CN111270153B - 一种6mm厚核电安全壳用钢及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种6mm厚核电安全壳用钢及其制造方法，其采用低C、Mn成分系列设计，不另外添加合金成分，在确保屈服强度稳定性的同时兼顾辐照效应。该制造方法对坯料料型的优化实现了轧制过程中轧件长度的有效控制，避免了轧件过长带来的温度波动较大。采用超高温加热制度保证了坯料在轧制时获得较高的温度，确保轧制完成后，钢板具有较高的终轧温度。对轧制工序的控制减少了过程中温降，确保轧件头尾温差波动较小。优化轧件放尺长度并切除板型较差区域，保证了取样位置的性能均匀性。利用该方法生产的6mm核电用钢，屈服强度控制稳定，得到的性能强韧性匹配优异，完全满足性能要求。生产的性能合格率达到94％，完全适应工业批量化生产。

Description

一种6mm厚核电安全壳用钢及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种核电安全壳用钢，具体涉及一种6mm厚核电安全壳用钢及其制造方法。
背景技术
核电站反应堆安全壳结构在核电站的建设当中是十分重要的，它被称作是最后一道核安全的屏障。安全壳按材料可分成钢质、钢筋混凝土及预应力混凝土三种。我国建造的二代或二代改进型核电站及法国标准的压水堆核电站大都采用钢筋混凝土安全壳，即带有薄的碳钢衬里的钢筋混凝土单层安全壳，它由内径超过30米的圆筒壳和半球顶组成。代表钢种主要为20HR、P265GH、Q265HR等，强度级别为较低的265级别，由于它比较经济，目前有些核电站仍在采用。6mm碳钢钢板形成整个封闭的壳内环境,承受堆内压力和环境的温度变化带来的应力。不仅要求屈服强度≥265MPa，还要求同一批次的屈服强度平均值≤353Mpa。由于上下限不足100MPa，在生产过程中经常出现以下问题：1、薄规格在轧制过程中，温降较快，导致轧件头尾温差较大，性能波动较大。2、在批量生产时，技术条件中屈服强度≥265MPa的要求一般可以满足，但是平均值往往稳定性较差，容易超出上限值，导致钢板改判，造成生产成本上升。因此，开发一种能够稳定薄规格核电钢屈服强度的生产工艺很有必要。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种6mm厚核电安全壳用钢，该钢的性能强韧性匹配优异，且屈服强度控制稳定。
本发明的另一目的是提供一种上述6mm厚核电安全壳用钢的制造方法，该方法能够稳定该规格核电用钢的屈服强度。
技术方案：本发明所述的一种6mm厚核电安全壳用钢，由以下质量百分比的成分组成：C：0.09～0.14％、Mn：0.6～1.0％、Si：0.20～0.50％、P：≤0.020％、S：≤0.010％，余量为Fe和杂质。
其合金成分设计机理如下：
核电设备用钢在使用环境上有其特殊性，要承受反应堆堆芯极强的辐照，从而引起辐照脆化。影响辐照脆化的因素很多，主要分为外部环境和材料本身。外部环境指辐照温度、中子注入量等，该因素很难进行改变。材料本身主要受钢质的影响，特别是钢中的合金元素和残余元素含量的影响，这些可以通过冶炼技术和工艺技术的提高而改善。因此，严格控制化学成分对核电设备用钢来说至关重要。
在合金元素设计时，考虑到合金元素或多或少地增大钢的辐照脆化趋势，但合金元素是细化晶粒、提高淬透性以及保证综合性能所必需的，即不可缺少的。故只能根据辐照规律对钢中元素提出合理的限制。同时，还考虑到钢板同批次屈服强度需≤353Mpa的性能要求，因此，除基础的C、Si、Mn、P、S之外，本发明不另外添加合金元素。
具体的，C是提高钢材强度最有效的元素，随着w(C)的增加，钢中Fe3C增加，淬硬性也增加，钢的抗拉强度和屈服强度提高。钢材的伸长率和冲击韧性下降，尤其是低温韧性下降的幅度更大。并且，钢材的焊接热影响区还会出现淬硬现象，导致焊接冷裂纹的产生。因此，核电设备用钢中w(C)应控制在0.20％以内，以便获得优良的综合性能，本发明的C控制在0.09～0.14wt.％。
Si不是特意添加的合金元素，而是冶炼时从废钢和生铁原料中带入的。但经研究发现在钢中添加过高的w(Si)后，钢的辐照缺陷恢复能力降低。这表明含高w(Si)具有稳定辐照缺陷的作用，故使恢复效应不明显。可见，Si对辐照有害，因此应严格控制非合金元素的w(Si)，本发明的Si控制在0.20～0.50wt.％。
Mn是扩大γ相、细化晶粒、球化碳化物和保证综合性能以及提高淬透性的有效元素，但实验表明它们都有增大辐照脆化的趋势；原因与Mn降低了钢Ac3温度，使满足奥氏体化温度的热峰数量增加有关，即类似于被淬火的微区增多。本发明控制Mn含量为0.6～1.0wt.％。
P和S属于杂质元素，有加速辐照脆化的倾向。对辐照敏感与P在晶界偏析有关。在冶炼过程中进行严格限制。
对应于上述6mm厚核电安全壳用钢，本发明所述的制造方法所采用的技术方案，工序包括铁水预处理→转炉冶炼→LF+RH精炼→连铸→坯料检验→坯料堆冷→坯料加热→坯料除鳞→轧制→控制冷却；其中，
连铸工序的坯料料型采用150-220mm断面方坯坯料，轧件长度≤30m；
坯料加热工序采用超高温加热制度，温度为1250-1270℃；
轧制工序的轧制速度为4.0-5.0m/s，终轧温度为780-830℃，轧制过程中冷却***始终关闭。
