CN108660382A - 一种抗辐照性能优良的核电站钢衬里用钢及其制造方法 - Google Patents

一种抗辐照性能优良的核电站钢衬里用钢及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种抗辐照性能优良的核电站钢衬里用钢，按重量百分比包含如下成分：C：0.10～0.20％；Si：0.20～0.45％；Mn：0.80～1.50％；P≤0.01％；S≤0.008％；Alt：0.02～0.05％；V：0.01～0.03％；N≤0.006％；Alt/N≥2；[H]≤1.5ppm；[O]≤30ppm；Cu≤0.005；As≤0.005；B≤0.001；Sb≤0.002；Sn≤0.002。本发明制造的钢板成本较低，抗辐照性能优良。钢板的组织均匀，晶粒细小，夹杂物少且小，力学性能稳定，工艺性能优良，性能均满足核电站钢衬里用钢的技术要求。不添加Ni、Cr、Mo、Nb、Ti等贵重元素，不仅降低了生产成本，而且保证了钢板具有优良的抗辐照脆化性能。

Description

一种抗辐照性能优良的核电站钢衬里用钢及其制造方法
技术领域
本发明涉及黑色金属材料，特别涉及一种抗辐照性能优良的核电站钢衬里用钢及其制造方法.
背景技术
CPR1000是中广核集团(中国广东核电集团有限公司)推出的中国改进型百万千瓦级(1000MW)压水堆核电技术方案。它是在引进、消化、吸收国外先进技术的基础上，结合20多年来的渐进式改进和自主创新形成的“二代加”百万千瓦级压水堆核电技术。凭借先进的设计理念和优异的安全性能，该技术在我国新建核电机组中被广泛采用。
该类型核电站中的核岛设有三道屏障防护，包括核燃料元件包壳，反应堆一次回路和反应堆安全壳。安全壳是核电站的最后一道安全屏障，是核电站的“心脏”。整个安全壳呈一直径为37m，高约60m的巨大圆桶形。
钢衬里是安全壳的重要组成部分，它位于安全壳的内壁，是一个既承受内压又承受外压的坚固建筑物。承受内压以防事故情况下安全壳内超压造成安全壳破坏，承受外压以防安全壳外各种可能的冲击，包容放射性物质向环境排放，保证工作员、公众和环境安全。基于此种特殊的服役环境，所以对钢衬里用钢板的综合质量及性能稳定性要求非常严格。
专利CN 102605296 A“一种核电压力容器用钢及其制造方法”，申请号：201210064306.4，+该发明主要涉及一种核电压力容器用钢及其制造方法，通过控轧控冷工艺，获得核电压力容器用钢板的显微组织为细小铁素体+珠光体组织。该专利中钢板采用控轧控冷+卷取的方式生产，钢质纯净度低、合金含量高、低温韧性差。其成分中添加了合金元素Cr(0.15～0.6％)、Nb(0.01～0.04％)和Ti(0.008～0.03％)，不仅不利于钢的抗辐照性能，而且增加了生产成本。
专利CN 103911559 B“一种核电站压力容器用钢板及其制造方法”申请号：201410098857.1，该发明涉及钢板厚度范围在6～100mm，其中厚度≤40mm的钢板采用控制轧制生产，该专利只对控轧态的钢板力学性能提出要求，而对核电设备需要的模拟焊后热处理并没有要求，同时从其控轧态钢板的拉伸性能来看，并不能满足此要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供了一种抗辐照性能优良的核电站钢衬里用钢及其制造方法，通过优化化学成分、热处理工艺，钢板具有优良的抗辐照性能，满足正火状态下综合力学性能条件。同时正火态钢板在经过长时间模拟焊后热处理后，拉伸和低温冲击等关键指标依然满足标准要求，从而可以有效地保证核电机组的安全运行。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种抗辐照性能优良的核电站钢衬里用钢，按重量百分比包含如下成分：C：0.10～0.20％；Si：0.20～0.45％；Mn：0.80～1.50％；P≤0.01％；S≤0.008％；Alt：0.02～0.05％；V：0.01～0.03％；N≤0.006％；Alt/N≥2；[H]≤1.5ppm；[O]≤30ppm；Cu≤0.005％；As≤0.005％；B≤0.001％；Sb≤0.002％；Sn≤0.002％。采用上述成分设计理由如下：
