CN107988566A - 一种600MPa级核一级设备用钢及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种600MPa级核一级设备用钢及其制造方法，该钢的成分按重量百分比计如下：C：0.10％～0.20％、Si：0.10％～0.40％、Mn：1.30％～1.60％、Mo：0.40％～0.60％、Ni：0.65％～0.85％、Cr：0.30％～0.45％、V：0.02％～0.05％、B：0.0005％～0.004％：P≤0.012％、S≤0.008％，[H]≤2.0ppm、[O]≤30ppm，余量为Fe及不可避免的杂质。制造方法：钢坯加热温度≥1100℃，平均轧制道次变形量≥10％；热处理采用调质处理，采用本发明生产的钢板具有稳定的强度性能，钢板厚度1/4处强度变化幅度较小且稳定。
Description
技术领域
本发明属于黑色金属材料领域，尤其涉及600MPa级核一级设备用钢及其制造方法。
背景技术
核能作为一种清洁、安全、稳定的能源，已越来越受到世界各国的重视，安全利用核能、大力发展核电已成为一种趋势。我国目前已经成为世界上在建核电机组最多的国家，同时作为核电技术输出国，已先后与南非、巴基斯坦、土耳其等国家签订相关协议，为其建设先进核电机组。其中由我国自主设计、自主开发、自主建造的华龙一号HL1000、CPR1000核电机组中，蒸汽发生生器、安注箱等均属于核一级设备，由于需要与具有放射性的高温、高压的水相接触，应用位置极为关键。通常情况下，蒸汽发生器、安注箱是由筒体、封头及裙座筒体板等装备组成，成品钢板厚度为30-120mm，尤其对于筒体用钢板，钢板单重大都在30吨以上，并且对于性能要求极为严格，无论是调质处理(以下简称QT)，还是模拟焊后热处理(以下简称SPWHT)状态，成品钢板抗拉强度(板厚1/4处)均要求在600-700MPa，因此对于核一级蒸汽发生器、安注箱设备用钢而言，不仅有大单重生产方面的难度，同时还需要进一步控制不同状态下钢板性能的稳定性，满足产品性能要求。因此从国内外现有钢铁企业装备能力来看，均有较大难度。
目前世界上生产该类钢板的企业主要是法国Industeel，选定钢种为RCC-M M2125标准规定的18MND5，生产方式是采用大型钢锭轧制而成。从其生产情况来看主要存在两个方面的问题：一是按RCC-M M2125标准进行生产，钢中的C及Ni、Mo等合金元素含量控制不尽合理，调质处理后虽然可以获得回火索氏体组织，但再经长时间模拟焊后热处理，钢中会析出大量合金碳化物，从而造成强度及韧性下降，难以满足要求。通常情况下，此类钢种只能满足10小时左右的SPWHT，而难以满足实际生产中要求的长达16-16.5小时的SPWHT要求；二是高温拉伸性能。按RCC-M M2125标准进行生产，仅能满足350℃高温条件下抗拉强度(Rm)≥540MPa、屈服强度(RP0.2)≥380MPa的要求。而从安注箱等实际应用温度来看，基本服役环境在150℃左右，因此要求150℃高温条件下抗拉强度(Rm)≥600MPa、屈服强度(RP0.2)≥403MPa，即抗拉强度与常温状态下的保持一致，这是目前18MND5无法实现的。
目前国内外对核电用钢已公开了较多发明申请及文献，主要如下：
(1)发明《核电站安全壳用厚钢板及其制造方法》(申请号：201210269122.1)，公开了一种核电站安全壳用厚钢板，其厚度为10-60mm，其化学成分为:C:0.06-0.15％；Si:0.10-0.40％；Mn:1.0-1.5％；Mo:0.10-0.30％；P≤0.012％；S≤0.003％；Al:0.015-0.050；Ni:0.20-0.50％；以及V≤0.05％，Ti≤0.03％，Cr≤0.25，Nb≤0.03％，Ca:0.0005-0.005％中的至少一种；余量为Fe和其他不可避免的杂质。主要涉及的核电站安全壳用厚钢板具有高强度、高韧性，并且在低温情况下母材及热影响区都具有良好的冲击韧性，适合应用于核电站安全壳制造领域。
(2)发明《一种第三代核电站反应堆安全壳用钢板及其制造方法》(申请号：201210282831.3)，主要涉及一种第三代核电站反应堆安全壳用钢板及其制造方法，其成分范围为：C:0.08-0.12％；Si:0.15-0.55％；Mn:0.9-1.5％；P≤0.007％；S≤0.004％；Ni:0.1-0.5％；Cr:0.0-0.3％；Mo:0.10-0.35％；V:0.010-0.050％；Nb:0.010-0.030％；Ti:0.008-0.035％；Al:0.020-0.050％；N≤0.006％；Nb+V≤0.08％，余量为铁和不可避免的杂质。本发明制造的钢板，抗拉强度达到600MPa以上，耐200℃高温性能，成本低廉，焊接性能优良。
