CN108950387B - 具有优良高温性能厚规格核电安注箱用钢及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开具有优良高温性能厚规格核电安注箱用钢及其制造方法。钢中含有C：0.14％～0.20％，Si：0.10％～0.60％，Mn：0.30％～0.40％，P≤0.008％，S≤0.002％，Mo：0.30％～0.60％，Ni：0.45％～0.90％，Cr：0.50％～0.80％，Cu≤0.05％，Alt≤0.04％，H≤0.00015％，O≤0.0020％，其余为Fe和不可避免的杂质。钢锭加热到1150～1350℃，保温＞2h，钢板的压缩比＞3:1，开轧温度≥1100℃，终轧温度≥920℃，轧制速度1.0～1.5m/s；淬火温度850～925℃，保温时间1～4min/mm；回火温度630～670℃，保温时间3～7min/mm。80～150mm厚规格钢板经过调质热处理和16个小时模拟焊后热处理后，综合力学性能良好。

Description

具有优良高温性能厚规格核电安注箱用钢及其制造方法
技术领域
本发明属于黑色金属材料，特别涉及一种具有优良高温拉伸性能的核电安注箱用钢及制造方法。
背景技术
核电安注箱是一种在核电站发生事故时向事故设备注射冷却水的先进设备，安注箱内存含硼水，上部空腔充填氮气，当反应堆冷却剂***压力降到安注箱压力以下时，由氮气压力将含硼水注入反应堆冷却剂***冷段，能在短时间内淹没堆芯，避免燃料棒熔化，从而保证反应堆***的安全性和完整性。其制造要求非常严格，过程控制及其苛刻，验收检查程序相当严密。目前，安注箱封头及筒体用钢板几乎全部依赖于进口，价格昂贵，且交货期长。主要存在以下两个方面问题：一是根据板材设计要求，封头及筒体板属于超宽幅板(板幅4.5m)，因此对生产制造厂的设备和能力有严格要求；二是在钢板经过长达16个小时以上的模拟焊后热处理后，钢板强度明显下降，尤其150℃高温拉伸的抗拉强度已低于指标要求，但受限于进口钢板，不得不降低指标。
CN201410098857.1名为“一种核电站压力容器用钢板及其制造方法”，主要公开了一种核电站压力容器用钢及其制造方法，该钢板包括：0.10％～0.20％的C，0.15％～0.40％的Si，0.60％～1.40％的Mn，P≤0.020％，S≤0.010％，Ni≤0.30％，Cu≤0.18％，Cr≤0.30％，Mo≤0.08％，V≤0.020％，Nb≤0.020％，0.008％～0.030％的Ti，0.020％～0.050％的Alt，N≤0.012％，Ni+Cu+Cr+Mo≤0.70％，其余为Fe及不可避免的杂质。钢板具有良好的低温韧性和耐高温性能，焊接性能、冷热加工性能优良稳定，抗辐照脆化性能良好，成本低。但在该发明成分设计中C、Ni、Mo等元素含量偏低，且采用正火热处理或控轧方式生产，造成设计的钢板强度较低，且未关注钢板经过长时间模拟焊后热处理的性能。
CN201210387824.X名为“18MND5核电用低合金结构钢及工艺控制方法”，公开了一种18MND5核电用低合金结构钢及工艺控制方法。包括下述重量百分比含量的化学成分组成：C≤0.22％，0.10％～0.30％的Si，1.15％～1.60％的Mn，S≤0.012％，P≤0.012％，Al≤0.04％，0.43％～0.57％的Mo，Cu≤0.08％，0.50％～0.80％的Ni，V≤0.01％，N≤0.008％，H≤1.5ppm，O≤30ppm，N≤0.013％，Cr≤0.25％，Co≤0.08％，B≤0.0018％，As≤0.010％，Sb≤0.002％，Sn≤0.010％，其余为Fe和不可避免的杂质。该发明生产的18MND5材料的力学性能明显优于其他钢种，可以作为核电承压用18MND5高强度低合金结构钢。上述专利采用电炉冶炼-锻造-热处理工艺，生产节奏低，而且生产周期长，不适合连续大批量生产，并且在实施例中没有明确适用钢板厚度范围。
CN201010276502.9名为“一种核反应堆安全壳封头及筒体用钢”，公开了一种核反应堆安全壳封头及筒体用钢，其化学成分重量百分比为：C≤0.20％，0.15％～0.55％的Si，0.90％～1.60％的Mn，P≤0.025％，S≤0.025％，Ni≤0.60％，Cr≤0.30％，Mo≤0.30％，Nb≤0.04％，V≤0.07％，Cu≤0.35％，V+Nb≤0.08％，其余含量为Fe及不可避免的杂质，钢中碳当量为0.40％～0.44％，碳当量计算公式为CE＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15，控制钢中非金属夹杂物，A、B、C、D类夹杂≤1.5级。该发明有效地保证钢板具有较高强度同时，还具有均匀、稳定的韧性，尤其在经过长时间消应力处理后，钢板的强度不会得到明显下降，仍然可以满足指标要求。该发明实施例中钢板厚度为42mm，更厚的钢板没有记载，且模拟焊后热处理时间相对较短，也并未提及高温拉伸指标情况。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种具有优良高温性能的厚规格核电安注箱用钢及制造方法，钢板厚度可达80～150mm，通过合理控制钢中的化学元素含量、降低钢中气体及非金属夹杂物的含量，可以有效地保证钢板具有优良的综合力学性能，尤其是钢板经过16h模拟焊后热处理后，150℃高温拉伸和-50℃低温冲击指标依然能够完全满足核电安注箱设备制造要求。
