CN116145030A - 三代核电站关键设备支撑用铁素体不锈钢钢板及制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三代核电站关键设备支撑用铁素体不锈钢钢板及其制造方法，钢板包含如下成分，C：0.04％‑0.11％；Si：0.5％‑2.0％；Mn：0.1％‑1.00％；P≤0.010％；S：0.010％‑0.020％；Ni：0.3％‑1.0％；Cr：12％‑15％；Mo：0.002％‑0.05％；N：0.15％‑0.30％；B：0.0011％‑0.0029％；Co：0.01％‑1％；ZrO2：0.001％‑0.010％，Al:0.20％‑0.50％；Pb：0.001％‑0.010％。采用控轧结合特殊淬火+回火热处理工艺，开轧温度：1050‑1180℃，终轧温度：950‑1050℃。淬火温度970～1150℃，保温时间1‑6min/mm；回火温度650～780℃，保温时间3‑10min/mm。生产的钢板具有良好的室温力学性能和高温力学性能，满足三代核电站关键设备支撑用铁素体不锈钢的要求。

Description

三代核电站关键设备支撑用铁素体不锈钢钢板及制造方法
技术领域
本发明涉及铁素体不锈钢板轧制技术领域，特别涉及一种三代核电站关键设备支撑用铁素体不锈钢钢板及其制造方法，该铁素体不锈钢中厚板主要适合用于核电站高强韧性支承部件。
背景技术
核发电是依靠核能加热的重水蒸汽带动汽轮机发电，高温的水蒸气在管道中传导，核电蒸汽发生器中有上万条的并联管道，这些管道用作蒸汽的传输，在国核一号机组中这些并联管道的支撑板是一种特殊的铁素体不锈钢。
国和一号蒸汽发生器支撑板用铁素体不锈钢的主要制造难点为该钢板一直服役于高温腐蚀环境中，因此钢板必须保证在长时高温情况下还要保证较高的综合力学性能，铁素体不锈钢长时间在高温环境中容易析出碳化物，如何避免析出的产生对钢板性能和耐蚀性的破坏为钢板生产的主要难点。
目前国内外对马氏体不锈钢已形成较多专利：
申请号为201510973350.0的专利公开了“一种耐蚀高铬铁素体不锈钢及其制备方法与应用”，该发明不锈钢板100～200℃高温浓硫酸腐蚀性能优良及耐点蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀等局部腐蚀性能优良且合金化相对经济的高铬铁素体不锈钢。按质量百分比各成分的含量是：C≤0.01％；N≤0.015％；Mn≤0.40％；Si≤0.40％；Al≤0.10％；Cr：25.00％～27.50％；Ni≤0.50％；P≤0.02％；S≤0.02％；Mo：1.00～3.00％；W：0.75～1.25％；Cu：0.50～1.00％；Re：0.10～0.30％；Ti：0.10～0.20％；Nb：0.40～0.50％；Ti+Nb≥10％(C+N)；C+N≤0.03％，其余为Fe。该发明方法所述的铁素体不锈钢具有较高的耐蚀性，但是发明中只说明了化学成分并未说明该种不锈钢的生产制备方法，同时该不锈钢仅具备室温拉伸性能，钢板的高温性能、硬度低温韧性均未给出。
申请号为201910821783.2的专利公开了“一种消除超宽幅铁素体不锈钢中厚板表面裂纹的方法”，连铸坯中等轴晶比例不低于75％；铸坯均质化温度750～850℃，在炉时间1～2h，水冷至室温；铸坯修磨后表面粗糙度Ra≤70μm，喷涂高温抗氧化涂料；铸坯依次经预热段、加热段和均热段处理后出炉；预热段温度950～1180℃，加热段温度1180～1260℃，均热段温度1220～1250℃，在炉时间4～5.5h；粗轧开轧温度≥1150℃；精轧开轧温度≥1150℃，终轧温度≥950℃，轧制单道次压下率≤20％，退火温度750～880℃，在炉时间2～5min/mm，空冷。产品宽2500～4000mm，厚8～30mm。表面裂纹废品率由6％以上降至0.5％以下。该发明钢板的屈服强度≥230MPa，抗拉强度≥450MPa，延伸率≥28％。该发明降低了钢板表面裂纹，但是该发明的不锈钢强度较低不具备良好的高温拉伸性能，并且钢板没有良好的低温韧性，同时钢板规格在厚度和宽度方面均不足。
