CN101514434A - 一种压力容器用厚钢板、其制造方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种压力容器用厚钢板、其制造方法及应用。所述厚钢板的化学成分包含：C：0.08～0.20wt％、Si：0.10～0.40wt％、Mn：1.0～1.6wt％、S≤0.01wt％、P≤0.012wt％、Al：0.015～0.05wt％、Mo：0.40～0.60wt％、Cu≤0.10wt％、Ni：0.40～0.80wt％、V≤0.05wt％、N≤0.008wt％，余量为Fe和不可避免的杂质。通过合金化及热处理，保证了本发明厚钢板具有强度高、韧性好等特点，产品可替代锻件制造压力容器，尤其适用于制造核反应堆压力容器、蒸发器、稳定器的筒体、封头等。

Description

一种压力容器用厚钢板、其制造方法及应用

技术领域

本发明涉及钢铁材料领域，具体地说，本发明涉及低碳低合金钢，更具体地说，本发明涉及一种压力容器用高强度调质厚钢板及其在核电工业上的应用。

背景技术

压力容器用钢的基本要求是具有较高的强度，良好的塑性、韧性、制造性能和与介质相容性。在力学性能方面：首先，制造压力容器的材料应具有适当的强度(主要是指屈服强度和抗拉强度)，以防止在承受压力时发生塑性变形甚至断裂。其次，制造压力容器的材料必须具有良好的塑性，以防止压力容器在使用过程中因意外超载而导致破坏。第三，制造压力容器的材料应具有较高的韧性，使压力容器能承受运行过程中可能遇到的冲击载荷的作用，特别是操作温度或环境温度较低的压力容器，更应考虑材料的冲击韧性值，并对材料进行操作温度下的冲击试验，以防止容器在运行中发生脆性破裂。在工艺性能方面：由于压力容器的承压部件，大都是用钢板滚卷或冲压成形的，所以要求材料具有良好的冷塑性变形能力，在加工时容易成形且不会产生裂纹等缺陷。其次，制造压力容器的材料应具有较好的可焊性，以保证材料在规定的焊接工艺条件下获得质量优良的焊接接头。第三，要求材料具有适宜的热处理性能，容易消除加工过程中产生的残余应力，而且对焊后热处理裂纹不敏感。

核电工业中许多设备需要用到压力容器。核电用钢因其使用场合特殊，从安全、稳定等因素考虑，对用于制造核电设备的材料要求极高。目前，核电用钢大量采用不锈钢、耐热钢等，主要用于制造核反应堆堆内构件、换热器、传热管等部件。核岛中的反应堆压力容器、蒸发器、稳压器等核心承压设备使用高强度低碳低合金钢，对材料的性能要求是强度高、韧性好、脆性转变温度低。此前，国内外制造这类设备均采用锻件，即将钢水先浇铸成大钢锭，再用大型锻压机直接锻成所需尺寸的环状锻件。使用锻件具有设备制造方便、减少焊接工序、安全可靠等优点，但同时锻件生产过程复杂、材料利用率低，常常需要数炉钢水连续浇铸，生产组织难度大，而且大型环状锻件的热处理比较麻烦，需要配备相应的专用加热炉和淬火设备，特别是受锭型、锻压机等生产装备制约，锻件的直径受到限制。现在压水堆核电站堆型向着大型化方向发展，单座堆型功率从300MW向600MW发展，主力堆型功率已经达到1000MW，将来会向更高的1500MW发展，输出功率的提高必然使反应堆压力容器、蒸发器、稳压器等设备的筒体直径增大，现有锻件尺寸有时不能完全满足实际需要，特别是百万千瓦级核电机组的蒸发器，其筒体直径很大，只能用厚板经过卷筒、焊接制造，此外，这些容器两端的封头，用厚板制造比用锻件更经济。

