CN102181807A - 一种-50℃核电承压设备用钢及生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种-50℃条件下的高韧性、低辐照脆化核电承压设备用钢及其制造方法。其其化学组分及重量百分比为：C：0.05～0.15％、Si：0.25～0.50％、Mn：1.00～1.28％、Alt：0.02～0.04％、Ni：0.40～0.80％、Cu：0.10～0.24％、Mo：0.10～0.20％、V：0.02～0.05％，其余为Fe及不可避免的杂质；生产步骤：采用洁净钢的冶炼工艺；进行连铸或电渣重熔坯；将铸坯冷却之室温；铸坯加热并保温；进行粗轧；进行精轧；常规淬火和回火；自然冷却至室温。本发明能提高核电站运行中的安全性和可靠性，-50℃条件下具有高韧性、高强度、低辐照脆化效应、优良的拉伸性能和焊接性能，抗拉强度大于585MPa级。

Description

一种-50℃核电承压设备用钢及生产方法

技术领域

本发明涉及低合金高强钢制造领域，具体属于一种-50℃条件下的高韧性、低辐照脆化核电承压设备用钢及其制造方法。

背景技术

核电承压用钢用于制造核岛压力容器、压力管道、安全壳等承压设备，其作用是保护核电设备运行、防止放射性射线扩散和支撑反应堆基础结构，是反应堆的重要安全屏障。我国正在大力发展核电，每年不断新增核电机组项目。目前我国核电布局广泛，不同地区气温差异较大，而现有核电承压设备用钢低温韧性不高，适应地区范围窄，不能满足核电建设快速发展的需求。

在本发明以前，中国专利号200710039741.0公布了“低屈强比可大线能量焊接高强高韧性钢板及其制造方法”，其化学成分按重量百分比为：C：0.025～0.055、Si：≤0.20、Mn：1.40～1.75、P≤0.013、S≤0.002、Cu：0.25～0.55、Ni：0.40～0.80、Mo：0.10～0.40、Nb：0.02～0.04、Als：0.04～0.06、Ti：0.007～0.013、Ca：0.001～0.005、B≤0.0003，其余为Fe及不可避免的杂质。该专利技术不足之处在于没有针对核电站承压设备用钢的使用要求进行设计，添加了较多的Cu(≥0.3％)，会增大辐照脆化倾向。

另外，中国专利申请号200810303506.4公开了一种核电用WB36CN1管坯钢的生产方法，具体为转炉冶炼、LF精炼炉精炼、圆坯连铸机浇铸、铸坯表面检查、铸坯表面喷砂、电渣重熔钢锭、钢锭缓冷，制得的管坯钢的化学成分按重量百分比计：0.08％≤C≤0.19％，0.21％≤Si≤0.54％，0.75％≤Mn≤1.25％，0＜P≤0.020％，0＜S≤0.006％，0.14％≤Cr≤0.35％，0.95％≤Ni≤1.35％，0.45％≤Cu≤0.85％，0.20％≤Mo≤0.45％，0.010％≤Nb≤0.030％，0＜N≤0.021％，0＜Al≤0.055％，Fe为余量，管坯钢成品纯净度高、性能稳定。该专利技术不足之处在于钢板全部采用了电渣重熔铸坯，生产成本增加，且添加了较多的Cu(≥0.3％)，不能适用于对辐照脆化效应要求较高的设备。

此外，中国专利号200810201871公开了宝山钢铁股份有限公司的一种抗辐射性能优良的中高温特厚钢板及其制造方法，采用中C-中Mn-高N低合金钢的成分体系作为基础，适当控制钢中酸溶Als含量和Als/N比范围、控制(Mn/C)比在8～15、(Ni+Cr+Mo)复合强韧化、Ca处理且Ca/s比在1.00～3.00，优化控轧及后续热处理工艺，获得优异的强韧匹配、抗疲劳蠕变性能、抗回火脆化、焊接工艺性，尤其钢板抗中子辐射脆化及焊接接头抗疲劳蠕变性能优良，特别适宜于用作特殊耐热压力容器胴体。上述专利技术不足之处在于该钢针对中高温核电钢板的使用要求进行设计，不能保证较低温度下的使用性能，使用范围较窄。