上述两项发明均涉及核反应堆安全壳的建造，发明的淬火温度为800-1000℃，当淬火温度达到1000℃时钢板的组织产生一定的破坏。
(3)发明《一种核电工程用复合钢板及其制备方法》(申请号：201210349026.8)，主要涉及一种核电工程用复合钢板，包含基板和复板，基板为镇静钢钢板，复板为铬镍奥氏体不锈钢钢板。基板成分为：C≤0.025％；Si:0.10-0.50％；Mn:1.00-1.80％；P≤0.015％；S≤0.015％；Ni:0.30-0.80％；Cr≤0.25％；Mo:0.35-0.70％；Cu≤0.12％；V≤0.06％；Nb≤0.02％；Ti≤0.03％；Co≤0.25％；Al≥0.02％，余量为铁和不可避免的杂质。该专利除公开了钢板化学成分外，重点公开了复合钢板的制备方法，虽然提到了基板与复板的成分，但对于钢板如何生产并没有说明。
(4)发明《一种核电站压力容器及设备闸门用钢板及其制造方法》(申请号：201310076884.4)，主要涉及一种核电站压力容器及设备闸门用钢板，钢板成分：C:0.10-0.20％；Si:0.15-0.35％；Mn:1.00-1.65％；P≤0.015％；S≤0.005％；Ni:0.50-0.85％；Cr≤0.15％；Cu≤0.06％；Mo≤0.05％；V≤0.020％；Nb≤0.040％；Ti≤0.020％；Al:0.020-0.050％；N≤0.015％；As≤0.015％；Sn≤0.010％，余量为铁和不可避免的杂质。该专利主要公开了在现有设备条件下采用转炉冶炼，实现了洁净钢的生产。同时钢板生产成本低，具有稳定的组织性能，低温韧性和高温性能，焊接性能、冷热加工性能优良，其韧脆转变温度TNDT≤-28℃。该发明的热处理工艺为正火或淬火+回火，一方面该发明的淬火温度较高，不利于钢板的性能；另一方面该发明并未公开淬火+回火热处理钢板的性能。
(5)发明《一种核电工程设备用超大厚度钢板及生产方法》(201210309621.9)，主要涉及一种核电工程设备用超大厚度钢板及生产方法，属于炼钢生产技术领域。化学成分包括：C≤0.020％；Si:0.10-0.30％；Mn:1.15-1.60％；P≤0.012％；S≤0.010％；Ni:0.50-0.80％；Cr≤0.20％；Mo:0.45-0.55％；Cu≤0.18％；V≤0.01％；Nb≤0.02％；Ti≤0.03％；Al总≥0.020％；Cu+6Sn≤0.33％，余量为铁和不可避免的杂质。该发明主要应用于核电站蒸发器、高压封头及压力容器等关键设备的制造，但该发明制造出的钢板-20℃冲击功约180J,本发明的-20℃冲击功平均210J，并且对比发明不需要模拟焊后热处理性能。
(6)发明《一种核电站机械模块支撑件用高强韧钢板及其制造方法》(申请号：201310083274.7)，主要涉及一种核电站模块支撑件用钢板，成分包括：C:0.08-0.22％；Si:0.15-0.45％；Mn:0.60-1.10％；P≤0.020％；S≤0.015％；Ni:0.60-1.00％；Cr:0.40-0.70％；Cu:0.15-0.55％；Mo:0.40-0.60％；V:0.020-0.080％；Ti:0.008-0.030％；B:0.0005-0.005％；Al:0.020-0.050％，余量为铁及杂质。该专利在低碳含量设计基础上适当添加合金元素，使钢的抗拉强度达到800MPa以上。与本专利相比，其用途、成分设计、生产工艺及性能要求等均有不同，如此高强度也不适于安注箱基板的制造。
文献“核电压力容器用厚钢板SA533B的组织及力学性能，《材料热处理学报》，2012，第33卷，第8期”报道了一种620MPa级核电压力容器用钢，其化学成分中并未添加化学元素Cr，并不能满足美国规范ASME-SA533的要求，所以两个钢种存在本质区别。
文献“核电压力容器锻件用16MND5钢的热处理工艺，《钢铁研究学报》，2012，第21卷，第1期”报道了采用锻造工艺生产16MND5钢的方法，与本发明采用锻造、轧制结合工艺生产存在生产成本高、周期长等问题，同时二者在成分控制、其他生产工艺方面存在较大区别；