经检索，有下列相关专利文献涉及核电用钢种，其化学成分见表1。

CN200580007157.6、US4201574A、JP57085956A、JP10008217A、EP0447109A1中公开的钢材属于同一类型奥氏体不锈钢，依靠加入大量Cr、Ni合金元素形成稳定的奥氏体组织，该类钢的共同特点是低碳，一般碳含量不超过0.1％，Cr、Ni含量高，通常Cr、Ni含量超过30％。200580007157.6涉及的钢中还加入Mo合金，需要1000～1150℃固溶处理，该钢具有高耐应力腐蚀裂纹性。US4201574A公开的钢中Si含量高，且需要加入V、Nb、Ti等元素，原料成本较高。JP57085956A公开的钢种中需要加入超过1.0wt％的Mo，且也需固溶处理，制造成本较高。EP0447109A1公开的钢中加入超过1.0wt％的Mo，还添加了少量Nb，JP10008217A公开的钢中加入了较多量的Cu，而对于核电用钢来说，其Cu含量应低些。

US4844865A、JP11061340A和JP09241807A公开的都是无磁钢，产品主要用于核裂变及核聚变反应堆，成分是Mn-Cr系合金钢，但合金含量各有特点。US4844865A涉及的钢种Mn、Cr含量较低，但需要添加少量Cu、Mo合金，特别是加入了大量Al，含量高达20％以上。JP11061340A和JP09241807A涉及的是高锰无磁钢，JP11061340A的钢种中Mn含量超过10％，同时添加15-18％的Cr，且控制Ni含量小于0.2％；而JP09241807A的钢种中Mn含量高达6-36％，同时添加12-15％的Cr，控制V含量小于0.3％。此类钢种合金成分复杂，成本较高。

US5292384A公开了一种Cr-W-V系贝氏体/铁素体高强高韧钢，钢中Cr含量超过2.5％，不含Ni，且必须添加少量V、Nb及微量B，增加原料成本，生产时需要正火处理或者淬火后低温回火处理。

JP02019447A、JP63213640A涉及用于核反应堆传热管、换热器的钢板。JP02019447A公开的钢板为超低碳钢，以Cr合金化的同时添加少量Cu；JP63213640A公开的钢含碳量稍高，但不超过0.08％，除了Cr合金外，还用Mo、Cu合金化，两者均为低碳Cr合金钢，属于铁素体型不锈钢。

JP06271989A、JP09111413A公开的是铁素体型耐热钢。它们的碳含量较低，不超过0.15％，锰含量也比较低，在1.0％以下，但为了扩大铁素体相区添加较多铬，含量超过5％，并且添加了W、V以有利于形成高温稳定的特殊类型碳化物，改善钢的热强性，因此，原料成本也相应增加。

EP2693855公开一种可用于快中子反应堆的钢铁材料，具有良好的抗中子辐照脆化性能和最高达700℃的耐热性能，成分上通过加入Cr、W、V、Ti、Ta等各种强碳化物形成元素，形成M23C6、M6C等复杂碳化物，此类碳化物高温稳定不易分解，可提高钢材的耐热性能，但增加了成本，且它是属于Cr-W-V合金成分设计。

中国专利申请200610085908.2提供了一种适应于聚变堆的结构钢材料，为低活化马氏体钢，基体为Fe元素，其中含有Cr、W、V、Ta、Mn、C等合金元素成分，适合在聚变反应堆环境下使用，抗强中子辐照，该钢采用以W、Ta、V和Mn取代一般钢中的Mo、Nb和Ni等元素，以保证其具有低活化特性。

JP02077561A公开了一种低碳低合金贝氏体钢板，可用于核反应堆，钢中Si含量很低，Ni含量较高，并加入了少量Cr，通过减少析出粗大的碳化物和氮化物，并形成综合力学性能优良的下贝氏体组织，提高强韧性。

JP63053243A公开的钢可用于核反应堆压力容器，它在低碳锰钢的成分基础上用Ni、Mo合金化，C和Ni含量较高，且需要用钢锭锻造生产，属于锻件产品，不能完全满足实际需要。

JP62054065A公开了一种用于核电站的低合金钢制造方法，Si含量比较高，达到0.45-0.90％，添加Mo、Ni合金的同时还加了Cr和Cu，而对于核电用钢来说，其Cu含量应低些。