在国外，日本公开了一种含B奥氏体不锈钢板的生产方法，专利号JP2000294549。该钢板可以吸收中子，有良好的延性和韧性，可用于核燃料运输容器的制造。该钢所含化学成分(质量％)：≤0.08C，≤1Si，≤2Mn，16～5Cr，7～15Ni，0.1～1.5Mo，0.3～1.5B，0.005～0.3Als，≤0.05N，其余为Fe和不可避免的杂质。该钢采用合金钢的生产工艺，添加了很多Cr、Ni、Mo等贵重金属元素，使得冶炼、轧制过程中难度较大，生产成本较高。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种能提高核电站运行中的安全性和可靠性，高韧性、高强度、低辐照脆化效应、优良的高温拉伸性能和焊接性能，厚度50mm以上钢板焊前预热温度不高于100℃，焊后热处理适应温度范围大，抗拉强度大于585MPa级的核电承压设备用钢及生产方法。

实现上述目的的技术措施：

一种-50℃核电承压设备用钢，其化学组分及重量百分比为：C：0.05～0.15％、Si：0.25～0.50％、Mn：1.00～1.28％、Alt：0.02～0.04％、Ni：0.40～0.80％、Cu：0.10～0.24％、Mo：0.10～0.20％、V：0.02～0.05％，其余为Fe及不可避免的杂质；

控制元素：P≤0.008％，S≤0.005％，N≤0.005％，Sn≤0.005％，Sb≤0.005％，As≤0.010％，Pb≤0.005％；CE≤0.48，其中，CE＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15(％)；并满足关系式：Alt/N在8.0～15.0，Sn+Sb+As+Pb≤0.02％；

技术要求：Rp0.2≥415MPa，Rm：585～705MPa，A≥20％，-50℃KV2≥100J，350℃Rm≥525MPa，RT_NDT≤-50℃，上平台能量≥150J。

生产权一种-50℃核电承压设备用钢的方法，钢板厚度为10～150毫米，其步骤：

1)采用洁净钢的冶炼工艺进行冶炼；

2)轧制钢板厚度10～100毫米时，进行连铸，控制连铸铸坯厚度在250～300毫米，压缩比至少为3；轧制钢板厚度100～150毫米需采用电渣重熔坯，电渣重熔铸坯厚度在200～320毫米，压缩比至少为2；

3)将铸坯冷却之室温，控制冷却速度在10～30℃/小时；

4)对铸坯进行加热，加热温度控制在1180～1220℃，并在此温度下保温240～300分钟；

5)进行粗轧，控制开轧温度在1100～1200℃，并控制钢板中间轧制厚度在80～250毫米；

6)进行精轧，控制开轧温度840～920℃，终轧温度在700～820℃，总压下率在50～96％，最后三道次总压下率至少为30％；

7)进行常规淬火和回火热处理；

8)自然冷却至室温。

各合金元素的作用及机理

设计发明本钢种时，考虑该钢主要是要保证钢板的韧性、延性水平，控制好强度范围。因此，低碳微合金钢可以达到设计要求。炼钢时要控制钢水的纯净度，防止杂质元素和残余元素对钢板辐照脆化性能的影响。C、Si、Mn的设计成分保证了钢板的强度范围符合核电承压设备用钢(核电钢制安全壳、蒸发器、稳压器等设备)的要求。微量Cu的添加提高了钢板的耐蚀性和韧性水平，微量V的添加保证较厚钢板的强度水平，保证了钢板的使用安全。设置Alt/N≥2.0是为了改善钢板韧性，减少辐照敏感性，同时降低钢板应变时效敏感性；设置Sn+Sb+As+Pb≤0.020％主要是考虑到这几个元素对钢板高温下的辐照脆化效应影响较大，要严格限制其含量。

从化学成分上，该钢主要是提高其韧性，保证钢板的强度并获得良好的延性和抗辐照脆化性能。因此要致力于提高钢的冶金质量，要控制钢中的微量杂质，特别是S、P含量，从而提高核承压设备的安全可靠性。在微合金元素的利用上，主要是利用Mo来提高钢板的淬透性，其中特别注意Ni、Cu、V的利用。总的说来，采用Ni、Mo、Cu、V及其他元素的复合微合金化上，要充分发挥各元素的特点。

(1)合金元素对核电承压设备用钢辐照脆化的影响

C是提高钢材强度最有效的元素，随着C含量的增加，钢中Fe3C增加，淬硬性也增加，钢的抗拉强度和屈服强度提高。但是，随着C含量增加，钢材的延伸率和冲击韧性下降，尤其是会提高辐照脆化倾向。而且，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，结合武钢现有的590MPa级以上调质钢的化学成分统计规律，本发明钢的C含量应控制在0.20％以内，以便获得优良的综合性能。