申请号为201010151832.5发明公开了一种1Cr13厚壁管材的热处理工艺，其利用管式保护气氛热处理炉中进行热处理，工艺参数为：在1000-1050℃下保温1-2小时，气冷冷却至室温，控制冷却速度＜500℃/h；在650-700℃下保温3-5小时，气冷冷却至室温，控制冷却速度＜500℃/h，生产出铁素体含量小于10％。采用该发明的热处理生产的1Cr13管材性能是通过气冷的方式冷却，该种冷却方式不能保证钢板性能的均匀性，并且说明书中没有提供材料的耐高温性能和具体温度下的冲击韧性，与其应用环境并不匹配。
发明内容
本发明的目的在于提供一种三代核电站关键设备支撑用铁素体不锈钢钢板及其制造方法，通过化学成分设计以及适宜的连铸坯、加热、轧制、热处理等工艺，生产的钢板不仅具有良好的室温力学性能和高温力学性能，完全可以满足三代核电站关键设备支撑用铁素体不锈钢的要求，该铁素体不锈钢中厚板主要适用于高强韧性支承部件。
为了实现本发明目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明提供的是一种三代核电站关键设备支撑用铁素体不锈钢钢板及其制造方法，具体技术方案如下：按重量百分比包含如下成分，C：0.04％～0.11％；Si：0.5％～2.0％；Mn：0.1％～1.00％；P≤0.010％；S：0.010％～0.020％；Ni：0.3％～1.0％；Cr：12％～15％；Mo：0.002％～0.05％；N：0.15％～0.30％；B：0.0011％～0.0029％；Co：0.01％～1％；ZrO2：0.001％～0.010％，Al:0.20％～0.50％；Pb：0.001％～0.010％；余量为Fe和不可避免的杂质。
所述钢板厚度为6mm～100mm，宽度为2000mm～4300mm。
所述钢板室温拉伸屈服强度≥422MPa，抗拉强度≥588MPa，延伸率≥20％；316℃高温拉伸屈服强度≥352MPa，抗拉强度≥483MPa；350℃高温拉伸屈服强度≥342MPa，抗拉强度≥478MPa。
所述钢板-23℃冲击功≥53J，布氏硬度≥151HB，180°弯曲全部合格。
采用上述成分设计理由如下：
(1)碳：C是强烈形成并稳定奥氏体的元素，碳元素容易与其它合金元素以碳化物的形式析出，所以碳含量的增加，会使得不锈钢的强度提高，它直接影响钢材的强度、塑性、韧性和焊接性能等，奥氏体的增多有利于提高淬透性，但使得不锈钢具有较高的晶间腐蚀敏感性。因此本发明钢在设计成分时要求钢中C:0.04％～0.11％。
(2)硅：Si是铁素体相形成元素，当Si的含量增加时，铁素体相的稳定性变高并且改变了抗氧化性、耐硝酸和硫酸腐蚀性，铁素体的形成有利于软化，有利于钢的韧性，与钼共同合金化对提高钢的抗高温氧化性效果更加显著，从而保证钢的高温强度，因此Si：0.5％～2.0％。
(3)锰：Mn可以抑制钢中硫的作用，提高热塑性，但是当Mn的含量变高时，MnS形成容易引起点蚀，降低了不锈钢的抗腐蚀性能，因此Mn：0.1％～1.00％。
(4)磷：P在不锈钢中被视为有害元素，应尽量控制得越低越好，同时考虑成本，P含量分别控制在0.010％以下。
(5)硫：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，但适量的硫利于钢板的切削作用，因此本发明要求S：0.010％～0.020％。
(6)镍：Ni是奥氏体相形成元素，当奥氏体含量增加时，在热轧后空冷时，促进了马氏体相的生成，提高了强度和硬度，在铁素体不锈钢中能够增加韧性，因此尽量控制Ni：0.3％～1.0％。