具体的技术方案是：
具有优良高温性能的厚规格核电安注箱用钢，按质量百分比包含如下组分：C：0.14％～0.20％，Si：0.10％～0.60％，Mn：0.30％～0.40％，P≤0.008％，S≤0.002％，Mo：0.30％～0.60％，Ni：0.45％～0.90％，Cr：0.50％～0.80％，Cu≤0.05％，Alt≤0.04％，H≤0.00015％，O≤0.0020％，其余含量为Fe和不可避免的杂质。
采用上述成分设计理由如下：
C：是保证钢板强度的主要元素，能够有效地提高钢的强度以及淬透性，但同时也降低钢的塑性、韧性和焊接性，因此，本发明要求C含量为0.14％～0.20％。
Si：是钢中的强化元素，有利于提高钢板的强度，但Si含量过高会损害钢板的低温韧性，而且会增加辐照脆性，因此应把Si含量控制在下限为好，本发明将Si元素控制为0.10％～0.60％。
Mn：Mn在钢中不仅可以强化基体，还可以有效地提高钢板的淬透性，而且成本低廉，但Mn含量过高会增加钢的回火脆性敏感性，并使得晶粒有粗化的倾向，因此本发明要求钢中Mn含量控制在0.30％～0.40％。
P和S：是钢中有害元素，P在钢中会加剧中心偏析和中心疏松的产生，S形成的硫化物夹杂对钢的冲击韧性和焊接性能很不利，因此，需要它们的含量越低越好。本发明中将P含量控制为P≤0.008％，S含量控制为S≤0.002％。
Mo：能够提高钢板的淬透性和耐热性，还可以与Cr、Mn元素共同作用减少或抑制回火脆性，因此本发明将Mo的含量控制在0.30％～0.60％。
Ni：能够明显改善钢板的低温韧性，同时提高钢板的淬透性，但Ni会降低钢的A3线温度，使得辐照效应增大，因此本发明要求钢中Ni含量控制为0.45％～0.90％。
Cr：能够明显提高钢的抗氧化和抗腐蚀能力，并且会提高钢板的淬透性，但Cr还会显著提高钢的脆性转变温度，促进回火脆性，因此本发明要求钢中Cr含量控制为0.50％～0.80％。
Cu：Cu是对辐照脆化最为有害的元素，使钢的机械性能降低，并在加热时导致金属表面的氧化，影响钢的质量。因此通常要求核电用钢中的Cu含量应不高于0.05％。
Alt：Al是钢中常用的脱氧剂，可以细化晶粒，并提高钢板的冲击韧性，但是Al含量过高，会使得夹杂物含量增多，影响钢板的焊接性，因此本发明要求钢中Alt含量控制为≤0.04％。
H和O：H和O对钢的性能均有害，会增加辐照脆化效应，因此它们的含量越低越好，本发明要求钢中H≤0.00015％，O≤0.0020％。
核电安注箱用钢的制造方法，包括冶炼、铸造、加热、轧制、热处理，实现本发明在生产工艺上采取以下技术措施：
冶炼及轧制：采用铁水深脱硫处理，电炉冶炼，出钢后进行LF、VD炉外精炼，之后进行浇注。钢锭在室式炉内加热到1150～1350℃，保温时间＞2h后进行开坯，中间坯缓冷解垛后进行轧制，有效保证成品钢板的压缩比＞3:1，开轧温度≥1100℃，终轧温度≥920℃，轧制速度控制在1.0～1.5m/s，轧后自然堆垛缓冷。
热处理：采用淬火+回火方式进行调质热处理，获得晶粒细小、均匀的组织。调质热处理工艺为：淬火温度850～925℃，保温时间1～4min/mm；回火温度630～670℃，保温时间3～7min/mm，经过充分的回火时间，可以获得晶粒细小、组织均匀、韧性高且强度适中的回火贝氏体，而且能够进一步消除钢板的内应力，同时Mo、V等合金元素形成的碳化物会析出，增加了沉淀强化的效果，从而使钢板具有足够的韧性。
有益效果：
本发明提供了一种具有优良高温性能的厚规格核电安注箱用钢及制造方法，生产的钢板厚度为80～150mm，宽度及长度可根据实际需求进行生产。与现有技术相比，有益效果如下：
(1)本发明的钢板厚度为80～150mm，采用钢锭开坯轧制生产，通过控制钢中合金元素，降低气体含量及非金属夹杂物含量，能够获得压缩比＞3:1的最大厚度150mm的成品钢板，并且使得钢板具有优良的高温拉伸性能和韧性，其中80～150mm成品调质态钢板150℃高温拉伸屈服强度可以达到500～530MPa，抗拉强度可以达到610～635MPa，经过长达16个小时的模拟焊后热处理后，钢板150℃高温拉伸屈服强度可以达到500～520MPa，抗拉强度可以达到610～625MPa，且两种状态下，钢板的-50℃冲击韧性均能可达185～277J之间，断面收缩率可达60～85％。
