢锭是获得大锻件的基础和先决条件，在大锻件生产中起关键性作用，大锻件生产的限制性环节常常在于缺乏优质巨型钢锭。第三代核电主管道用超低碳控氮不锈钢电渣锭从70 t到112 t，这不是简单的数量增加，钢锭尺寸的扩大和重量的增加使得很多设备和工艺因素复杂化，保证巨型钢锭的高品质特别是保证巨型核级高合金钢锭的高品质一直是现代冶金技术的难题，高品质巨型钢锭的生产技术一直是大锻件特别是高端大锻件制造的关键核心技术，是衡量一个国家基础制造工业发展水平和科学技术拥有一定攻坚能力的重要标志之一。材料是制造业的基础，有高端材料才有高端制造业，有没有高端材料的生产能力是检验一个国家和地区的制造业是否高端的关键标准。迄今为止，国内外都还未见百吨核级超低碳控氮不锈钢电渣锭的生产报道。

为了适应重大型装备制造，特别是核电发展AP1000、CAP1400以及今后CAP1700的需要，科研人员自主创新、研发设计，用一年时间新建了130 t电渣炉工程；在深入总结17根、总重1 000 t的AP1000主管道电渣锭生产经验的基础上，结合新建的130 t电渣炉的具体实际，于2012年8月制定了CAP1400主管道电渣锭研制方案。根据研制方案，设计研制结晶器，拟订电极技术规范及制备方案，以及开展研制方案所涉及的一系列准备工作。特别是在熔炼工艺和冶金质量控制方面，进行了一系列卓有成效的开创性工作，并于2012年12月17日一次成功生产出世界上第一根高品质CAP1400主管道用112 t超低碳控氮不锈钢（SA376 TP316LN）电渣锭。

2 关键技术及取得的成果

2.1 高质量自耗电极控制技术

高质量自耗电极是生产高品质电渣锭的前提，对于难度很高的CAP1400主管道112 t电渣锭用核级超低碳控氮不锈钢自耗电极的质量控制，采取了包括应用专利技术[1]、电极质量控制专有技术等在内的一系列有效可靠措施。

电极的原材料经过精心挑选，废钢用原生废钢（宝钢高炉铁水钢边角料）和进口高纯废钢（舰艇板边角料），合金料用金川一号镍、巴西镍和金属铬，确保低P、低Co、低Cu、低微量元素含量。

电极成分按质量专有技术设计控制，由EAF提供粗炼钢水，采用德国进口的VODC精炼。VODC技术更先进，冶金质量更高：

1）VODC是对VOD的改进，主要特点是炉顶不是直的而是有个转角；吹炼沸腾喷溅的钢、渣在转角处，不在炉盖上；而且加高了1.4～1.8 m，自由空间大，喷溅不致粘住炉盖。因此，可有大的脱碳量，大到0.6%～1.2%（VOD的脱碳量一般为0.2%～0.5%，不能有大脱碳量，去夹杂有限，否则吹炼过程中钢、渣喷溅在炉盖上会粘住钢包）。也就是说，VODC可把C从0.6%～1.2%脱到0.02%以下，而且脱碳速度快，脱碳过程可以自由控制，不仅夹杂物去除彻底，钢的纯净度高，而且化学热充足，不需要补偿热量。这批自耗电极熔炼，粗炼脱碳量为0.4%，精炼脱碳量在0.8%以上。

2）VODC在真空吹氧脱碳的高真空条件下，还具有VOD功能（10 min左右）。VOD功能使钢水在高真空底吹Ar的条件下碳脱氧，脱氧产物是CO气体，钢的冶金质量要比VOD更胜一筹。这批自耗电极熔炼VOD时间长达15 min。

3）VODC的VD功能使钢水在高真空底吹Ar的条件下脱气，[H]可达到1×10-6。在VD过程中，吹Ar剧烈沸腾也不要紧，不会造成炉盖被粘住。

自耗电极模是精心设计的专用金属模，热模浇铸，微C绝热板冒口，模中悬吊低熔点无C保护渣，电极浇铸前中注管通Ar，浇铸过程中，水口以下、中注管喇叭口以上采用双环Ar保护。补缩前加入高发热量的微C覆盖剂。补缩时间为锭身浇铸时间的2/3以上。因此，冒口密实饱满平整无缩孔，电极内也无缩孔。

