Диссертация (Разработка технологических основ электрошлаковой сварки чистых корпусных сталей АЭС), страница 7

Десульфурация происходит под слоемсинтетических шлаков типа CaO – Al2O3 – CaF2 по реакции:(CaO) + [S] = (CaS) + [O](2)46Перед рафинированием стали шлак обновляется присадками порошковогоалюминия [89]. Считается, что рафинирование с помощью шлаковых смесей ввакууме особенно эффективно [90]. В соответствии с реакцией (2), чем вышеактивность CaO в шлаке и ниже активность сульфида кальция и кислорода вметалле, тем полнее протекает десульфурация [91]. Для глубокого обессериванияобязательным условием является низкое содержание растворѐнного кислорода врасплавленной стали [92].

Это достигается за счѐт предварительного раскисленияметалла, например, присадками кускового алюминия. Реакция (2) в этом случаепротекает иначе:(CaO) + [S] + 2/3 [Al] = (CaS) + ½ (Al2O3)(3)Т. Кнюппелем [93] приводится пример, что при концентрации серы равной0,002%, содержание чистого алюминия составляло 0,04%.

С другой стороны, дляснижения степени ликвации и предотвращения связанного с ней выделениясульфидов второго типа необходимо иметь низкие концентрации кремния иалюминия, независимо от содержания серы и условий разливки стали.Рекомендуютсясодержаниякремнияисерыменьше0,10%и0,15%,соответственно.Охрупчивание границ зѐрен из-за выпадения на них частиц второй фазысильно сказывается и на высокотемпературных механических свойствах стали.

Вработе [94] выявлены три зоны низкой пластичности: I – Тпл. …1340 0С,II –1200…800 0С, III – 900…700 0С. Х. Сузуки приводит следующие температурныеинтервалы зон хрупкости: I – Тпл. …1200 0С, II – 1200…900 0С, III – 900… 600 0С[95]. Эти исследования были вызваны необходимостью изучения причин трещинв слитках, полученных методом непрерывной разливки стали. Этот метод, какизвестно, сопровождается высокими градиентами температур и термическиминапряжениями [96]. Хрупкость во второй температурной зоне является типичнойдля непрерывно разлитой стали и проявляется при высокой скорости остываниязаготовки.Охрупчиваниеобъясняется[95]повышеннойконцентрациейсоединений серы, кислорода и фосфора на границах зѐрен.

Важно отметить, чтоII зона хрупкости при других условиях охлаждения слитка может не проявляться.47В работах [97, 98] интервал пониженной пластичности 700…900 0С связывается сзернограничными выделениями нитридов алюминия и образованием плѐнокпервичногоферрита.Совместноеохрупчиваниенитридамиалюминияисульфидами марганца низкоуглеродистой стали при Т = 775 0С отмечается вработе [99]. Заметим, что в работах [97 – 99] снижение пластических свойствобнаружено после нагрева испытываемых сталей на 1350 0С и последующегоохлаждения.Таким образом, по результатам исследования и анализа производстванекоторых изделий АЭУ следует, что их технологическая свариваемость имеетряд существенных отличий.Принципиальная технология изготовления сварноштампованных днищ изсталей 22К и 10ГН2МФА является рациональной.Установлено, что в отдельных случаях чистая сталь 15Х2НМФА (послеУВРВ) имела пониженную технологическую свариваемость разными способамиэлектродуговой сварки и резки, что вызвало в сварных изделиях дефектность двухтипов:- скопления несплошностей протяжѐнностью 0,2…1,0 мм (иногда до 3…4мм) в зонах перегрева ОШЗ и ЗТВ;- квазихрупкие трещины, вызванные термическими напряжениями иналичием технологических и других концентраторов напряжений.На примере анализа ЭШС днищ корпуса реактора толщиной 240 ммобнаружено сильное влияние на результаты сварки:- способа выплавки листовой стали 15Х2НМФА;- режима сварки, определяющего термодеформационный цикл ЭШС.В литературе имеются сведения по практическому влиянию раскислениясталинаеѐструктуру имеханическиесвойства.