考虑到压力容器，尤其是用于核电工业的压力容器部件应具有高强度、高韧性等特性，且生产成本低廉、便于实施等因素，本发明者以低C、低Mn为基础，减少合金元素种类，以少量Mo、Ni合金化，通过淬火加高温回火的热处理方式，设计出了一种压力容器用厚钢板，从而完成了本发明。

本发明的一个目的在于提供一种压力容器用厚钢板。

本发明的第二个目的在于提供所述厚钢板的制造方法。

本发明的第三个目的在于提供所述厚钢板在核电工业上的应用。

发明内容

本发明的第一个方面提供一种压力容器用厚钢板，所述厚钢板的化学成分包含：C：0.08～0.20wt％、Si：0.10～0.40wt％、Mn：1.0～1.6wt％、S≤0.01wt％、P≤0.012wt％、Al：0.015～0.05wt％、Mo：0.40～0.60wt％、Cu≤0.10wt％、Ni：0.40～0.80wt％、V≤0.05wt％、N≤0.008wt％，余量为Fe和不可避免的杂质。

下面，对本发明的压力容器用厚钢板的化学成分作用作详细叙述。

C：碳是钢中的主要强化元素，因为碳是奥氏体转变成马氏体、贝氏体等强化相所必不可少的元素。本发明碳含量最好控制在0.08wt％～0.20wt％之间，这是基于钢的强韧性、淬透性与钢板厚度的匹配。碳含量若过低，钢板的淬透性较差，对于厚规格钢板淬火时易产生铁素体等物相，难以获得淬火所需的马氏体或贝氏体组织，反之，碳含量若过高，淬火形成的马氏体组织强度极高，通过常规回火处理强度难以下降，而且碳过高，钢的焊接性也变差。

Si：硅在钢中起脱氧作用，也有一定的固溶强化效果，钢中Si含量过高则会使钢出现脆性，为了保证韧性，本发明厚钢板中Si含量控制在0.10～0.40wt％之间为宜。

Mn：锰在钢中起固溶强化作用，能提高钢板的强度和硬度，且锰是稳定奥氏体的元素，能降低奥氏体的相变温度，促进碳在奥氏体中的溶解，由于延迟了铁素体、珠光体的形成，从而扩大了冷却形成马氏体、贝氏体组织的冷却速率的范围，提高了钢的淬透性。过多的锰易于偏析，恶化钢的性能。关于硅和锰，必须调整添加的相对量以控制相的分布和体积分数。因此Mn含量以控制在1.0～1.6wt％范围内为宜。

S、P：在钢中属于杂质元素，应尽可能降低含量。硫在钢中与锰等化合形成塑性夹杂物硫化锰，尤其对钢的横向塑性和韧性不利，因此硫含量控制在0.01wt％以下，磷也是钢中有害元素，会严重损害钢板的塑性和韧性，其含量控制在0.012wt％以下。

Mo：钼在钢中主要是延长奥氏体转变孕育时间，使铁素体、珠光体转变后移，提高钢的淬透性，使厚板淬火时钢板芯部在冷速相对较慢的情况下也能淬透，同时，Mo是碳化物形成元素，回火时原先固溶的Mo形成M₂C、M₆C等各种类型合金碳化物，该类碳化物性能稳定，使钢板具有优良的高温强度。因此，本发明Mo含量范围控制在0.40-0.60wt％之间。

V：钒是广泛用作高强度低合金钢的强化剂，含钒钢通过沉淀析出和细化晶粒产生强化，钢中钒的碳氮化物析出相能显著提高强度，钢中添加少量钒就有显著的强化效果。因此，本发明根据需要添加了少量V，含量控制在0.05wt％以下。

Ni：镍是非碳化物形成元素，在钢中主要起到固溶强化的作用，但与Mo、V等元素相比，其强化效果较弱，钢中添加镍的目的主要是改善韧性，尤其是低温韧性，同时，镍对提高钢的淬透性也有好处，因此，本发明厚钢板中的Ni含量以0.40-0.80wt％为宜。

