核电站用高导磁球墨铸铁材料研究与应用

摘要

磁轭铸件是核电站控制棒驱动机构中重要部件,由于控制棒驱动机构是反应堆中唯一运动的机构,因此要求整套机构具有很高的可靠性和安全性,属质量一级设备.秦山一期核电工程使用的磁轭部件是由10号锻钢加工制造而成,但在制造和使用过程中发现,该设计方案生产工艺复杂,材料利用率低,成本较高.同时,由于用量少,国内大型钢铁厂无法按照核电标准来特殊生产10号锻钢,造成材料性能不稳定,尤其是磁性能无法保证,从而影响整套控制棒驱动机构的可靠性.近年来,国外核发达国家核电站控制棒磁轭件已开始采用高导磁铸铁材料,如法国日蒙公司采用高导磁铸铁材料制造控制棒驱动机构磁轭件,但国内尚无相关的技术资料.该文以10号锻钢为对比材料,进行了具有低成本、高磁导率和良好综合性能的球墨铸铁材料研究.根据材料磁性能和力学性能的要求,设计出材料的成分和显微组织,探讨了合金元素和热处理工艺对显微组织、磁性能和力学性能的影响,测试了材料的磁性能、高温性能、电阻率、热物理性能和减震性能,并进行了生产验证.结果表明:随含硅量的增加,所研究球铁材料的饱和磁感应强度和最大磁导率增加,抗拉强度增加,断后伸长率和冲击韧性下降;随碳含量增加,铸铁中石墨数量增加、尺寸减小.磁性能在w(C)=2.9％时出现峰值,碳含量高于或低于该值,最大磁导率和饱和磁感应强度均降低.组织中存在片状石墨或球化率低是较低碳含量球铁磁性能低的主要原因;与低温退火相比,高温退火可使球铁的磁性能大幅度提高,最大可提高71.4％.铁素体晶粒长大是高温退火条件下磁性能提高的主要原因;合金成分为w(C)=2.7％~3.2％、w(Si)=2.5％~3.0％、w(Mn)≤0.4％时,经930℃×3h+760℃×3h工艺高温退火,最大磁导率可达到μ<,m>≥2.0×10<'-3>H·m<'-1>;磁性能和力学性能等均满足核电站控制棒驱动机构对磁轭的使用工况要求.与10号锻钢相比,研制出的核电站用高导磁球墨铸铁材料具有成本低、综合力学性能好和制备工艺简单等优势,采用该研究成果制造磁轭铸件已成功地应用于秦山核电站二期工程.

目录

文摘

英文文摘

独创性说明及关于论文使用授权的说明

1引言

1.1磁性参数与铁磁材料磁化原理

1.1.1磁性参数

1.1.2铁磁材料的磁化过程

1.1.3物质的磁性及其分类

1.2金属软磁材料研究发展概况

1.2.1工业纯铁

1.2.2铁硅合金

1.2.3低碳钢

1.2.4铸铁

1.2.5其它金属软磁材料

1.3本文研究的目的、内容和目标

2试验过程及方法

2.1试验材料

2.2熔炼、铸造及热处理工艺

2.3性能与显微组织分析

3磁轭用高导磁铸铁的成分和显微组织设计

3.1磁轭材料技术指标

3.2显微组织对铸铁性能的影响

3.2.1显微组织对磁性能的影响

3.2.2显微组织对力学性能的影响

3.3合金元素对铸铁组织和性能的影响

3.3.1合金元素对铸铁磁性能的影响

3.3.2合金元素对铸铁组织和其它性能的影响

3.4高导磁铸铁成分与显微组织设计

3.4.1显微组织设计

3.4.2成分设计

4试验结果与分析

4.1合金元素及热处理工艺对高导磁球墨铸铁显微组织和性能的影响

4.1.1硅含量对显微组织和性能的影响

4.1.2热处理工艺对显微组织和性能的影响

4.1.3碳含量对显微组织和性能的影响

4.2高导磁球墨铸铁材料成分和热处理工艺确定

4.3高导磁球墨铸铁与10号锻钢的性能对比

4.3.1试样几何尺寸的影响

4.3.2力学性能对比

4.3.3磁性能对比

4.3.4减震性对比

4.4铸造性能和物理性能测试

5生产验证

6结论

参考文献

在学研究成果

致 谢