“核电先进堆型与我国核电发展，《中国工程科学》，2005，第7卷，第11期”主要介绍的是核电机组堆型以及我国核电技术的发展，并没有涉及具体装备及钢种。
上述文献中提及的核电用钢并不是用于核电站中的关键设备，不属于核一级设备。
发明内容
本发明的目的在于克服上述问题和不足而提供一种600MPa级核一级设备用钢及其制造方法，钢板在QT状态、SPWHT状态的力学性能均保持较高水平，同时在两种状态下的150℃高温拉伸性能与常温状态下基本一致。在钢板厚度1/4处的强度及韧性匹配良好、组织稳定，完全适合核级关键设备蒸汽发生器、安注箱封头、筒体等不同部位用钢的需求。
本发明的目的是这样实现的：
一种600MPa级核一级设备用钢，该钢的成分按重量百分比计如下：C：0.10％～0.20％、Si：0.10％～0.40％、Mn：1.30％～1.60％、Mo：0.40％～0.60％、Ni：0.65％～0.85％、Cr：0.30％～0.45％、V：0.02％～0.05％、B：0.0005％～0.004％，：P≤0.012％、S≤0.008％，[H]≤2.0ppm、[O]≤30ppm，余量为Fe及不可避免的杂质。
本发明钢板成分设计理由如下：
C：钢中C是保证钢板强度的主要元素，在本技术方案中，C含量低于0.10％，基体固溶强化作用不足，导致抗拉强度通常会满足不了要求，尤其经过16小时长时间SPWHT及150℃高温拉伸状态的强度均会进一步下降；相反，C含量大于0.20％，会直接引起韧塑性的下降。因此本发明要求钢中C含量范围为0.10％～0.20％。
Si：Si是有效的强化元素，起到脱氧作用，在本技术方案中要求Si含量不小于0.10％；但含量较高会带来韧塑性下降，并恶化焊接性能，因此控制Si含量上限为0.40％。
Mn：钢中Mn元素除了起强化基体作用外，还能有效地提高钢的淬透性，同样有助于提高强度却降低韧、塑性，因此本技术方案Mn含量控制为1.30％～1.60％。
Mo：Mo的作用是提高淬透性、耐热性，并与Cr、Mn共同作用减少或抑制回火脆性。当钢中Mo含量控制在0.5％左右时，几乎可以完全消除回火脆性；但当Mo含量小于0.20％或大于0.80％时，则对钢的低温回火脆性的作用效果不大，因此确定Mo成分范围内为0.40～0.60％。
Ni：Ni能够明显改善钢的低温韧性，同时提高厚截面钢板的低温韧性，使钢板在具有足够强度的同时还具有较高的韧性，满足指标的要求。考虑到本发明钢要求的强度较高，会在一定程度上降低韧性，需要增加适当的Ni以弥补韧性的损失，因此本技术方案Ni含量控制为0.65％-0.85％。
Cr：Cr在钢中能显著改善钢的抗氧化作用，增加抗腐蚀能力。同时缩小奥氏体相区，提高钢的淬透性能。但Cr还会显著提高钢的脆性转变温度，促进回火脆性。为进一步保证钢板不同状态时强度的稳定性，本发明Cr含量控制范围为：0.30％～0.45％。
V：核电用钢要求是细晶粒钢，比粗晶粒钢辐照脆性小。钢中加入V有细化晶粒、提高晶粒粗化温度作用。同时更为主要的是钢中加V后，析出第二相粒子在长时间SPWHT过程中可以起到有效地晶界“钉轧”作用，延缓强度的下降。因此本发明V含量范围为0.02％-0.05％。
B：钢中加入微量B，固溶后可以有效地提高钢板淬透性，但对于钢板的韧性、塑性不利，同时极易产生辐照脆化，因此B含量不易过高，本发明控制B含量范围为0.0005-0.004％。
P：辐照试验表明，P对辐照脆化亦非常敏感，同时P含量较高，也易于在钢中加剧中心偏析及中心疏松的产生，因此要求钢中的P含量越低越好，本发明P含量控制范围为≤0.012％。
S：S在钢中易形成S化物夹杂，降低冲击韧性，影响焊接性能，同时加剧中心偏析、疏松等缺陷的产生，因此本发明S含量控制范围为≤0.008％。
气体[H]、[O]：总体来讲，它们对钢的性能均有害，同时还会增加辐照脆化效应，因此希望把它们的含量降低到最低水平。本发明要求[H]、[O]含量控制范围为[H]≤2.0ppm、[O]≤30ppm。
本发明钢板的制造方法为：
一种600MPa级核一级设备用钢的制造方法，包括冶炼、轧制、热处理，
冶炼：采用电炉、转炉或其他可满足成分要求的冶炼方式；
轧制：钢坯加热温度≥1100℃，平均轧制道次变形量≥10％，轧制后钢板厚度30-120mm；
热处理：钢板轧后进行调质处理，确保组织均匀、晶粒细小、性能稳定；调质处理工艺为：
淬火：910℃±15℃，保温时间:2min/mm-4min/mm,充分保温以保证钢中各元素充分固溶，形成均匀的奥氏体组织，然后立即进行水淬直到钢板表面温度降至100℃以下；