(1)C：是钢中基本的强化元素，其强化作用主要是通过固溶强化和析出强化来实现。如果钢中C含量过低，强度就无法满足要求；如果C含量过高，对钢的延性、韧性和焊接性都将产生不利影响，因此本发明要求钢中C含量控制在0.10～0.20％的范围内。
(2)Si：在钢中有脱氧的作用，也有一定的固溶强化效果。但是，提高Si含量易产生硅酸盐类夹杂，损害钢板的焊接性能，因此Si含量控制在0.20～0.45％。
(3)Mn：是良好的脱氧剂和脱硫剂，与硫形成MnS，可防止因硫而导致的热脆现象。同时，有较强的固溶强化作用，提高强度，改善韧性。但含锰较高时，会加强铸坯内部偏析程度，并且使成品钢板产生回火脆化。因此实际生产中Mn含量控制在0.80～1.50％。
(4)P：磷是钢中有害元素。钢中P含量较高，会加剧中心偏析及中心疏松的产生，并会加速辐照脆化。磷的含量越低越好，但考虑到炼钢条件和成本，本发明要求控制钢中的P含量低于0.01％。
(5)S：在钢中易形成硫化物夹杂，降低钢的冲击韧性，损害焊接性能，同时加重中心偏析、疏松等缺陷，并会增加辐照脆化，因此本发明要求S≤0.008％。
(6)Al：Al能与钢中的N形成AlN，具有细化晶粒的作用。AlN质点是按1:1的铝、氮原子比析出，相对于质量分数之比为27:14，即Alt/N≈1.93，此外，铝在钢中起到一定的脱氧作用，所以限定Alt/N≥2。但过多的铝则会产生Al2O3夹杂，影响钢的热加工性能、焊接性能。所以本发明要求Al含量控制在0.02～0.05％。
(7)V：在钢中为强碳化物和氮化物形成元素，细化晶粒，提高晶粒粗化温度，从而降低钢的过热敏感性。核电用钢要求是细晶粒钢，细晶粒钢比粗晶粒钢辐照脆化敏感性小。此外，适量V的加入能改善长时间模拟焊后热处理后钢板强度的下降，因此本发明设计V含量为0.01～0.03％。
(8)气体H、O：均不利于钢的性能，同时会提高钢的辐照脆化效应，所以控制其含量在较低水平，本发明要求钢中[H]≤1.5ppm；[O]≤30ppm。
(9)钢中Cu、As、B、Sb、Sn等微量有害元素的严格控制，既提高了钢质的纯净度，又有效地降低了钢板的辐照脆化。
一种抗辐照性能优良的核电站钢衬里用钢制造方法，采用铁水预处理，出钢时加挡渣球挡渣；钢水采用LF炉精炼调整成分并进行深脱硫处理；钢水经过转炉冶炼及炉外精炼处理后进行连铸；连铸中控制中间包过热度20～25℃，钢水在立弯式板坯连铸机拉钢连铸，连铸拉速1.5～2.0m/min，连铸时中间罐采用浸入式水口，全程氩气保护浇注，在铸坯凝固末端投入电磁搅拌；连铸坯加热温度1150～1250℃，保温时间＞2h；连铸坯采用高温、大压下量的轧制方式，开轧温度≥1000℃，终轧温度为800～950℃，总变形量≥70％，轧后自然冷却；冷却完成的钢板进行正火热处理，正火热处理工艺为：温度890～920℃，保温时间1.5～4min/mm，钢板出炉后自然冷却。
与现有的技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明制造的钢板成本较低，抗辐照性能优良。钢板的组织均匀，晶粒细小，夹杂物少且小，力学性能稳定，工艺性能优良，性能均满足核电站钢衬里用钢的技术要求。