电极表面质量优良，对于不锈钢，达到如此优良的表面质量还不多。对于电极成分，我们进行了两次复验，一次是电极浇铸时取样，一次是电极本体取样，还专门送国家标准件产品质量监督检验中心、上海材料研究所进行了复验。4次复验表明，电极成分控制准确，各炉成分彼此接近。而且具有低P（0.018%）、低Co（0.028%）、低Cu（0.013%）、低[H]（1.6×10-6～2.0×10-6）的优质特点。微量元素没有要求，电极也有严格控制，含量极低。

2.2 先进实用的设备

先进实用的电渣炉设备是生产出CAP1400主管道用超低碳控氮不锈钢（SA376 TP316LN）大型电渣锭的重要保证。

为满足AP1000、CAP1400的紧迫需要，公司自行创新研发设计、自行制造安装调试、自行开发熔炼技术，于2012年8月在中国核电城新建了130 t电渣炉[2]（见图1）。2012年8月设备开炉热试，一次通过，按预定顺利熔炼出高品质的86 t电渣锭。紧接着，在总结17根、总重1 000 t的AP1000主管道电渣锭生产经验的基础上，于2012年12月17日，一次成功而顺利生产出CAP1400主管道用112 t超低碳控氮不锈钢（SA376 TP316LN）电渣锭。钢锭实测尺寸φ1 935/φ1 980×4 680 mm，实际称重112.5 t，熔炼电耗1 350 kW·h/t。电渣锭具有利用率高的特点，主要表现在其顶、底端冶金质量高，切除少。CAP1400主管道用核级超低碳控氮不锈钢价值不菲，电渣锭顶、底端质量高，切除量少，材料利用率提高具有重大经济效益。

电渣重熔原本是一种生产小锭的特种熔炼技术，而且是在20世纪50年代末、60年代初才发展起来的。大型电渣重熔的工业化生产，时间更为短暂，以致国内外电渣重熔的大型化都颇费周折，世界上好几台大型电渣炉都不成功，大型电渣炉至今也没有标准化。因此，一般情况下，新建一台大型电渣炉，无论是在国外还是在国内，无论是进口的还是国产的，都要反复开炉热调试若干次，而且还常常不正常、不顺利。130 t电渣炉安装完成，开炉两次，两次都是一次成功，而且顺利生产出世界上第一根112 t核级超低碳控氮不锈钢电渣锭。可以说，这是目前世界上顺利取得成功的为数不多的大型电渣炉之一，在大型电渣重熔技术领域是不多见的。

图1 130 t电渣炉在生产Fig.1 130 t electroslag furnace in production

2.3 超低碳的保证

虽然，在奥氏体不锈钢中，碳能强烈形成并稳定奥氏体且扩大奥氏体区，还可通过固溶强化显著提高它的强度。但是，碳通常被视为奥氏体不锈钢的头号有害元素，因为碳和铬的亲和力很大，它能与铬形成高铬的Cr23C6型碳化物，导致晶界铬的贫化，降低耐晶间腐蚀性能，增大点腐蚀倾向。超低碳奥氏体不锈钢中的碳一般小于等于0.035%，而CAP1400主管道用超低碳奥氏体不锈钢的碳要求更为苛刻：[C]≤0.020%。

通过VODC深脱碳，自耗电极中的碳都在0.015%左右。重熔如此超低碳钢种，极容易发生增碳，稍有不慎，就会导致增碳出格报废。一旦报废，经济损失巨大。生产过程中，在电极清理、渣料净化、启动方法、造渣工艺、脱氧制度等方面采取了特殊措施，重熔全过程始终没有发生明显增碳，而且钢锭底部表面质量良好。