Данныепооценкетрещиностойкости и трещиноустойчивости стали, в зависимости от способа еѐвыплавки практически отсутствуют, что требует проведения исследований в этомнаправлении.Полностьюотсутствуюткакие-либоданныеповлияниюрегулируемого подогрева на результаты сварки. Предварительный, сопутст-48вующий и послесварочныеподогревы выполняются с помощью установокместного нагрева, которыми оснащены все современные установки сварочногооборудования, в т.ч.

стенд для ЭШС.В настоящей работе проведены исследования высокотемпературнойтехнологической прочности сварных соединений корпусных сталей 10ГН2МФА и15Х2НМФА с целью повышения их технологической свариваемости на примереЭШС ѐмкостного оборудования АЭС.Для этого были поставлены следующие задачи:1) изучение и анализ качества изделий АЭС в технологических процессах сприменением ЭШС в условиях ПО «Атоммаш»;2) экспериментальная оценка металлургической и тепловой свариваемостикорпусных сталей 10ГН2МФА и 15Х2НМФА в аустенитном интервалетемператур;3) разработка комплексной методики анализа неметаллических включенийдля детального изучения очагов повреждаемости в зоне сплавления сварныхсоединений;4) формализация и анализ влияния производственных факторов ЭШС натехнологическую свариваемость изделий;5) разработка оценочного критерия трещинообразования в электрошлаковых сварных соединениях на основе чистых корпусных сталей;6) исследование и анализ термодеформационных циклов ЭШС при сваркеопытно-штатного изделия из толстолистовой стали 15Х2НМФА натуральныхразмеров;7)разработка мер повышения технологической свариваемости изделийАЭС из чистых корпусных сталей электрошлаковым способом.49Глава 2.

МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ2.1. Исследование термодеформационного цикла ЭШСОпределение параметров ТЦС (скорости нагрева Wн, скорости охлажденияWохл, времени нагрева τн и охлаждения τохл) выполняли на опытной карте почти внатуральную величину (Рисунок 2.1). В 4-х местах по высоте стыка (по два накаждой листовой заготовке) фрезеровались пазы на глубину 125 мм. В пазывставлялись вкладыши поз. 6 из стали 15Х2НМФА с предварительно приваренными импульсной сваркой вольфрам-рениевыми термопарами ВР 5/20 диметром0,3 мм, поз.2 (Рисунок 2.2).

Вкладыши поз. 6 фиксировались в пазах обваркой поконтуруэлектродамиЭА395/9.РегистрациюТЦСосуществлялимногоканальными потенциометрами КСП-4, что возможно в силу «мягкого»температурного цикла при ЭШС.Дополнительно контролировали и фиксировали температурное полесвариваемойкартыспомощьюшестиштатныхХА-термопарпоз.3,расположенных по всей высоте стыка на удалении 400 м от кромки.Перед сваркой исследовали изменение зазора при различных вариантахвключения зон нагревательных панельных элементов.

Установка местногонагрева, (Рисунок 2.1), состоит из двух боковых поясов, поз. 1 и двухцентральных - поз.2. В каждый боковой пояс входитпо восемь панельныхленточных нагревателей (Рисунок 2.1), которые могут включаться и отключатьсятолько одновременно. Центральный пояс разбит на четыре автономные зоны, вкаждой из которых по три нагревателя. Зоны могут работать автономно. Всего водном центральном поясе размещены 12 нагревательных панелей фирмы HitachiKokusai Electric, а в боковом – 8 панелей. Номинальная мощность одной панели ≈12 кВт, рабочий ток – 400 А, напряжение ≈ 30 В, суммарная мощность установкисоставляет (2 · 12 + 2 · 8) · 12 кВт = 480 кВт / с. Для сравнения общая мощностьэлектрошлакового источника при сварке тремя электродами (ток сварки - 400А,напряжение – 46 В) составляет 400 · 46 · 0,87 · 3 ≈ 48 кВт / с, двумя электродами≈ 40 кВт / с.50Рисунок 2.1.

