向大林 辜荣如 温培建
(浙江电渣核材有限公司，浙江,314305)
摘 要：浙江电渣核材有限公司自主创新研发的130t电渣炉是目前世界上取得成功的为数不多
的大型电渣炉之一。利用自主研发的大型电渣技术，生产CAP1400主管道用超低碳控氮不锈钢 SA376 TP316LN 112t电渣锭一次成功。本文简述了在世界上首次生产CAP1400主管道用SA376
TP316LN 112t电渣锭的关键技术和取得的结果。指出，生产CAP1400主管道锻件必须采用电渣锭，
电渣重熔的关键则是有效保证超低碳、氮含量、高纯净度和高均匀性。
关键词: CAP1400主管道; 电渣锭; SA376 TP316LN; 130t电渣炉
Development of 112t ESR ingot for CAP1400 main pipe
Xiang Dalin Gu Rongru
Abstract: The 130t electroslag remelting (ESR) furnace innovated by Zhejiang ESR Nuclear Material Co.,Ltd.independently is one of the successful large ESR furnaces which are numbered in the world at present. By means of large ESR technology with independent research and development,it is successful to produce the 112t ESR ingot of stainless steel SA376 TP316LN with ultralow-C control-N for CAP1400 main pipe.This paper describes the key techniques and results of SA376 TP316LN 112t 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.夹皮沟金矿
Key words: CAP1400 main pipe; ESR ingot; SA376 TP316LN; 130t ESR furnace
1 研制的由来
1.1 AP1000主管道和主管道电渣锭
核电站主管道连接反应堆压力容器和蒸汽发生器，管道内直接承载和输送高温、高压、高流速、含有放射性物质的一回路冷却剂。主管道把在反应堆芯中加热的冷却剂从反应堆压力容器的出口端送入蒸汽发生器的进口端，经过蒸汽发生器热交换后由蒸汽发生器的出口端流出进入主冷却泵，经主冷却泵送入反应堆压力容器的进口端，形成反应堆冷却剂的循环。因此，主管道是连接反应堆压力容器、反
应堆冷却剂泵和蒸汽发生器的核安全一级设备，作为反应堆压力容器、主泵、蒸发器等核岛七大关键设备之一，被称之为核电站核蒸汽供应系统输出堆芯热能的“主动脉”。
第三代核电AP1000机组的设计寿命是60年，比第二代核电设计寿命40年增加了50% ，其安全性能指标也大幅度提升。所以，第三代核电AP1000的主管道采用了完全不同于第二代核电的超低碳控氮不锈钢整体锻造、弯型大锻件，以最大限度地提高AP1000核电站在设计基准事故乃至超设计基准事故状况下的安全性和可靠性。
AP1000主管道是我国AP1000自主化依托项目中唯一没有引进国外技术的核岛关键设备。中国二重攻坚克难，为国争光，终于拔得头筹。2010年1月，二重与国家核电技术公司所属国核工程公司在北京签订了三门核电站一号机组、海阳核电站一号机组主管道采购合同，拿到了我国AP1000主管道首单。
由于AP1000主管道用超低碳控氮奥氏体不锈钢SA376 TP316LN 电渣锭利用山东通裕的电渣炉于2009年4月最先生产出来，2010年3、4月间，二重集团公司曾多次去电去人向山东禹城求援供应成套AP1000主管道用超低碳控氮奥氏体不锈钢SA376 TP316LN 电渣锭。的确，AP1000主管道研制厂家，无论是中国一重、中国二重，或者是渤船重工、吉林昊宇，都还无力解决AP1000主管道大型电渣锭问题。
针对国内AP1000主管道锻件研制缺乏高品质的核级控氮不锈钢大型电渣锭的瓶颈制约，在总结研究核级不锈钢大锻件材料生产及核级不锈钢大锻件制造近30年的科研成果和生产经验的基础上，在极其简陋的条件下，因地制宜，利用本公司技术于2009年4月在山东禹城生产出AP1000主管道用超低碳控氮不锈钢（SA376 TP316LN）72t电渣锭(图1)；于2010年4-5月，成套生产了AP1000主管道用超低碳控氮不锈钢（SA376 TP316LN）电渣锭（图2）8根（72t×2，44t×2，42t×2，38t×2）供应渤船重工，渤船重工用这套电渣锭制成的主管道已于2011年10月25日交货，用于我国AP1000自主化依托项目首台机组浙江三门核电站1号机组，这套主管道正在三门核电站安装；于2010年12月又生产了一套AP1000主管道用超低碳控氮不锈钢（SA376 TP316LN）电渣锭（图3）6根（78t×2，54t×4）供应中国二重；于2011年7月、2011年11月又生产了AP1000主管道用超低碳控氮不锈钢（SA376 TP316LN）81t电渣锭2根供应中国一重（图4）。
图1 首次研制的AP1000主管道电渣锭 图2 成套生产的第一套AP1000主管道电渣锭之一 (SA376TP316LN,72t,2009.04） （SA376TP316LN,72t,2010.04）