Al：铝是钢中的主要脱氧元素，有利于细化晶粒，本发明厚钢板中加入的铝含量不超过0.050wt％。

本发明的第二个方面提供一种压力容器用厚钢板的制造方法，该方法包括冶炼、铸造、热轧、热处理，其中所述厚钢板的化学成分包含：C：0.08～0.20wt％、Si：0.10～0.40wt％、Mn：1.0～1.6wt％、S≤0.01wt％、P≤0.012wt％、Al：0.015～0.05wt％、Mo：0.40～0.60wt％、Cu≤0.10wt％、Ni：0.40～0.80wt％、V≤0.05wt％、N≤0.008wt％，余量为Fe和不可避免的杂质。

在一个优选实施方式中，所述热轧过程中的加热温度为1100～1250℃，轧制变形量＞80％。

在一个优选实施方式中，所述热处理过程包括将轧制钢板于860～940℃保温，快速淬火冷却至200℃以下，再于620～720℃回火处理。

将钢坯加热到1100～1250℃，可使奥氏体组织均匀化，使钢中钼、钒的碳化物充分溶解，钢中的AlN析出物在高温下稳定，可阻止原始奥氏体晶粒的长大，同时加热温度下限控制在1100℃是为了考虑轧制时板坯的温降，保证在规定温度内完成轧制。

钢板轧制要求控制压缩比，使轧制变形量在80％以上。

轧制钢板需要经过热处理调整其性能，典型的热处理工艺是淬火、回火处理。轧制钢板于860～940℃再加热，充分保温使钢板内外温度一致，形成单一均匀的奥氏体组织。钢板保温结束后立即喷水快速冷却，直至钢板温度至少降至200℃以下。接着将淬火钢板进行回火处理以调整其最终性能，控制回火温度620～720℃，保温足够长时间使淬火形成的马氏体等亚稳组织充分分解，碳化物充分析出，形成稳定组织——回火索氏体。

本发明的第三个方面提供所述压力容器用厚钢板在核电工业上的应用。

本发明的有益效果为：

1、本发明压力容器用厚钢板的化学成分设计易于实施，通过合金化处理不仅有效起到强化作用，并且推迟奥氏体向铁素体、珠光体转变，便于厚规格钢板热处理工艺实施。

2、本发明各种厚度钢板的屈服强度大于485MPa，抗拉强度620～795MPa，50mm标距延伸率超过16％，并具有优良的低温冲击韧性，-20℃冲击功超过100J。

3、成品经过卷曲可以制造筒体，旋压后可以制造封头，尤其是大尺寸筒体，只要选择相应长度的钢板，经卷曲后焊接即成为需要尺寸的筒体，解决锻件生产大尺寸筒体的难度，可替代锻件制造压力容器，尤其适用于制造核反应堆压力容器、蒸发器、稳压器的筒体、封头等。

附图说明

图1为本发明实施例3压力容器用厚钢板的金相组织图。

具体实施方式

以下用实施例结合附图对本发明作更详细的描述。这些实施例仅仅是对本发明最佳实施方式的描述，并不对本发明的范围有任何限制。

实施例1

按表2所示的化学成分冶炼，铸造成钢坯，将钢坯于1100～1250℃进行热轧，热轧变形量＞80％。轧制结束后，将钢板进行热处理，于910℃加热后保温，然后立即喷水快速冷却至200℃以下，再于640℃回火。成品钢板厚度为40mm。

实施例2

实施方式同实施例1，其中热处理过程中的加热温度为930℃，回火温度为620℃，成品钢板厚度为20mm。

实施例3

实施方式同实施例1，其中热处理过程中的加热温度为890℃，回火温度为670℃，成品钢板厚度为70mm。

实施例4

实施方式同实施例1，其中热处理过程中的加热温度为890℃，回火温度为720℃，成品钢板厚度为40mm。

实施例5

实施方式同实施例1，其中热处理过程中的加热温度为890℃，回火温度为670℃，成品钢板厚度为100mm。

实施例6

实施方式同实施例1，其中热处理过程中的加热温度为860℃，回火温度为620℃，成品钢板厚度为100mm。

实施例7

实施方式同实施例1，其中热处理过程中的加热温度为940℃，回火温度为700℃，成品钢板厚度为20mm。

实施例8

实施方式同实施例1，其中热处理过程中的加热温度为860℃，回火温度为640℃，成品钢板厚度为100mm。

实施例9

实施方式同实施例1，其中热处理过程中的加热温度为890℃，回火温度为670℃，成品钢板厚度为70mm。

表2 本发明实施例1-9的压力容器用厚钢板的化学成分(wt％)