(2)本发明钢种经调质热处理和16个小时的模拟焊后热处理后，不同状态下均具有较好的强度水平。120mm厚规格钢板经调质处理后150℃高温拉伸屈服强度和抗拉强度分别为529MPa和635MPa；模拟焊后热处理后，150℃高温拉伸屈服强度和抗拉强度分别为509MPa和614MPa，从结果来看，不同状态的钢板150℃高温拉伸强度都较其他钢种有了较大地提升。
(3)本发明钢种在不同状态下的冲击吸收能量和断面纤维率同样保持在较高的水平。120mm钢板经调质处理及模拟焊后热处理后的-50℃冲击吸收能量均在200J以上，断面纤维率可达到65％以上，表明本发明钢种具有良好的低温韧性。
(4)本发明钢种的Z向断面收缩率具有较高水平，120mm钢板经调质处理后的Z向断面收缩率可以达到67.3％，表明本发明钢种具有较好的抗层状撕裂能力。
(5)本发明通过选用低P、低S铁水，且要进行铁水深脱硫处理，脱硫渣扒净，电炉冶炼、炉外精炼、真空处理和轧制工艺进行生产，所以保证了钢水的洁净度较高。
附图说明
图1为实施例3的金相组织；显微组织为回火贝氏体。
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。
本发明各实施例钢的冶炼化学成分如表1所示；
表1各实施例钢冶炼化学成分mass％
实施例 C Si Mn P S Mo Ni Cr Cu Al<sub>T</sub> H O
1 0.16 0.10 0.30 0.005 0.0009 0.42 0.50 0.55 0.017 0.016 0.00010 0.0019
2 0.14 0.30 0.40 0.008 0.0009 0.55 0.75 0.60 0.015 0.028 0.00015 0.0016
3 0.18 0.28 0.35 0.006 0.0010 0.50 0.62 0.78 0.016 0.030 0.00008 0.0018
4 0.20 0.40 0.32 0.004 0.0007 0.35 0.55 0.70 0.018 0.025 0.00009 0.0020
5 0.15 0.55 0.36 0.005 0.0010 0.48 0.65 0.66 0.012 0.020 0.00009 0.0015
钢水经电炉冶炼、炉外精炼、真空处理，浇铸成钢锭，轧制成品钢板规格为80～150mm。模拟焊后热处理工艺为温度615±5℃，保温时间16h，400℃以上升降温速率≤55℃/h。
本发明各实施例钢的轧制工艺如表2所示、各实施例钢的热处理如表3所示；本发明各实施例钢板的150℃高温拉伸性能如表4所示；本发明各实施例钢板的-50℃冲击性能如表5所示；本发明各实施例钢板的Z向拉伸及冷弯试验性能如表6所示。
表2轧制工艺
表3热处理工艺
表4钢板150℃高温拉伸性能结果
表5钢板-50℃冲击性能结果
表6钢板Z向拉伸及冷弯试验性能结果
80～150mm厚规格钢板经过调质热处理和16个小时模拟焊后热处理后，钢板具有良好的综合力学性能，各项性能指标完全达到满足核电安注箱设备制造的要求。

Claims (3)

1.一种具有优良高温性能厚规格核电安注箱用钢，其特征在于，钢中化学成分按质量百分比为：C：0.15％～0.20％，Si：0.40％～0.60％，Mn：0.32％～0.40％，P≤0.008％，S≤0.002％，Mo：0.30％～0.60％，Ni：0.55％～0.90％，Cr：0.50％～0.80％，Cu≤0.05％，Alt：0.016％～0.04％，H≤0.00015％，O≤0.0020％，其余为Fe和不可避免的杂质；经过模拟焊后热处理后，钢板150℃高温拉伸抗拉强度达到610～625MPa，-50℃冲击韧性达到185～277J，断面收缩率达到60％～85％。
2.如权利要求1所述的具有优良高温性能厚规格核电安注箱用钢，其特征在于，钢板厚度为80～150mm。
3.一种如权利要求1或2所述的具有优良高温性能厚规格核电安注箱用钢的生产方法，钢板的生产工艺为：冶炼、铸造、加热、轧制、热处理，其特征在于，
采用铁水深脱硫处理，电炉冶炼，出钢后进行LF、VD炉外精炼，之后进行浇注；钢锭加热到1150～1350℃，保温时间＞2h，保温后进行开坯，中间坯缓冷解垛后进行轧制，成品钢板的压缩比＞3:1，开轧温度≥1180℃，终轧温度≥920℃，轧制速度控制在1.0～1.5m/s，轧后自然堆垛缓冷；
采用淬火+回火方式进行调质热处理，淬火温度850～925℃，保温时间1～4min/mm；回火温度635～660℃，保温时间3～7min/mm。
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