[发明专利]一种核聚变反应堆用不锈钢异形管的制造方法

说明书

技术领域

本发明属于热轧和冷加工钢铁材料成型技术，具体涉及一种核聚变反应堆用不锈钢异形管的制造方法，其具有特殊的截面形状、较高的表面光洁度、较高的平直度、无磁性、良好的低温强度和低温韧性。

背景技术

核能包括裂变能和聚变能。核裂变能是重金属元素原子核中的质子通过裂变反应释放能量，因为裂变需要的铀等重金属元素在地球上含量稀少，而且常规裂变反应堆会产生放射性较强且很难分解的核废料，限制了裂变能的发展。核聚变能是主要借助氢的同位素通过聚变反应获得巨大能量，不产生核废料，不产生温室效应气体，放射性微乎其微，不对环境和周围居民构成威胁，而且氢同位素原料几乎是无限的。因此，聚变能是一种可持续利用、清洁安全的理想能源，被认为是未来解决世界能源和环境问题最重要的途径之一。

聚变堆需要利用超导体形成的强磁场约束带电粒子，将聚变原料加热到上亿摄氏度高温，实现聚变反应。为满足实现超导环境的4K（-269℃）超低温下的材料强度要求和无磁性要求，在核聚变反应堆内用于支撑和保护超导线圈的套管采用奥氏体不锈钢异形管，使用环境要求其具有无磁性、良好的低温强度和低温韧性。由于此异形管需头尾相接焊接成900米的连续套管，采用牵引穿缆的方法将Nb-Ti导体线束从一端穿至另一端，并预弯成紧密堆叠的螺旋形线圈，故要求其内外表面具有较高的光洁度和较高的管身平直度以减小穿缆阻力。

目前尚无专利涉及此用途的核聚变堆用不锈钢异形管。不锈钢异型管通常的制造方法为管坯热穿孔得到圆形荒管，通过冷轧或冷拔成型由圆形截面变为异形截面；或采用板材进行拼焊，机加工成最终形状；或采用热挤压机直接挤压成型。由于此管内径仅为38mm，最厚处壁厚为21mm，如采用圆形荒管加工，荒管径壁比（=外径/壁厚）将小于3.9，冷轧芯棒由于尺寸过细和变形力大极易发生断裂。如采用板材拼焊方法，首先会造成通长的焊缝大大降低材料可靠性并增加无损检验的难度，其次由于焊缝热影响区产生铁素体相不满足无磁性要求，另外其外方内圆的特殊形状会要求很大的机加工工作量。国内热挤压不锈钢异形管的技术尚处于起步阶段，对荒管弯曲度、截面尺寸精度、表面粗糙度的控制较差，不能满足此产品的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种核聚变反应堆用不锈钢异形管的制造方法，核聚变反应堆用不锈钢异形管具有特殊的截面形状、较高的表面光洁度、较高的平直度、无磁性、良好的低温强度和低温韧性，可用于核聚变反应堆支撑和保护超导线圈的套管。

本发明采用的核聚变反应堆用不锈钢，要求成分质量分数为

Cr：16.00~18.50；

Ni：11.0~14.0；

Mo：2.00~2.50；

C：＜0.030；

Si：＜0.75；

Mn：＜2.00；

P：＜0.03；

S：＜0.01；

Co：＜0.10；

其余为Fe及不可避免的杂质。

为使材料无铁素体相以保证无磁性，并具有良好的低温强度和低温韧性，优选Cr含量17.50~18.50%，Ni含量12.0-14.0%，C含量＜0.020%，P含量＜0.02%，S含量＜0.003%。

本发明的核聚变反应堆用不锈钢采用铁水预处理加转炉加VOD真空脱碳的冶炼方式，浇铸成模铸坯，经电渣重熔，开坯热轧成方坯，锻造成230mm直径的圆锭，热挤压、冷拔、热处理、表面加工；

转炉冶炼是将预处理铁水和Cr合金、Ni合金加入转炉中冶炼成粗钢水，粗钢水的化学成分质量分数为：

C：0.03~0.05%，0<Si<0.50%，Cr：16.00~18.50%，Ni 11.0~14.0%，Mn 0.3~0.6%，P<0.025%，S<0.010%，Mo：2.00~2.50，Co：＜0.10，其余为Fe及不可避免的杂质；

VOD真空脱碳是将粗钢水倒入真空吹氧脱碳炉中精炼，精炼后钢水的化学成分质量分数为：

C：＜0.020%，0<Si<0.50%，Cr：17.50~18.50%，Ni 12.0~14.0%，Mn 0.3~0.6%，P<0.020%，S<0.003%，Mo：2.00~2.50，Co：＜0.10，其余为Fe及不可避免的杂质。