(7)铬：Cr是不锈钢中最重要的合金元素，铬形成Cr2O3致密的氧化膜，阻碍氧和金属离子的扩散，从而提高钢的抗氧化性和抗腐蚀性能；但Cr的含量太高时，延伸率降低，成形性能变差，本发明中Cr含量控制在12％～15％之间。
(8)钼：Mo是强碳化物形成元素，铁素体不锈钢的耐腐蚀和耐高温能力一般较差，但随着钼元素含量的增加能够通过固溶强化和与其他合金的共同强化作用利于晶粒的强化和避免晶界的贫化腐蚀。因此本发明要求Mo：0.002％～0.05％。
(9)氮：N是奥氏体形成元素，用N来扩大奥氏体相区，并且N较容易溶于本发明的成分体系；N容易扩散，N与Nb、V等元素形成氮化物，在晶界析出，钉扎晶界细化晶粒，起到提高晶界高温强度作用，N：0.15％～0.30％。
(10)硼：B是唯一的一个晶间强化元素，微量B还可提高其高温强度，并且B吸收中子能力强，但略有促进回火脆性的倾向。因此本发明要求钢中B含量控制为0.0011％～0.0029％。
(11)钴：Co有固溶强化的作用，能够提高钢的热硬性，改善钢的高温性能，同时利用钴在钢板心部的支持能够补偿强度因厚度增加的损失，Co：0.01％～1％。
(12)氧化锆：ZrO2具有细化晶粒作用，有利于钢的低温韧性，因此钢中加入的ZrO2含量控制在0.001％～0.010％。
(13)铝：Al是钢中良好的脱氧剂，同时钢中加入少量的铝形成纳米级的Al2O3，该氧化物利于轧制过程中动态再结晶铁素体的形核提高综合性能，因此Al含量限定在0.2％～0.5％。
(14)铅：Pb是可以改善切削加工性能，有利于钢板的转孔，也可以增强抗腐蚀性和抗辐射性能。因此Pb含量限定在0.001％～0.010％。
实现本发明在生产工艺上采取以下技术措施：包括冶炼、连铸、铸坯加热、高压水除磷、轧制、调质处理，
(1)冶炼：采用铁水+废钢，或者单独使用铁水，通过电炉炼钢、AOD脱碳、VOD脱氧三步法炼钢，综合成分满足设计要求后就可以获得满足成分要求的钢液；
(2)连铸：连铸前钢液过热度20℃～55℃，浇注速度4.5～11.25t/min，二冷阶段加强电磁搅拌，搅拌方式为双向搅拌，其中双向搅拌时间5～20s，电流1000～4000A，频率为10～50Hz，连铸坯轻压下工艺，其中轻压下率控制在5～15％。
铸坯下线进堆垛缓冷，堆垛缓冷时间30～60h，300℃以下解垛，防止因急冷导致铸坯内部产生裂纹。
(3)铸坯加热：将修磨及喷涂抗氧化涂料的铸坯送入步进式加热炉内进行加热，铸坯依次经预热段、加热段和均热段处理后出炉；其预热段温度区间为920～1120℃，加热段温度区间为1120～1270℃，均热段温度区间为1150～1250℃，在炉时间3.5～5.5小时；
(4)高压水除磷：开轧前利用高压水对出炉后铸坯进行两次除鳞，第一次除磷8～25s，除鳞机压力20～30MPa，第二次除磷5～15s，除鳞机压力10～20MPa。
(5)轧制：开轧温度：1050～1180℃，终轧温度：950～1050℃。钢板轧后采用调质处理工艺，得到细致、均匀的铁素体组织，并使钢板具有良好的综合力学性能。
(6)调质处理工艺为：
淬火温度970℃～1150℃，升温速率0.5～2mim/mm，保温时间1～6min/mm；
回火温度650℃～780℃，升温速率0.5～3mim/mm，保温时间3～10min/mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
其中表1为实施例钢的化学成分；表2为实施例钢的冶炼工艺制度；表3实施例钢铸坯的加热和除磷方法；表4为实施例钢的轧制和热处理方法；表5为实施例不锈钢性能。
(1)通过特殊的化学成分设计达成满足不锈钢力学性能的基础，其中引入
B、Co、Pb和ZrO2等特殊元素来保证钢板的特殊性能要求，从源头上为生产出三代核电站关键设备支撑用铁素体不锈钢奠定了基础；