Опытно-штатная карта, 1- панели бокового пояса, 2- панелицентрального пояса, 3 – штатные термопары , 4 – скобы жѐсткости,5 – выводные планки, 6 – вкладыши с термопарами, 7 – термостойкиетензорезисторы, 8 – карман, 9 – стыковой зазор, 10 - неподвижные опоры51Рисунок 2.2. Размеры вкладыша и схема расположения термопар1 – поверхность, совпадающая с кромкой под сварку, 2 – термопарыВ процессе сварки контролировалась скорость и электрические параметрырежима ЭШС. Измерения зазора разделки кромок производили штангенциркулемс ценой деления 0,05 мм в одних и тех же точках по высоте стыка через равныепромежутки времени.

Замеры выполнялись как на стадии предварительногоподогрева, так и в процессе сварки. Регулирование зазора осуществлялось двумябоковыми поз. 1 и двумя центральными зонами поз.2 панельных нагревателей какпоказано на Рисунке 2.1.Напряжения, возникающие в ходе ЭШС, определяли тензометрированием сиспользованием термостойких датчиков поз.7 выдерживающих температуру до450 0С. Розетки из двух датчиков (продольный + поперечный), привариваемыеконденсаторной сваркой, располагались со стороны одного из листов нарасстоянии 200 мм от кромки разделки по всей высоте стыка, Рисунок 2.1.Уровень напряжений регистрировали цифропечатающим устройством тензометрической станции ЦТМ-5 с дискретностью 5 минут. Перед нагревом сборкификсировали начальное напряжѐнное состояние каждого тензодатчика, котороепринималось за нулевое.

При обработке результатов учитывали температурнуюпоправку, вызванную изменением чувствительности датчиков в зависимости от52температуры нагрева, С этой целью были построены тарировочные графики вдиапазоне 20…450 0С. Температура в каждой розетке измерялась технологической термопарой приваренной конденсаторной сваркой.2.2. Нахождение критических точек корпусных сталейФизической предпосылкой существования ТИХ у сталей является наличиетемпературного интервала кристаллизации (ТИК) [100].

Температура ликвидусаТл не зависит от условий еѐ нахождения, в отличие от температуры солидуса Тс,зависящей от скорости нагрева и, особенно, охлаждения. В данной работенаходили Тл и Тс в условиях, приближѐнных к равновесным при скоростяхохлажденияменее100С/мин.Исследованияпроводилинаустановке«Параболоид-3» (Рисунок 2.3) методом проникающего гамма-излучения [101].Рисунок 2.3. Схема установки «Параболоид - 3»1 - нагревательный элемент электропечи, 2 - термопара W-Re,3 - тигель с расплавом, 4 – экран, 5 - защитный кожух, 6 - источникγ-излучения Cs137, 7 - кристалл NaJ, 8 - фотоумножитель ФЭУ - 12Б,9 - источник питания, 10 - пересчѐтный прибор VA-G-120,11 - цифропечатный прибор VA-G-24A, 12 - потенциометр53Образец (Рисунок 2.4) массой 320 г нагревали в керамическом тигле ватмосфере чистого аргона. В расплав помещали горячий спай вольфрам-рениевойтермопары ВР 5/20 диметром 0,3 мм, защищѐнной алундовым чехлом.Рисунок 2.4.

Образец для испытаний на установке «Параболоид - 3»После перегрева жидкого металла до 1550…1650 0С в процессе последующегоохлажденияфиксировалитемпературупотенциометромПП-63.Спогрешностью ± 2 0С. Параллельно регистрировали интенсивность J проходящегочерез образец рентгеновского излучения. Радиоактивный источник гаммаизлучения, - изотоп137Cs с интенсивностю 2 гр-экв. Ra. Анализировализависимости «J – T» (гаммаграммы), рисунок 2.5 [102].Т, 0СРисунок 2.5. Линейная аппроксимация экспериментальной записи усадкистали 15Х1М1ФЛ в жидком состоянии и при кристаллизации [102]Началокристаллизациинагаммаграммехарактеризуетсярезкимувеличением наклона кривой J(T) при понижении температуры, что соответствует54Тл изучаемой стали.