CN108546871B

CN108546871B - 一种核电机组一体化堆顶组件用钢及其制造方法

Info

Publication number: CN108546871B
Application number: CN201810293807.7A
Authority: CN
Inventors: 孙殿东; 胡海洋; 王爽; 段江涛; 颜秉宇; 李黎明; 刘祥; 李叶忠; 欧阳鑫; 隋松言
Original assignee: Angang Steel Co Ltd
Current assignee: Angang Steel Co Ltd
Priority date: 2018-03-30
Filing date: 2018-03-30
Publication date: 2020-03-31
Anticipated expiration: 2038-03-30
Also published as: CN108546871A

Abstract

本发明公开一种核电机组一体化堆顶组件用钢及其制造方法。钢中含有C：0.09％～0.13％；Si：0.10％～0.25％；Mn：1.30％～1.80％；P≤0.012％；S≤0.008％；Cr：0.40％～0.80％；Mo：0.30％～0.50％；Al：0.020％～0.045％；Ni：0.50％～0.80％，其余为Fe和不可避免的杂质。开轧温度≥1050℃，终轧温度≥850℃，轧制速度≤2.5m/s、单道次最大压下量不低于10％；淬火温度920±20℃，保温时间2～4min/mm；回火温度610±20℃，保温时间5～10min/mm。成品钢板厚度为30～110mm，具有良好综合力学性能，并且完全满足GB/T 2970标准Ⅰ级超声波探伤要求。

Description

一种核电机组一体化堆顶组件用钢及其制造方法

技术领域

本发明属于黑色金属材料，特别涉及Z向性能优良的核电机组一体化堆顶组件用厚钢板。

背景技术

核电作为一种高效、清洁、安全的能源，已经成为当今世界第二大电力来源。进入21世纪以来，受全球变暖的影响，世界主要发达国家和发展中国家纷纷重新审视其能源发展战略，把核能发电作为国家能源的重要发展战略。

从核电技术的发展趋势来看，目前在役的核电机组主要采用的是二代或二代加技术，其经济性和安全性也得到了时间的验证，但日本福岛核事故后，世界核电大国纷纷开展了第三代核电技术研究，对核电机组的安全性、经济性提出了更高的要求。第三代核电技术在安全理念设计方面，主要采用了非能动安全***或增加安全***冗余度、增设预防和缓解严重事故的工程措施、应用数字化仪控***等先进技术，降低核电厂的严重事故风险，实现更高的安全目标。

一体化堆顶组件为先进压水堆中非能动安全***的关键设备。主要由反应堆压力容器封头组件、屏蔽罩组件、提升装置、冷却风机***、电气部件、金属反射保温层、封头排气管、及各种电缆组成。正是由于一体化堆顶组件制造工艺和服役环境复杂，对材料的各项指标提出了更高的要求：一是最大厚度规格达到200mm；二是对钢板内部质量提出了更高的要求，增加了超声波探伤检测(包括直射波和斜射波)；三是增加了-15℃低温冲击要求；四是增加了钢板头尾Z向性能要求，钢板具有更高的性能均匀性。

目前生产的三代核电机组一体化堆顶组件钢板相关专利如下：

舞阳钢铁有限责任公司申请的名为“一种核电工程设备用超大厚度钢板及生产方法”的专利，专利申请号为201210309621.9，公开号为CN 102851578A，钢中含有C≤0.20％，Si：0.10％～0.30％，Mn：1.15％～1.60％，P≤0.012％、S≤0.010％，Mo：0.45％～0.55％，Ni：0.50％～0.80％，Cr≤0.20％，V≤0.010％，Cu≤0.18％，Nb≤0.02％，Ti≤0.030％，Al_总≥0.020％，Cu+6Sn≤0.33％，余量为铁及杂质。该发明的超大厚度钢板及生产方法，钢板的厚度为155mm，生产方法新颖独特，钢板强度适中，低温冲击韧性和高温拉伸性能良好，抗层状撕裂性能、冷加工及焊接性能均良好，满足核电关键设备的要求，可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。但是该钢可生产的最大厚度为155mm，没有明确钢板内部质量能够达到的无损检测标准等级，并且采用制造成本更大的模铸生产方式。