Fig. 1 The AP1000 main pipe ESR ingot Fig.2 One of first set of AP1000 main pipe produced for the first time in the world ESR ingots produced in full sets (SA376TP316LN,72t,2009.04）（SA376TP316LN,72t,2010.04）
图3 成套生产的第二套AP1000主管道电渣锭之一 图4 最大的AP1000主管道电渣锭之一
（SA376TP316LN,78t,2010.12） （SA376TP316LN,81t,2011.11）
Fig.3 One of second set of AP1000 main pipe Fig.4 Largest one of AP1000 main pipe
ESR ingots produced in full sets ESR ingots
构建和谐社会的意义
（SA376TP316LN,78t,2010.12） （SA376TP316LN,81t,2011.11） 1.2 CAP1400主管道和主管道电渣锭
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、功率更大的压水堆核电技术品牌，是我国第三代核电技术自主创新的标志，也是我国建设创新型国家的标志性工程之一。根据工程建设计划，CAP1400示范电站将于2013年4月浇灌核岛筏基第一罐混凝土（FCD ），2017年12月底投入运行。
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，AP1000主管道用电渣锭最大重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110吨以上。
高品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高品质巨型钢锭。第三代核电主管道用超低碳控氮不锈钢电渣锭从70吨到115吨，这不是一个简单的数量增加，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，以致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。众所周知，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。因此，国内外迄今为止都还未见有生产过百吨核级超低碳控氮不锈钢电渣锭的报道。
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为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，
浙江电渣核材有限公司想国家之所想，急国家之所急，坚持科技创新，用一年时间，自主创新研发设计，在中国核电城新建了130t电渣炉工程。2012年6月，公司主要领导一行主动上门，热忱表示愿为二重的AP1000、CAP1400主管道及堆内构件和超超临界转子等高端锻件生产助一臂之力。2012年9月，二重集团重型装备股份有限公司与浙江电渣核材有限公司的战略合作协议签订。
图5 CAP1400主管道112t电渣锭出炉（SA376TP316LN,2012.12.17）
Fig.5 A 112t ESR ingot for CAP1400 main pipe out mould（SA376TP316LN,2012.12.17）根据与二重签订的CAP1400主管道电渣锭协作技术协议，在深入总结17根、总重1000t 的 AP1000主管道电渣锭生产经验的基础上，结合新建的130t电渣炉的具体实际，苦心孤诣，殚精竭虑，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各方面，进行了一系列卓有成效的开创性工作，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112t超低碳控氮不锈钢（SA376 TP316LN）电渣锭。图5是钢锭出炉时的照片。不死咒怨
本文报告CAP1400主管道用112t电渣锭（SA376 TP316LN）研制结果。
2 关键技术及取得的结果
2.1 高质量自耗电极控制技术
高质量的自耗电极是生产高品质电渣锭的前提，高质量的自耗电极为电渣锭的高品质
奠定了基础，自耗电极的高质量会遗传给电渣锭。对于难度很高的CAP14000主管道112t 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，其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1.4-1.8m，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VCD功能（10min左右）。VCD 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VCD时间长达15min。
（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（图6）。
半衰期图6 自耗电极冒口（电极余头）布吉成校
Fig. 6 Heads of consumable electrode( residual head)
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