(2)本发明不添加Ni、Cr、Mo、Nb、Ti等贵重元素，不仅降低了生产成本，而且保证了钢板具有优良的抗辐照脆化性能。
(3)本发明钢板无论正火态还是模拟焊后热处理态，均具有较好的强韧性水平。钢板不同状态下的强韧性均可以满足技术要求，而且具有较大的余量，较其他钢种有较大的改进。
附图说明
图1为本发明的典型金相组织(铁素体+珠光体)图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进一步说明：
以下实施例对本发明进行详细描述。这些实施例仅是对本发明的最佳实施方案进行描述，并不对本发明的范围进行限制。
一种抗辐照性能优良的核电站钢衬里用钢制造方法，按以下步骤完成：
1)采用铁水预处理，出钢时加挡渣球挡渣；钢水采用LF炉精炼调整成分并进行深脱硫处理；炼钢时要严格控制钢水的纯净度，防止杂质元素和残余元素对钢板辐照脆化性能造成不利的影响。
2)钢水经过转炉冶炼及炉外精炼处理后进行连铸，连铸中，控制中间包过热度20～25℃，钢水在立弯式板坯连铸机拉钢连铸，连铸拉速1.5～2.0m/min，连铸时中间罐采用浸入式水口，全程氩气保护浇注，严格控制拉坯速度稳定和二冷水参数及钢坯矫直温度，在铸坯凝固末端投入电磁搅拌，以充分改善铸坯内在质量。
3)连铸坯加热温度1150～1250℃，保温时间＞2h；连铸坯采用高温、大压下量的轧制方式，开轧温度≥1000℃，终轧温度为800～950℃，总变形量≥70％，轧后自然冷却；冷却完成的钢板进行正火热处理，以细化晶粒，均匀组织。
4)正火热处理工艺为：温度890～920℃，保温时间1.5～4min/mm，正火热处理保证钢板形成均匀的奥氏体组织，最终使钢板具有良好的综合力学性能。钢板出炉后自然冷却。
实施例：
抗辐照性能优良的核电站钢衬里用钢各实施例化学成分如表1所示。
表1 各实施例钢冶炼化学成分(％)
实施例 C Si Mn P S Alt V N
1 0.11 0.22 1.21 0.013 0.003 0.033 0.010 0.0047
2 0.13 0.31 1.45 0.017 0.004 0.041 0.018 0.0041
3 0.17 0.43 0.87 0.014 0.003 0.025 0.025 0.0052
4 0.15 0.40 1.15 0.014 0.003 0.035 0.028 0.0058
5 0.19 0.38 1.36 0.015 0.005 0.036 0.020 0.0049
实施例 Cu As B Sb Sn H O
1 0.004 0.005 0.001 0.002 0.002 1.3ppm 26ppm
2 0.003 0.004 0.001 0.001 0.001 1.0ppm 22ppm
3 0.005 0.003 0.001 0.0015 0.001 1.2ppm 20ppm
4 0.002 0.001 0.001 0.002 0.0015 1.5ppm 28ppm
5 0.003 0.002 0.001 0.001 0.002 1.0ppm 25ppm
实施例1的生产方法，钢水经转炉冶炼、炉外精炼处理，浇铸成连铸坯。连铸中，中间包过热度21℃，连铸拉速1.7m/min。熔炼成分见表1中例1，连铸坯加热及轧制工艺见表2，热处理工艺见表3，力学性能结果见表4。
表2 加热及轧制工艺
表3 热处理工艺
表4 钢板力学性能
8mm规格钢板经过正火处理后各项性能指标均满足RCC-M规范要求，同时钢板具有良好的综合力学性能。
实施例2的生产方法，钢水经转炉冶炼、炉外精炼处理，浇铸成连铸坯。连铸中，中间包过热度22℃，连铸拉速1.8m/min。熔炼成分见表1中例2，连铸坯加热及轧制工艺见表5，热处理工艺见表6，力学性能结果见表7。
表5 加热及轧制工艺