Si含量不是有意添加的合金元素，而是冶炼时从废钢和生铁原料中带来的。根据一股规律，随着辐照温度升高，点缺陷及其衍生的辐照缺陷恢复能力增强，辐照效应随之减小，但钢中添加0.5％Si后，钢的辐照缺陷恢复能力降低。这表明含Si高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，本发明钢的Si含量应控制在低限，一股认为Si在0.25～0.50％可满足要求。

Mn和Ni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。原因可能与Mn、Ni降低了钢Ac3温度，使满足奥氏体化温度的热峰数量增加，即类似于被淬火的微区增多。但Ni对辐照的影响和Cu含量与中子注量的高低有关。当Cu含量极低时，不同含量Ni对辐照的影响差别不大，即无Cu存在时，Ni对辐照危害甚小。考虑Mn对钢板强度的贡献和辐照脆化的影响，实际生产中一股把Mn在1.00～1.38％的范围内。考虑到本发明钢中Cu的设计范围，因此应控制Ni：0.40～0.80％。

Al是钢中的主要脱氧元素，在γ中的最大溶解度大约0.6％，它溶入奥氏体后仅微弱地增大淬透性，所以认为Al对焊接氢致裂纹基本没有影响。但是，当Al含量过高时，易导致钢中夹杂增多，对钢的韧性不利。核电承压设备用钢中，为了脱氧和细化晶粒而加入的Al量与N含量有关，对Al/N有要求。钢材中若Al/N比例合理，可以提高钢的低温韧性、减少钢的辐照脆化敏感性，所以，本发明钢将Al控制在0.02～0.04％范围内有利于改善钢板韧性，减少辐照敏感性，同时降低钢板应变时效敏感性。

Cu在钢中主要起沉淀强化作用，此外还能提高钢材的抗疲劳裂纹扩展能力，但Cu对辐照有危害。承压设备中的残余Cu远大于300℃时0.002％的溶解度，辐照能使Cu的沉淀提高几个量级。沉淀出的自由Cu对串级碰撞产生的微空洞有稳定作用，而微空洞又造成是辐照脆化的重要原因，它们因阻碍位错运动而引起硬化和脆化。因此，核电承压设备中对Cu含量有严格控制。综合考虑Cu对钢板综合力学性能、耐蚀性和辐照脆化的影响，将Cu含量控制在0.10～0.24％。

Mo是有效提高钢材强度特别是高温强度的元素，还能提高钢材抗氢脆能力，提高钢材回火稳定性。Mo同C、N、O的亲和力很强，也能明显抑制辐照硬化。Mo元素提高了钢的Ac3温度，即奥氏体化温度升高后相应减少了能引起微区淬火的热峰数目。参考武钢已有同类钢种中的Mo含量，控制Mo含量在0.10％～0.20％。

V是一种相当强烈的碳化物形成元素。它通过细化晶粒与碳化物的形成可提高钢材的常温和高温强度，但V对辐照硬化比较敏感。这与V的二次硬化有关，即除了辐照硬化之外，还有辐照时V的碳化物析出引起的硬化。为了寻求既对辐照无害又对钢的韧性和高温性能有利的钒含量，国外通过对各种V含量的辐照实验指出，推荐V：0.02～0.05％。

(2)杂质元素对核压力容器辐照性能的影响

由上看出，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、提高淬透性和减少回火脆性以及保证综合性能所必需的，即不可缺少的，而下列杂质元素不仅是钢中多余的，且辐照效应都比较大，尤其是铜危害更大。它们都是地矿内天然存在的元素，炼钢原料中难以避免，实际生产又不能为了减少辐照效应而不惜工本地要求高纯，故只能根据辐照规律对钢中杂质元素提出合理地限制。

As、Pb、Sn、Sb尽管在钢中含量甚少，但对辐照性影响较大，严格控制其含量能明显减少辐照效应。但这些残余元素仅对高温辐照有影响，在低于149℃辐照时，影响不大。这可能与低温辐照时基体中组织的影响大于成分的影响，高温辐照时成分的影响大于组织的影响有关。