2.4 氮含量的保证

强度和耐蚀性是不锈钢最重要的性能指标，承载和输送高温、高压、高流速、含放射性冷却剂的主管道的强度和耐蚀性就更为重要。在[C]≤0.020%的SA376 TP316LN中，氮代替碳的作用，很强烈地形成并稳定奥氏体且扩大奥氏体区，提高镍当量，降低钢中的铁素体含量，降低热加工中的裂纹敏感性；氮形成间隙式固溶体，在显著提高其常温及高温强度的同时又不降低材料的塑韧性；作为改善耐蚀性的元素，氮的加入提高了SA376 TP316LN的抗敏化性能，从而改善了耐晶间腐蚀性能，还能抑制点蚀的发生和蚀孔内金属的溶出速度，改善局部腐蚀性能，提高抗蠕变、疲劳、磨损能力。

在SA376 TP316LN中，[N]＝(0.10%～0.16%），氮含量范围狭窄，介于控氮型与中氮型之间，旨在提高强度又具有优良的耐蚀性。因此，在电渣重熔SA376 TP316LN过程中避免氮的逃逸很重要，不然会对强度和耐蚀性有重要影响。虽然氮在铁-铬-镍奥氏体中的溶解度甚高，但也必须在电极要求、熔炼参数、脱氧制度等方面采取一定的保氮措施，电渣重熔才能达到理想的保氮结果。

2.5 高纯净度控制

纯净度是当今世界大钢锭的两大冶金质量难题之一。高铬钢水黏度较大，要注意夹杂物的分离。特别是含氮钢种要注意尽量防止氮化物夹杂。在铁-铬-镍奥氏体中氮的溶解度很高，但重熔工艺失当，仍然会导致氮化物夹杂偏高，氮化物会使钢的塑性和韧性降低，恶化热加工性能。因此，必须在电极的制备、渣系的选择、重熔工艺参数、脱氧制度等方面严防氮化物夹杂。

SA376 TP316LN 112 t电渣锭自耗电极熔炼，尽管采用了强制脱氧措施，但由于小于0.020%的超低碳钢，与之平衡的氧含量高，电极中的氧含量仍在48×10-6～92×10-6之间。经电渣工艺强烈精炼，钢中的氧下降到了24×10-6，如上所述，重熔前后氮含量没有发生变化，因此，SA376 TP316LN 112 t电渣锭不但氧净度达到了很高的水平，氮化物夹杂也得到了有效控制。

2.6 有害微量元素控制

核电用钢必须具有优良的抗辐照性能。主管道承受着一定能量的中子辐照。这将引起钢结构的改变，晶格内原子发生位移，使晶格内出现空位和间隙，形成晶格缺陷，导致钢的机械性能恶化，最严重的影响是产生辐照脆化现象，使钢的冲击韧性下降，发生脆性断裂。

对微量元素和杂质元素加以严格控制，对中子辐照敏感的一些痕迹元素也不忽视，是改善核电用钢辐照脆化性能的有效途径。P、Co、Cu是中子辐照脆化敏感元素，P在晶界吸附还引起晶间腐蚀。冶炼高铬镍不锈钢获得低P、低Co极其困难，必须在原材料和造渣制度采取有效措施。大量分析结果表明，SA376 TP316LN 112 t电渣锭的P、Co、Cu大大低于产品标准限制要求。产品标准要求是：[P]≤0.025%，[Co]≤0.050%，[Cu]≤0.10%。电渣锭中：[P]=0.018%，[Co]=0.028%，[Cu]=0.013%。

SA376 TP316LN的热加工抗力较大，Cu、Sb、Sn、As、Pb、Zn、Bi均为低熔点元素，凝固的选分结晶使其产生严重偏析，影响热塑性，在高温加热过程中产生富集，形成应力源。在奥氏体单相区，高温下固溶的Nb、V、Ti、Al等以氮化物形式沿晶界析出，从而在晶界形成应力集中源。这些将会导致产生锻造裂纹，降低焊接性能和机械性能。虽然，产品和客户并未对CAP1400主管道用SA376 TP316LN 112 t电渣锭的微量元素提出要求，但从电极开始就有严格控制，经电渣重熔后钢中极低的微量元素含量与电极保持一致。