进一步的，轧制末道次采用小压下率确保轧件最后道次辊缝≥2.0mm。
进一步的，连续多批次生产时，使用同一套轧辊轧制。
优选的，每个轧件头、尾两张子板放尺长度≥1200mm。
另外，通过切除轧件头、尾板型不合格区域进行钢板定尺。保证钢板取样位置的性能均匀性。
还可以，采用开坯的方式组织生产。
有益效果：该6mm厚核电安全壳用钢采用低C、Mn成分系列设计，不另外添加合金成分，在确保屈服强度稳定性的同时兼顾辐照效应。其制造方法对坯料料型的优化，实现了轧制过程中轧件长度的有效控制，避免了轧件过长带来的温度波动较大。采用超高温加热制度保证了坯料在轧制时获得较高的温度，确保轧制完成后，钢板具有较高的终轧温度。对轧制工序的控制减少了过程中温降，确保轧件头尾温差波动较小。优化轧件放尺长度，并切除板型较差区域，保证了取样位置的性能均匀性。利用该方法生产的6mm核电用钢，屈服强度控制稳定，得到的性能强韧性匹配优异，完全满足性能要求。生产的性能合格率达到94％，完全适应工业批量化生产。
具体实施方式
以下提供6组实施例以及6组对比例对本发明的6mm厚核电安全壳用钢做详细说明。各案例钢的化学成分如表1所示：
表1钢的化学成分(余量为Fe和杂质)
序号 C Mn P S Si
1 0.14 0.8 0.018 0.008 0.3
2 0.1 0.6 0.019 0.006 0.2
3 0.12 0.7 0.02 0.009 0.4
4 0.11 0.9 0.016 0.007 0.35
5 0.13 1 0.018 0.008 0.5
6 0.09 0.8 0.017 0.01 0.29
对比例1 0.15 0.9 0.018 0.009 0.42
对比例2 0.14 1.2 0.017 0.008 0.35
对比例3 0.1 0.8 0.02 0.006 0.28
对比例4 0.13 0.9 0.018 0.008 0.31
对比例5 0.12 0.7 0.015 0.007 0.46
对比例6 0.13 0.8 0.019 0.008 0.38
其中，实施例1-6、对比例3-6的成分设计均按照本发明要求进行，对比例1中C含量超出要求，对比例2中的Mn含量超出要求。
各实施例采用本发明的制造方法制得，其工艺路线的工序包括原料准备→铁水预处理→转炉冶炼→LF+RH精炼→连铸→坯料检验→坯料堆冷→坯料加热→坯料除鳞→轧制→控制冷却→检验→力学检验→入库→发货。
各案例的制造工艺参数如表2所示：
表2钢的制造工艺参数
Figure BDA0002430396400000041
其中，对比例1-2的制造方法也按照本发明进行，而对比例3中坯料断面、轧件长度均不符合要求，对比例4中的坯料加热温度较低，对比例5中轧件放尺长度低于本发明要求，对比例6中的终轧温度也低于本发明要求。
以上案例的各种性能见表3所示：
表3钢的力学性能
Figure BDA0002430396400000042
Figure BDA0002430396400000051
由上表看出，实施例1-6钢板强韧性能匹配优异，头尾性能均匀，同批次屈服强度平均值符合技术要求。对比例1-2中C、Mn含量分别超出上限要求，导致钢板强度性能偏高，同批次屈服强度平均值超出技术要求上限。对比例3中坯料断面、轧件长度不符合要求，导致轧制过程中温度不均匀，造成轧件头尾性能波动较大，同批次屈服强度平均值不符合技术要求。对比例4中的坯料加热温度低于本发明下限要求，导致在轧制过程中轧件温度偏低，钢板强度性能较高，同批次屈服强度平均值不符合技术要求。对比例5的轧件放尺长度低于本发明下限要求，导致轧件头尾性能易出现波动的区域未被切除，造成轧件头尾强度出现波动，冲击韧性出现散值。对比例6中的终轧温度低于设计下限要求，导致钢板强度偏上限，同批次屈服强度平均值不符合技术要求。
通过以上案例生产多件成品，统计的性能合格率见表4所示。
表4性能合格率、板型合格率
合格率(％) 未采用本发明技术 采用本发明技术 指标提升
性能合格率(％) 72 94 22
由上表可见，采用本发明的方法后，性能合格率有大幅度提升，具备批量生产条件。

Claims (1)

1.一种6mm厚核电安全壳用钢，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：C：0.09～0.14％、Mn：0.6～0.8％、Si：0.20～0.50％、P：≤0.020％、S：≤0.010％，余量为Fe和杂质；
同批次屈服强度平均值≤353MPa ；
该6mm厚核电安全壳用钢的制造方法，工序包括铁水预处理→转炉冶炼→LF+RH精炼→连铸→坯料检验→坯料堆冷→坯料加热→坯料除鳞→轧制→控制冷却；其中，
连铸工序的坯料料型采用150-220mm断面方坯坯料，轧件长度≤30m；
坯料加热工序采用超高温加热制度，温度为1255-1270℃；
轧制工序的轧制速度为4.0-5.0m/s，终轧温度为780-830℃，轧制过程中冷却***始终关闭；轧制末道次采用小压下率确保轧件最后道次辊缝≥2.0mm；连续多批次生产时，使用同一套轧辊轧制；每个轧件头、尾两张子板放尺长度≥1200mm；通过切除轧件头、尾板型不合格区域进行钢板定尺；采用开坯的方式组织生产。
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