P和S有加速辐照脆化的倾向。S降低辐照后试样最大冲击功可能与形成的熔点FeS和MnS有关。P对辐照敏感与P在晶界偏析有关。因P原子扩散到晶界引起偏析使晶界表面能降低，所以导致ΔNDT增加。此外，P含量对辐照脆化的影响还与Cu含量有关。P随Cu含量增加，辐照效应减少。因为钢中Cu含量低时，聚集成几个纳米大小的P原子群和磷化物沉淀比较多；随着Cu量增加，P被结合在富Cu沉淀中，产生铜磷化物，即P的单独影响随着Cu增加而降低。

另外，由于该钢用于核电工程，对钢中P、S、As、Sn、Sb的控制较严，避免出现因这些元素造成的辐照脆化现象，如P会增强脆化效果。核电大型锻件一股均要求P≤0.015％，S≤0.008％，Sn+Sb+As+Pb≤0.020％。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1.本发明钢具有高韧性，即在-50℃KV₂≥100J，RT_NDT≤-50℃；

2.本发明钢在-50℃下具有高强度和高延性，即(R_m≥585MPa，A≥20％)；

3.本发明钢具有优良的高温拉伸性能(350℃R_m≥525MPa)；

4.本发明钢同时具有优良的焊接性能、低辐照脆化效应，并保证了钢板模拟焊后热处理后的力学性能，大大简化焊接生产工艺，提高焊接效率。

5.本发明钢以调质状态交货，对轧制制度要求不高，轧制成本较低，钢板合格率高等优点，适应大生产要求。本发明钢可用于第三代核电站压力容器、压力管道和安全壳等承压设备的制造。

具体实施方式

下面做详尽描述：

表1为本发明实施例则分及重量百分比取值；

表2为各实施例的工艺；

表3本发明实施例与对比钢种的力学检验结果；

表4本发明实施例与对比钢种SR热处理后力学检验结果。

表1 本发明实施例与对比钢种化学成分(wt％)

表2 本发明实施例与对比钢种的主要工艺过程

续表2 本发明实施例与对比钢种的主要工艺过程

表3 本发明实施例与对比钢种的力学检验结果

注：拉伸试样为

表4 本发明实施例与对比钢种SR热处理后力学检验结果

注：拉伸试样为

SR热处理保温温度为600℃。

从表3基表4可以看出，本发明的具有高韧性(-50℃KV₂≥100J、RT_NDT≤-50℃)，高强度和高延性(R_m≥585MPa，A≥20％)，优良的高温拉伸性能(350℃R_m≥525MPa)，优良的焊接性能、低辐照脆化效应。

Claims (2)

1.一种-50℃核电承压设备用钢，其化学组分及重量百分比为：C：0.05～0.15％、Si：0.25～0.50％、Mn：1.00～1.28％、Alt：0.02～0.04％、Ni：0.40～0.80％、Cu：0.10～0.24％、Mo：0.10～0.20％、V：0.02～0.05％，其余为Fe及不可避免的杂质；

控制元素：P≤0.008％，S≤0.005％，N≤0.005％，Sn≤0.005％，Sb≤0.005％，As≤0.010％，Pb≤0.005％；CE≤0.48，其中，CE＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15(％)；并满足关系式：Alt/N在8.0～15.0，Sn+Sb+As+Pb≤0.02％；

技术要求：Rp0.2≥415MPa，Rm：585～705MPa，A≥20％，-50℃KV2≥100J，350℃Rm≥525MPa，RTNDT≤-50℃，上平台能量≥150J。

2.生产权利要求1所述的一种-50℃核电承压设备用钢的方法，钢板厚度为10～150毫米，其步骤：

1)采用洁净钢的冶炼工艺进行冶炼；

2)轧制钢板厚度10～100毫米时，进行连铸，控制连铸铸坯厚度在250～300毫米，压缩比至少为3；轧制钢板厚度100～150毫米需采用电渣重熔坯，电渣重熔铸坯厚度在200～320毫米，压缩比至少为2；

3)将铸坯冷却之室温，控制冷却速度在10～30℃/小时；

4)对铸坯进行加热，加热温度控制在1180～1220℃，并在此温度下保温240～300分钟；

5)进行粗轧，控制开轧温度在1100～1200℃，并控制钢板中间轧制厚度在80～250毫米；

6)进行精轧，控制开轧温度840～920℃，终轧温度在700～820℃，总压下率在50～96％，最后三道次总压下率至少为30％；

7)进行常规淬火和回火热处理；

8)自然冷却至室温。