(2)通过特殊设计连铸过热度、浇注速度、电磁搅拌、连铸坯轻压下工艺，从源头上为生产出高质量铁素体不锈钢热轧中厚板产品奠定了基础；
(3)铸坯加热：将修磨及喷涂抗氧化涂料的铸坯送入步进式加热炉内进行加热，铸坯依次经预热段、加热段和均热段处理后出炉；其预热段温度区间为920℃～1120℃，避开热应力集中区间加热，加热段温度区间为1120℃～1270℃，完全去除组坯热应力，均热段温度区间为1150℃～1250℃，奥氏体含量最大化，在炉时间3.5～5.5小时；
(5)两阶段高压除磷能够减少表面温度的急剧降低，两次短时除磷既能够达到表面除磷的效果又能避免因长时高压除磷导致表面温降过多导致表面组织转化较快硬度过高。
(6)本发明采用控轧结合特殊淬火+回火热处理工艺，二者相结合能够保证最终钢板中铁素体组织的高度稳定性；
(7)本发明最终制备得到厚度为6mm～100mm，宽度为2000mm～4300mm，长度不限制的铁素体不锈钢，解决了核电铁素体不锈钢中厚板生产的难题，钢板平均力学性能为：室温拉伸屈服强度≥422MPa，抗拉强度≥588MPa，延伸率≥20％；316℃高温拉伸屈服强度≥352MPa，抗拉强度≥483MPa；350℃高温拉伸屈服强度≥342MPa，抗拉强度≥478MPa，-23℃冲击功≥53J，布氏硬度≥151HB，180°弯曲全部合格。
具体实施方式
一种三代核电站关键设备支撑用铁素体不锈钢钢板及其制造方法，具体实施方式如下：
包括冶炼、连铸、铸坯加热、高压水除磷、轧制、调质处理，
铸坯加热：将铸坯送入加热炉内进行加热，铸坯依次经预热段、加热段和均热段处理后出炉；其预热段温度区间为920～1120℃，加热段温度区间为1120～1270℃，均热段温度区间为1150～1250℃，在炉时间3.5～5.5小时；
轧制：开轧温度：1050～1180℃，终轧温度：950～1050℃；
调质处理：淬火温度970℃～1150℃，升温速率0.5～2mim/mm，保温时间1～6min/mm；回火温度650℃～780℃，升温速率0.5～3mim/mm，保温时间3～10min/mm。
进一步；冶炼：采用铁水+废钢，或者单独使用铁水，通过电炉炼钢、AOD脱碳、VOD脱氧三步法炼钢。
进一步；连铸：连铸前钢液过热度20℃～55℃，浇注速度4.5～11.25t/min，二冷阶段加强电磁搅拌，搅拌方式为双向搅拌，其中双向搅拌时间5～20s，电流1000～4000A，频率为10～50Hz，连铸坯轻压下工艺，其中轻压下率控制在5％～15％。
进一步；铸坯下线进堆垛缓冷，堆垛缓冷时间30～60h，300℃以下解垛。
进一步；高压水除磷：开轧前利用高压水对出炉后铸坯进行两次除鳞，第一次除磷8～25s，除鳞机压力20～30MPa，第二次除磷5～15s，除鳞机压力10～20MPa。
进一步；所述加热炉为步进式加热炉，铸坯送入步进式加热炉前将铸坯进行修磨及喷涂抗氧化涂料。
其中表1为实施例钢的化学成分；表2为实施例钢的冶炼工艺制度；表3实施例钢铸坯的加热和除磷方法；表4为实施例钢的轧制和热处理方法；表5为实施例不锈钢性能。
表1实施例钢的化学成分(wt％)
Figure BDA0004014375830000071
备注：由于P为钢中有害元素，因此P含量控制在0.010％以下即可，不做特殊说明。
表2实施例钢的冶炼工艺制度
Figure BDA0004014375830000072
表3实施例钢铸坯的加热和除磷方法
Figure BDA0004014375830000081
表4实施例钢的轧制和热处理方法
Figure BDA0004014375830000082
表5实施例不锈钢性能
Figure BDA0004014375830000091
/>