回火：620℃±10℃，保温时间:2min/mm-3.5min/mm，以保证钢中碳化物析出，并形成稳定的回火索氏体组织。
本发明的有益效果在于：
本发明钢板厚度30-120mm，本发明钢板经QT后，不同状态下均具有稳定的强度性能：
从QT和SPWHT两种状态常温及150℃高温拉伸性能来看，钢板厚度1/4处强度变化幅度较小且稳定，完全满足指标要求。并且本发明钢板经QT后，不同状态下的-20℃冲击吸收能量同样保持在较高的水平，不仅满足指标的要求，而且具有较大的余量。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步的说明。
一种600MPa级核一级设备用钢的制造方法，包括冶炼、轧制、热处理，
(1)轧制：钢坯加热温度≥1100℃，平均轧制道次变形量≥10％；
(2)热处理：钢板轧后进行调质处理，所述调质处理工艺为：
淬火：910℃±15℃，保温时间:2min/mm-4min/mm；然后立即进行水淬直到钢板表面温度降至100℃以下；
回火：620℃±10℃，保温时间:2min/mm-3.5min/mm。
本发明实施例根据技术方案的组分配比，进行冶炼、轧制、热处理。本发明实施例钢的成分见表1。本发明实施例钢的主要工艺参数见表2。本发明实施例钢的性能见表3。
表1本发明实施例钢的成分
| 实施例 | C | Si | Mn | P | S | Mo | Ni | Cr | V | B | H/ppm | O/ppm |
| 1 | 0.13 | 0.24 | 1.55 | 0.008 | 0.002 | 0.55 | 0.80 | 0.40 | 0.040 | 0.0005 | 1.0 | 29 |
| 2 | 0.14 | 0.25 | 1.50 | 0.008 | 0.0007 | 0.52 | 0.78 | 0.41 | 0.040 | 0.0006 | 1.5 | 21 |
| 3 | 0.15 | 0.29 | 1.53 | 0.006 | 0.0009 | 0.50 | 0.79 | 0.36 | 0.041 | 0.0008 | 1.7 | 25 |
| 4 | 0.16 | 0.22 | 1.49 | 0.008 | 0.0006 | 0.50 | 0.75 | 0.37 | 0.030 | 0.002 | 1.1 | 22 |
| 5 | 0.16 | 0.24 | 1.51 | 0.005 | 0.001 | 0.48 | 0.72 | 0.42 | 0.035 | 0.002 | 1.6 | 17 |
| 6 | 0.18 | 0.25 | 1.46 | 0.007 | 0.001 | 0.47 | 0.82 | 0.42 | 0.040 | 0.0025 | 1.8 | 22 |
| 7 | 0.19 | 0.28 | 1.57 | 0.009 | 0.0009 | 0.53 | 0.84 | 0.44 | 0.042 | 0.0026 | 1.2 | 12 |
| 8 | 0.19 | 0.22 | 1.46 | 0.007 | 0.001 | 0.50 | 0.74 | 0.40 | 0.040 | 0.0028 | 1.4 | 13 |
表2本发明实施例钢的主要工艺参数
表3本发明实施例钢的性能
Claims (2)
1.一种600MPa级核一级设备用钢，其特征在于，该钢的成分按重量百分比计如下：C：0.10％～0.20％、Si：0.10％～0.40％、Mn：1.30％～1.60％、Mo：0.40％～0.60％、Ni：0.65％～0.85％、Cr：0.30％～0.45％、V：0.02％～0.05％、B：0.0005％～0.004％，：P≤0.012％、S≤0.008％，[H]≤2.0ppm、[O]≤30ppm，余量为Fe及不可避免的杂质。
2.一种权利要求1所述的600MPa级核一级设备用钢的制造方法，包括冶炼、轧制、热处理，其特征在于：
(1)轧制：钢坯加热温度≥1100℃，平均轧制道次变形量≥10％；
(2)热处理：钢板轧后进行调质处理，所述调质处理工艺为：
淬火：910℃±15℃，保温时间:2min/mm-4min/mm；然后立即进行水淬直到钢板表面温度降至100℃以下；
回火：620℃±10℃，保温时间:2min/mm-3.5min/mm。
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