表6 热处理工艺
表7 钢板力学性能
12mm规格钢板经过正火和模拟焊后热处理后，各项性能指标均满足RCC-M规范要求，同时钢板具有良好的综合力学性能。
实施例3的生产方法，钢水经转炉冶炼、炉外精炼处理，浇铸成连铸坯。连铸中，中间包过热度22℃，连铸拉速1.5m/min。熔炼成分见表1中例3，连铸坯加热及轧制工艺见表8，热处理工艺见表9，力学性能结果见表10。
表8 加热及轧制工艺
表9 热处理工艺
表10 钢板力学性能
16mm钢板经正火处理后屈服强度和抗拉强度分别为360MPa和504MPa，-20℃冲击吸收能量达到260J；模拟焊后热处理后，屈服强度和抗拉强度分别为335MPa和463MPa，-20℃冲击吸收能量达到270J(指标要求屈服强度≥265MPa、抗拉强度:410～530MPa)，16mm规格钢板经过正火和模拟焊后热处理后，各项性能指标均满足RCC-M规范要求，同时钢板具有良好的综合力学性能。
实施例4的生产方法，钢水经转炉冶炼、炉外精炼处理，浇铸成连铸坯。连铸中，中间包过热度22℃，连铸拉速2.0m/min。熔炼成分见表1中例4，连铸坯加热及轧制工艺见表11，热处理工艺见表12，力学性能结果见表13。
表11 加热及轧制工艺
表12 热处理工艺
表13 钢板力学性能结果
20mm规格钢板经过正火和模拟焊后热处理后，各项性能指标均满足RCC-M规范要求，同时钢板具有良好的综合力学性能。
实施例5的生产方法，钢水经转炉冶炼、炉外精炼处理，浇铸成连铸坯。连铸中，中间包过热度24℃，连铸拉速1.9m/min。熔炼成分见表1中例5，连铸坯加热及轧制工艺见表14，热处理工艺见表15，力学性能结果见表16。
表14 加热及轧制工艺
表15 热处理工艺
表16 钢板力学性能结果
25mm规格钢板经过正火和模拟焊后热处理，各项性能指标均满足RCC-M规范要求，同时钢板具有良好的综合力学性能。
抗辐照性能优良的核电站钢衬里用钢，正火态-20℃冲击吸收能量大于60J；模拟焊后热处理态，-20℃冲击吸收能量大于80J，正火和模拟焊后热处理后，各项性能指标均满足RCC-M规范要求，同时钢板具有良好的综合力学性能。
上面所述仅是本发明的基本原理，并非对本发明作任何限制，凡是依据本发明对其进行等同变化和修饰，均在本专利技术保护方案的范畴之内。

Claims (2)

1.一种抗辐照性能优良的核电站钢衬里用钢，其特征在于，按重量百分比包含如下成分：C：0.10～0.20％；Si：0.20～0.45％；Mn：0.80～1.50％；P≤0.01％；S≤0.008％；Alt：0.02～0.05％；V：0.01～0.03％；N≤0.006％；Alt/N≥2；[H]≤1.5ppm；[O]≤30ppm；Cu≤0.005％；As≤0.005％；B≤0.001％；Sb≤0.002％；Sn≤0.002％。
2.一种根据权利要求1所述的抗辐照性能优良的核电站钢衬里用钢制造方法，其特征在于，采用铁水预处理，出钢时加挡渣球挡渣；钢水采用LF炉精炼调整成分并进行深脱硫处理；钢水经过转炉冶炼及炉外精炼处理后进行连铸；连铸中控制中间包过热度20～25℃，钢水在立弯式板坯连铸机拉钢连铸，连铸拉速1.5～2.0m/min，连铸时中间罐采用浸入式水口，全程氩气保护浇注，在铸坯凝固末端投入电磁搅拌；连铸坯加热温度1150～1250℃，保温时间＞2h；连铸坯采用高温、大压下量的轧制方式，开轧温度≥1000℃，终轧温度为800～950℃，总变形量≥70％，轧后自然冷却；冷却完成的钢板进行正火热处理，正火热处理工艺为：温度890～920℃，保温时间1.5～4min/mm，钢板出炉后自然冷却。
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