从实施例可以看出所制钢板平均力学性能为：室温拉伸屈服强度≥422MPa，抗拉强度≥588MPa，延伸率≥20％；316℃高温拉伸屈服强度≥352MPa，抗拉强度≥483MPa；350℃高温拉伸屈服强度≥342MPa，抗拉强度≥478MPa，-23℃冲击功≥53J，布氏硬度≥151HB，180°弯曲全部合格。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种三代核电站关键设备支撑用铁素体不锈钢钢板，其特征在于，按重量百分比包含如下成分，C：0.04％～0.11％；Si：0.5％～2.0％；Mn：0.1％～1.00％；P≤0.010％；S：0.010％～0.020％；Ni：0.3％～1.0％；Cr：12％～15％；Mo：0.002％～0.05％；N：0.15％～0.30％；B：0.0011％～0.0029％；Co：0.01％～1％；ZrO2：0.001％～0.010％，Al:0.20％～0.50％；Pb：0.001％～0.010％；余量为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的一种三代核电站关键设备支撑用铁素体不锈钢钢板，其特征在于，钢板厚度为6mm～100mm，宽度为2000mm～4300mm。
3.根据权利要求1所述的一种三代核电站关键设备支撑用铁素体不锈钢钢板，其特征在于，钢板拉伸屈服强度≥422MPa，抗拉强度≥588MPa，延伸率≥20％；316℃高温拉伸屈服强度≥352MPa，抗拉强度≥483MPa；350℃高温拉伸屈服强度≥342MPa，抗拉强度≥478MPa。
4.根据权利要求1所述的一种三代核电站关键设备支撑用铁素体不锈钢钢板，其特征在于，钢板-23℃冲击功≥53J，布氏硬度≥151HB，180°弯曲全部合格。
5.一种权利要求1-4任一项所述的三代核电站关键设备支撑用铁素体不锈钢钢板的制造方法，包括冶炼、连铸、铸坯加热、高压水除磷、轧制、调质处理，其特征在于，
铸坯加热：将铸坯送入加热炉内进行加热，铸坯依次经预热段、加热段和均热段处理后出炉；其预热段温度区间为920～1120℃，加热段温度区间为1120～1270℃，均热段温度区间为1150～1250℃，在炉时间3.5～5.5小时；
轧制：开轧温度：1050～1180℃，终轧温度：950～1050℃；
调质处理：淬火温度970℃～1150℃，升温速率0.5～2mim/mm，保温时间1～6min/mm；回火温度650℃～780℃，升温速率0.5～3mim/mm，保温时间3～10min/mm。
6.根据权利要求5所述的三代核电站关键设备支撑用铁素体不锈钢钢板的制造方法，其特征在于，冶炼：采用铁水+废钢，或者单独使用铁水，通过电炉炼钢、AOD脱碳、VOD脱氧三步法炼钢。
7.根据权利要求5所述的三代核电站关键设备支撑用铁素体不锈钢钢板的制造方法，其特征在于，连铸：连铸前钢液过热度20℃～55℃，浇注速度4.5～11.25t/min，二冷阶段加强电磁搅拌，搅拌方式为双向搅拌，其中双向搅拌时间5～20s，电流1000～4000A，频率为10～50Hz，连铸坯轻压下工艺，其中轻压下率控制在5％～15％。
8.根据权利要求7所述的三代核电站关键设备支撑用铁素体不锈钢钢板的制造方法，其特征在于，铸坯下线进堆垛缓冷，堆垛缓冷时间30～60h，300℃以下解垛。
9.根据权利要求5所述的三代核电站关键设备支撑用铁素体不锈钢钢板的制造方法，其特征在于，高压水除磷：开轧前利用高压水对出炉后铸坯进行两次除鳞，第一次除磷8～25s，除鳞机压力20～30MPa，第二次除磷5～15s，除鳞机压力10～20MPa。
10.根据权利要求5所述的三代核电站关键设备支撑用铁素体不锈钢钢板的制造方法，其特征在于，所述加热炉为步进式加热炉，铸坯送入步进式加热炉前将铸坯进行修磨及喷涂抗氧化涂料。
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