舞阳钢铁有限责任公司申请的名为“大厚度核电用Q345D钢板及其生产方法”的专利，专利申请号为201610361358.6，公开号为CN105803329A，钢中含有C≤0.18％，Si≤0.50％，Mn≤1.70％，P≤0.020％、S≤0.015％，Ni≤0.50％，Cr≤0.30％，Cu≤0.30％，Mo≤0.10％，Al总≥0.020％，Nb：0.020％～0.030％，V：0.025％～0.040％，其余为Fe和不可避免的杂质。该发明涉及大厚度核电用Q345D钢板及其生产方法，钢板的厚度达到380mm，生产方法新颖独特，钢板屈服强度350MPa左右，低温冲击韧性良好，满足核电设备的要求。但可生产的380mm钢板没有Z向拉伸指标，没有明确钢板内部质量能够达到的无损检测标准等级，并且采用制造成本更大的电渣重熔生产方式。

发明内容

基于上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种生产厚度规格30～110mm，能满足超声检测要求并具有优良Z向性能的核电机组一体化堆顶组件用厚钢板。具体的技术方案是：

一种核电机组一体化堆顶组件用钢，钢中按质量百分比包含如下组分：C：0.09％～0.13％；Si：0.10％～0.25％；Mn：1.30％～1.80％；P≤0.012％；S≤0.008％；Cr：0.40％～0.80％；Mo：0.30％～0.50％；Al：0.020％～0.045％；Ni：0.50％～0.80％，其余为Fe和不可避免的杂质。

采用上述成分设计理由如下：

C：C作为钢中的重要元素，在钢的组织没有变化的情况下，钢的强度和硬度随着碳含量的增加而增加，但碳含量过高，不利于焊接和渗碳体等第二相难控制，同时会使韧性、塑性和钢板焊接性能明显恶化，同时碳作为间隙元素对材料起到辐照硬化作用。为了保证厚钢板具备良好的综合力学性能和焊接性能匹配，因此本发明要求钢中C含量控制在0.09％～0.13％范围内。

Si：Si具有很强的固溶强化作用，能显著提高钢的强度和硬度，同时起到脱氧剂的作用，但Si过高会增加钢的时效敏感性和韧脆转变温度，易出现夹杂物，钢材易生锈，但实验表明含硅高有稳定辐照缺陷的作用，因此本发明要求钢中Si含量控制在0.10％～0.25％。

Mn：钢中Mn元素在冶炼中的作用是脱氧和消除硫的影响，并且能通过固溶强化的方式强化铁素体，可以提高钢的淬透性，在非调质钢中Mn降低奥氏体转变温度，细化铁素体晶粒，提高钢的冲击功，但Mn含量过高时，则钢硬化而延展性变坏，严重影响钢的Z向性能，并且有增大辐照脆化的趋势，因此本发明要求钢中Mn含量控制在1.30％～1.80％范围内。

Cr：Cr能使组织细化而又均分，能提高钢的强度、硬度和耐磨性，并且固溶Cr可以捕获自由C和N，降低间隙原子对材料的辐照脆化作用，但Cr含量过高，会降低钢的塑性和韧性，影响钢的Z向性能，因此本发明要求钢中Cr含量控制在0.40％～0.80％。

Mo：Mo能使钢的晶粒细化，提高淬透性和热强性能，而不减其塑性和韧性，所以能提高钢的Z向性能和高温性能，并且Mo元素与C、N、O的亲和力强，抑制辐照脆化。因此本发明要求钢中Mo含量控制在0.30％～0.50％。

Al：Al可作为氮化铝形成元素，有效细化奥氏体晶粒，从而细化了铁素体晶粒和组织，提高钢的冲击韧性，但是超过0.07％时，脱氧作用达到饱和；再高则对母材及焊接热影响区韧性有害。因此本发明要求钢中Al含量为0.020％～0.045％。

Ni：镍通过降低钢种位错运动阻力，使应力松弛，进而改变基体组织的亚结构，从而提高钢的韧度，但镍元素有增加辐照脆化的趋势。因此钢中加入Ni的范围为0.50％～0.80％。

P：磷是钢中有害元素，磷偏析晶界，恶化韧性，增加钢的冷脆性，使焊接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏，并且磷元素有加速辐照脆化的倾向。因此要求钢中的P含量越低越好，本发明要求不高于0.012％。

S：硫在通常情况下是有害元素。硫化锰有一定塑性，随轧制方向拉长延伸，加大了钢的各向异性，这对钢的横向性能非常不利。硫形成的硫化铁使钢在热轧和焊接中产生热脆裂纹，尽量控制其含量最低，并且硫元素有加速辐照脆化的倾向。因此本发明要求钢中S含量应限制在0.008％以下。