实施例	C	Si	Mn	P	S	Al	Cu	Mo	Ni	V	N
												1	0.09	0.20	1.23	0.009	0.003	0.017	0.02	0.49	0.49	/	0.0029
2	0.10	0.30	1.00	0.012	0.003	0.026	0.02	0.40	0.52	0.03	0.0045
												3	0.14	0.20	1.24	0.009	0.003	0.018	0.03	0.50	0.59	/	0.0024
4	0.13	0.18	1.20	0.012	0.004	0.015	0.04	0.48	0.55	/	0.0078
												5	0.17	0.20	1.38	0.009	0.003	0.017	0.02	0.51	0.58	/	0.0024
6	0.20	0.10	1.55	0.008	0.008	0.048	0.03	0.59	0.72	/	0.0036
												7	0.08	0.40	1.12	0.012	0.005	0.036	0.02	0.52	0.40	0.05	0.0064
8	0.19	0.29	1.60	0.010	0.004	0.031	0.10	0.58	0.80	0.04	0.0029
												9	0.16	0.36	1.43	0.011	0.005	0.042	0.03	0.55	0.63	/	0.0034

试验例

对本发明实施例1-9的压力容器用厚钢板进行力学性能测试及夏比冲击试验，测试结果见表3。

表3 本发明实施例1-9的压力容器用厚钢板的性能测试结果

实施例	屈服强度(MPa)	抗拉强度(MPa)	延伸率A(％)	-20℃Akv(J)
					1	600	700	24.0	297
2	630	760	22.0	274
					3	580	680	26.5	255
4	540	630	25.0	205
					5	500	640	29.0	107
6	620	730	24.5	167
					7	550	640	26.5	311
8	590	705	25.0	211
					9	505	625	27.5	191

从图1可以看出，本发明压力容器用厚钢板的微观组织为回火索氏体，属于平衡稳定组织。从表3可以看出，本发明厚钢板的屈服强度均超过485MPa，抗拉强度为625～760MPa，50mm定标距延伸率均超过16％，实物水平达到22％以上，具有优良的低温冲击性能，-20℃冲击功超过100J。

Claims (5)

1、一种压力容器用厚钢板，其特征在于，所述厚钢板的化学成分包含：C：0.08～0.20wt％、Si：0.10～0.40wt％、Mn：1.0～1.6wt％、S≤0.01wt％、P≤0.012wt％、Al：0.015～0.05wt％、Mo：0.40～0.60wt％、Cu≤0.10wt％、Ni：0.40～0.80wt％、V≤0.05wt％、N≤0.008wt％，余量为Fe和不可避免的杂质。

2、权利要求1所述的压力容器用厚钢板的制造方法，包括冶炼、铸造、热轧、热处理，其特征在于，所述厚钢板的化学成分包含：C：0.08～0.20wt％、Si：0.10～0.40wt％、Mn：1.0～1.6wt％、S≤0.01wt％、P≤0.012wt％、Al：0.015～0.05wt％、Mo：0.40～0.60wt％、Cu≤0.10wt％、Ni：0.40～0.80wt％、V≤0.05wt％、N≤0.008wt％，余量为Fe和不可避免的杂质。

3、根据权利要求2所述的压力容器用厚钢板的制造方法，其特征在于，在所述热轧过程中，加热温度为1100～1250℃，热轧变形量＞80％。

4、根据权利要求2所述的压力容器用厚钢板的制造方法，其特征在于，在所述热处理过程中，将轧制钢板于860～940℃保温，快速淬火，冷却至200℃以下，再于620～720℃回火。

5、权利要求1所述的压力容器用厚钢板在核电工业上的应用。

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