显然，极低的微量元素含量对于改善热加工抗力较大的SA376 TP316LN 112 t锭的锻造性能，提高CAP1400主管道的焊接性能和力学性能都是很有利的。

2.7 高均匀性控制

均匀性是当今世界大钢锭的又一大冶金质量难题。SA376 TP316LN的合金含量超过30%，电渣锭的直径达2 m，加之重熔时间长达两个昼夜。因此，既要注意控制高合金含量的大截面的凝固偏析以获得高的横向均匀性，又要注意在长达两个昼夜的重熔期间控制合金元素的烧损以获得高的纵向均匀性。

钢锭的偏析取决于凝固冷却速度，从提高冷却速度的传热入手，对合理的结晶器结构形式设计及结晶器选材都进行了反复比较，精益求精，充分发挥了电渣技术高速冷却快速凝固的优势获得了横向高均匀性。对于电极的组配、渣系的选择、熔渣碱度及氧化性的控制、重熔工艺、脱氧工艺等方面充分应用了专利技术[1-4]和相应的专有技术，措施周密可靠，在长达两个昼夜的重熔过程中，炉渣始终保持白色，[FeO]始终在0.5%以下，合金元素特别是易氧化合金元素控制稳定，在重熔全过程保持均匀烧损获得了纵向高均匀性。

2.8 低氢控制

氢在钢中会造成多种严重缺陷。在大气条件下进行的电渣重熔容易增氢，大型电渣锭熔炼时间长达数十小时，特别是在南方沿海，空气湿度高达30 g/m3以上，重熔过程增氢严重，大型电渣重熔的低氢控制极其困难。虽然氢在超低碳、高铬、高镍的奥氏体中溶解度较高，SA376 TP316LN对氢不敏感，但使电渣锭中的氢含量保持尽可能低仍然是很有意义的事。

依据电渣冶金原理，从电渣重熔过程氢在气/渣/钢三相反应中的行为入手，通过电极处理技术、渣的选择及处理技术、启动技术、保护熔炼技术等专利技术[1-2，4]和相应的专有技术控制渣池中的氢和炉气中的含湿量，有效地控制了重熔过程增氢。在SA376 TP316LN 112 t电渣锭重熔过程中，炉内湿度始终保持小于1 g/m3，电渣锭中的氢含量小于2×10-6，与电极中的氢含量保持一致。

3 讨论和总结

3.1 制造CAP1400主管道必须采用电渣锭

生产大锻件需要大钢锭，对于CAP1400主管道锻件，研究人员认为，必须采用电渣锭。112 t电渣锭若用普通锭代替，锭重量要达到150 t左右，SA376 TP316LN不能采用真空浇铸，浇铸一百多吨的大锭将会产生以下问题：

1）高铬钢水黏度大，浇铸温度的控制很难掌握，而且上注下注都很困难，问题很多，上注表面质量极差，下注中注管很高，安全性差，温度高易跑钢，温度低浇不满，风险很大。

2）即使采取保护浇铸措施，在长时间浇铸过程中，高铬钢水二次氧化仍很严重，使钢的纯净度严重恶化，百多吨黏稠的高铬钢水对耐火材料的长时间冲刷，使钢水受耐火材料污染严重，夹杂物难以分离而容易被卷带存留锭中。

3）翻皮、皮下缺陷严重，锻造前需全面剥皮，不锈钢剥皮很难加工，一百多吨的不锈钢大锭剥皮不是件容易事，不但加工设备庞大，而且切屑与刀具间极易产生黏结，造成刀具磨损大，耗工耗料耗工具，周期很长，即使全剥皮锻造性能也不好。