一种核电机组一体化堆顶组件用钢的制造方法，包括：铁水预处理、转炉冶炼、炉外精炼、连铸、轧制及调质热处理工艺，主要采取以下技术措施：

采用铁水深脱硫、转炉冶炼、炉外精炼、真空处理和连铸工艺生产连铸坯；连铸坯采用高温、慢辊速和大压下进行轧制，通过在高温奥氏体再结晶区慢辊速(轧制速度≤2.5m/s)和大压下(单道次最大压下量不低于10％)轧制，通过动态再结晶使奥氏体晶粒得到充分细化的同时，提高生产效率，替代普遍采用的两阶段轧制工艺，确定直轧工艺为：开轧温度≥1050℃，终轧温度≥850℃，轧后空冷。

钢板轧后采用淬火+回火热处理工艺，得到细致、均匀的回火索体组织，并使钢板具有良好的综合力学性能，与正火相比，钢板综合力学性能更为优良，与TMCP+回火工艺相比，钢板性能更为均匀。为充分发挥钢中Cr、Mo等合金元素作用，同时结合其他化学成分及轧制工艺特点，使轧制后的组织完全奥氏体化，以及回火充分，并针对不同厚度特点，调质工艺如下：

调质处理工艺为：淬火温度920±20℃，保温时间2～4min/mm；

回火温度610±20℃，保温时间5～10min/mm。

有益效果：

本发明提供了一种核电机组一体化堆顶组件用钢及其制造方法，生产的钢板厚度为30～110mm，同现有技术相比，有益效果如下：

(1)本发明工艺生产的产品，通过化学成分优化和生产工艺参数设计，具有良好的综合力学性能，高温抗拉强度≥650MPa，钢板调质处理后，Z向断面收缩率均达到55％以上。

(2)本发明采用的生产工艺在保证产品综合性能要求的同时，可以保证钢板内部质量，均能满足GB/T 2970标准Ⅰ级超声波探伤要求，与模铸生产的产品相比，主要通过提高成材率显著降低生产成本。

具体实施方式

以下实施例用于具体说明本发明内容，这些实施例仅为本发明内容的一般描述，并不对本发明内容进行限制。

表1为各实施例钢中化学元素的质量百分含量；表2为实施例钢板的热轧工艺；表3为实施例钢的热处理工艺；表4为实施例钢板的力学性能。

表1各实施例钢的化学成分(wt％)

实施例	C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo	Al	Ni
										1	0.09	0.18	1.45	0.010	0.005	0.43	0.33	0.025	0.50
2	0.10	0.20	1.52	0.009	0.004	0.52	0.35	0.027	0.52
										3	0.11	0.20	1.62	0.007	0.004	0.60	0.40	0.028	0.55
4	0.12	0.21	1.60	0.007	0.004	0.66	0.45	0.028	0.60
										5	0.13	0.23	1.75	0.008	0.003	0.78	0.48	0.032	0.65

表2各实施例钢的轧制工艺

表3各实施例钢的热处理工艺

表4实施例钢板力学性能

由表可得，根据本发明生产的钢板，室温下屈服强度≥600MPa，抗拉强度＞690MPa，延伸率A≥23％，300℃高温下屈服强度≥545MPa，抗拉强度＞670MPa，延伸率A≥20％。Z向断面收缩率单值≥62％，-45℃冲击功单值＞185J，钢板具有良好综合力学性能，并且完全满足GB/T 2970标准Ⅰ级超声波探伤要求。

Claims

1.一种核电机组一体化堆顶组件用钢的制备方法，其特征在于，钢中化学成分按质量百分比为：C：0.09％～0.13％；Si：0.10％～0.25％；Mn：1.30％～1.80％；P≤0.012％；S≤0.008％；Cr：0.40％～0.80％；Mo：0.30％～0.50％；Al：0.020％～0.045％；Ni：0.50％～0.80％，其余为Fe和不可避免的杂质；

钢板的生产工艺为：铁水预处理、转炉冶炼、炉外精炼、连铸、轧制及调质处理工艺，轧制的开轧温度≥1050℃，在高温奥氏体再结晶区的轧制速度≤2.5m/s，终轧温度≥850℃，单道次最大压下量不低于10％，轧后空冷；

调质处理采用淬火+回火热处理工艺，淬火温度910～930℃，保温时间2～4min/mm；回火温度590～620℃，保温时间5～10min/mm。

2.如权利要求1所述的一种核电机组一体化堆顶组件用钢的制备方法，其特征在于，钢板的厚度为50～110mm。