4）由于SA376 TP316LN合金含量高达30%以上，高合金钢水在自然冷却条件下凝固成百多吨的大钢锭，严重的沉积锥和偏析将不可接受，切除量相当大。

5）一百多吨的不锈钢大锭的冒口和沉积锥切割极其困难等。

冷段弯管需要的钢锭较小，若用超过100 t的普通锭也同样存在上述问题，而采用电渣锭，不仅上述问题迎刃而解，尤其具有高均匀性、高致密度、高纯净度、高热塑性、高利用率、高合格率的重要特点和巨大优势。

3.2 成套提供AP1000和CAP1400主管道电渣锭至少8套/年的能力已经具备

我国的大型电渣重熔技术在世界上一直处于领先地位[5-9]。20世纪中叶，很多国家包括一些工业发达国家刚刚开始起步研究电渣重熔技术，世界电渣炉的容量还仅仅在几吨范围的1965年，我国就已生产出了100 t电渣锭，1983年生产出了205 t电渣锭，我国第一座核电站（秦山核电站）所需核电大锻件的钢锭就是用我国1981年创建的200 t级电渣炉生产的。可以说，没有中国原创的大电渣技术，就没有中国核电的起步。20世纪90年代以来，曾用EAF（电弧炉）+AOD（氩氧脱碳）+ESR（电渣重熔）和EAF（电弧炉）+VODC（真空吹氧脱碳转炉）+ESR（电渣重熔）三联法生产大量不锈钢大型电渣锭，解决了生产各种高端不锈钢大锻件的钢锭问题[10-12]。比如，巴基斯坦恰希玛核电站核安全阀阀体、核潜艇堆内构件不锈钢锻件、百万千瓦级核电站堆内构件不锈钢锻件、百万千瓦级超超临界转子所需不锈钢大钢锭都是采用这种三联法生产的。

为满足熔炼工艺、产品质量和生产纲领要求，在目前国内外百吨以上电渣技术最新发展的高起点上自主创新设计和研发工艺技术，进行了一系列卓有成效的开创性工作，我国研制的130 t电渣炉具有以下新颖的特点:

1）三相有载有级调压，低压无功补偿，实时动态精确控制功率因数。

2）多电极换电极操作，集散控制系统（DCS）和称重系统对熔化速度实现精确控制，锭重可在10～130 t间自由变动，准确获得。

3）在线定氢定氧，电渣重熔过程中直接控制氢、氧含量。

4）炉子具备保护熔炼功能，炉内湿度始终保持小于等于1.0 g/m3，炉内无湿度梯度，重熔过程不增氢等。

生产实践已经证明，130 t电渣炉结构合理，保护熔炼功能强，短网压降小，功率因数高，对生产工艺的过程参数、规范程序和操作方法适应性强，对熔炼工艺和冶金质量可精确控制和自如调节，特别是熔炼工艺技术如电极处理技术、启动技术、渣制度、电制度、温度制度、速度制度、脱氧制度、均匀性控制技术、残余铝控制技术、低氧控制技术、低氢控制技术、补缩控制技术等独树一帜，产品质量稳定可靠性高。最大能生产150 t的电渣锭，覆盖了包括AP1000、ACP1000、ACPR1000、CAP1400、CAP1700在内的主管道、堆内构件以及1 000～1 300 MW超超临界汽轮机高-中压转子等高端大锻件用电渣锭和重型宽厚板坯的需要，具有年产至少8套第三代核电主管道、堆内构件以及超超临界转子用电渣锭和单重40～100 t的宽厚板坯6 000 t的能力。这对于缓解我国高端大锻件材料紧缺的突出矛盾，增强对国家重大需求的保障能力，对于提高核电自主技术创新能力，促进核电产业的自主化发展，都具有重大作用。

[1] 向大林，辜荣如. 一种多个小炉生产大型钢锭的电渣重熔法[P].中国发明专利.CN 201210247584.3.（XIANG Da-lin, GU Rong-ru. An Electroslag Remelting Process for Producing Heavy Ingot with Several Small Burners[P]. Chinese patent of invention: CN201210247584.3.）

[2] 向大林，辜荣如. 电渣重熔炉[P]. 中国发明专利. CN 201310252479.9.（XIANG Da-lin, GU Rong-ru. The Electroslag Remelting Process[P]. Chinese patent of invention: CN201310252479.9.）

[3] 向大林，辜荣如. 一种电渣钢残余铝的控制方法[P].中国发明专利. CN 201210252479.9.（XIANG Da-lin, GU Rong-ru. A Control Method for Electroslag Steel Residual Aluminium[P]. Chinese patent of invention: CN201210252479.9.）

[4] 向大林，辜荣如.一种电渣重熔的低氢控制方法[P]. 中国发明专利. CN 201210252486.9.（XIANG Dalin, GU Rong-ru. A Low Hydrogen Control Method for Electroslag Remelting[P]. Chinese patent of invention: CN201210252486.9.）

[5] Xiang Da-lin，et al. Controlling Metallurgical Quality in the 200t ESR Installation[R]. Proc.10thInternational Conference on Vacuum Metallurgy，1990：226-246.

[6] 向大林，等. 用于制造600 MW汽轮机低压转子的180 t电渣锭生产[J]. 钢铁，1999，3（12）：23-26.（XIANG Da-lin, et al. The 180 t Electroslag Ingot Production for 600 MW Turbine Lowpressure Rotor[J]. Iron and Steel, 1999,3(12):23-26.）

[7] 向大林. 200 t级电渣炉的技术特点和产品评价[J]. 大型铸锻件，2004，105（3）：49-54.（XIANG Dalin. Technical Characteristics of 200 t Electroslag Furnace and Product Appraisal[J]. Heavy Casting Forgings, 2004, 105(3):49-54.）

[8] 向大林. 大型电渣重熔值得注意的几个问题[J]. 大型铸锻件，2011，139（1）：26-33.（XIANG Da-lin. Several Notable Problems in Largescale Electroslag Remelting[J]. Heavy Casting Forgings, 2011, 139(1):26-33.）

[9] 向大林. 中国大型电渣技术在世界上的领先地位[J]. 中国新技术新产品，2012, 6（221）：83-84.（XIANG Da-lin. China＇s Large Electroslag Technology in a Leading Position in the World [J]. China＇s New Technologies and New Products, 2012, 6(221):83-84.）

[10] 向大林，等. 核安全一级阀超低碳不锈钢锻件研制[J]. 大型铸锻件，1999，83（1）：21-27.（XIANG Da-lin, et al. Development of Extra-low Carbon Stainless Steel Forgings for Nuclear Safety Grade-I Valves[J]. Heavy Casting Forgings, 1999, 83(1):21-27.）

[11] 向大林，等. 含Ti不锈钢大锻件研制[J]. 大型铸锻件，2002，97（3）:1-4,12.（XIANG Da-lin, et al. Development of Ti-containing Stainless Steel Heavy Forgings[J]. Heavy Casting Forgings, 2002, 97(3):1-4,12.）

[12] 向大林，等. 快堆工程用不锈钢核电锻件研制[J]. 大型铸锻件，2003，100（2）：6-10.（XIANG Da-lin, et al. Development of Stainless Steel Forgings for Fast Reactor Project[J]. Heavy Casting Forgings, 2003, 100(2):6-10.）

Development of 112 t ESR Ingot for CAP1400 Main Pipe

XIANG Da-lin，GU Rong-ru
(Zhejiang ESR Nuclear Material Co.，Ltd.，Haiyan of Zhejiang Prov. 314305, China)

This paper describes the key techniques and results of SA376 TP316LN 112 t ESR ingot produced for the first time in the world. Points out, it must use the ESR ingots to produce CAP1400 main pipe forgings，and effective guarantee of ultralow-C, N contents，high cleanliness and high homogeneity is a key during ESR.

CAP1400 main pipe；ESR ingot；SA376 TP316LN；130 t ESR furnace

TL34 Article character: A Article ID: 1674-1617(2013)02-0105-06

TL34

A

1674-1617(2013)02-0105-06

2013-01-10

向大林（1944—），男，四川武胜人，教授级高级工程师，从事大型电渣技术和核电大锻件材料制造技术研究。