CN102912222B - 18mnd5核电用低合金结构钢及工艺控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及冶金技术领域，旨在提供一种18MND5核电用低合金结构钢及工艺控制方法。该钢的化学成分按质量百分比为：C≤0.22%、Si 0.10～0.30%、S≤0.012%、P≤0.012%、H≤1.5PPM、O≤30PPM、Mn 1.15～1.60%、Ni 0.50～0.80%、Mo 0.43～0.57%、Al≤0.04%、N≤0.013%、Cr≤0.25%、Co≤0.08%、B≤0.0018、V≤0.01%、Cu≤0.08%、As≤0.010%、Sb≤0.002%、Sn≤0.010%，余量为Fe。用本发明的方法生产的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。

Description

18MND5核电用低合金结构钢及工艺控制方法

技术领域

本发明涉及一种18MND5核电承压用高强度低合金结构钢及工艺控制方法，属于冶金技术领域。

背景技术

核电承压设备用钢主要是指适用于制造核反应堆的安全壳、压力容器、压力管道等支撑反应堆基本结构的材料，同时必须具有保护核电设备运行、防止放射性射线扩散的作用。世界上主要采用Mn-Ni-Mo型低合金高强度钢作为核承压设备用钢，其中以法国的18MND5型应用最为广泛。目前世界范围内能生产这种低合金钢的，主要为法国、德国、美国、俄罗斯和日本等先进国家。国内针对18MND5的生产及研究相对较少，且尚未能实现规模化生产。因此，在国内及早开展18MND5承压用低合金结构钢钢锭的研发，拥有自主知识产权的钢种成分配方及工艺控制方法，形成规模化、稳定的、批量化生产等，具有重大的现实意义和推广价值。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种18MND5核电用低合金结构钢及工艺控制方法。

本发明通过对18MND5钢锭化学成分的配方优化、冶炼、热加工、热处理等改进，提出新的18MND5材料配方和工艺控制方法。

该18MND5核电用低合金结构钢的化学成分按质量百分比为：C≤0.22%、Si 0.10～0.30%、S≤0.012%、P≤0.012%、H≤1.5PPM、O≤30PPM、Mn 1.15～1.60%、Ni 0.50～0.80%、Mo 0.43～0.57%、Al≤0.04%、N≤0.013%、Cr≤0.25%、Co≤0.08%、B≤0.0018、V≤0.01%、Cu≤0.08%、As≤0.010%、Sb≤0.002%、Sn≤0.010%，余量为Fe。

该8MND5核电用低合金结构钢的加工工艺控制方法，集成控制冶炼烧注成钢锭、锻造钢锭成锻件以及对锻件的热处理。

本发明中，控制冶炼烧注成钢锭的工艺条件为：

（1）精选原材料：

选用S≤0.020%；P≤0.020%；Co≤0.08%的纯净废钢、Co≤0.08%的纯镍板以及高优质的其它相关金属；

（2）在EAF（电弧炉）粗炼：

氧化期：P脱至≤0.004%， C脱至≥0.45%；

还原期：控制炉渣（FeO）在5%左右，S脱至≤0.005%，其他成分达到规定要求；

（3）在LF（精炼炉）精炼：

氩量控制在50～150L/min，处理时间≥30分钟；钢水温度范围1660℃～1680℃；

（4）在VODC（真空炉）脱气：

抽真空时间≤20min，抽真空度＜1mbar；控制O≤30PPm，H≤1.5PPm；

净化钢水，最大限度减少非金属夹杂物；

（5）进行钢锭浇注：

采用氩气保护浇注；向模中通氩气2～3分钟，赶走模内空气防止二次氧化；

（6）进行钢锭退火：

880℃加热保温8～12小时；炉冷至≤500℃出炉。

本发明中，控制锻造钢锭成锻件的工艺条件为：

加热温度范围为1180～1200℃，始终锻温度范围为1150～800℃，总锻造比≥3～4。

本发明中，控制锻件的热处理的工艺条件为：

（1）锻后热处理：850℃下保温，保温时间0.5～0.7小时/英寸，奥氏体化；炉冷至350℃，保温时间每100毫米0.8～1小时，贝氏体化；再升温至650℃，保温时间每100毫米10～12小时，珠光体扩氢；加热后炉冷至≤150℃；

（2）预备热处理：880℃加热保温，保温时间0.6～0.7小时/英寸，于静止空气中空冷；

（3）性能热处理：880℃保温出炉水冷，保温时间0.5～0.6小时/英寸；640～660℃保温回火后空冷，保温时间1～1.2小时/英寸。

本发明的有益效果在于：

用本发明的方法生产的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。

具体实施方式

（一）化学成分优化

由于生产出的18MND5最终产品必须满足法国RCC-M标准，而本发明的生产工艺控制方法又是自主的。所以发明的创造性改进，主要是在传统的16Mn、20MnMo、16MnD、20MnMoD材料的基础上，将C从原来的0.13～0.23%调整到≤0.22%，其目的是保证强度合适的前提下，增加钢的低温韧性及降低脆化转变温度；Mn从原来的1.1～1.6%调整为1.15～1.6%%，其目的是强化基体，提高钢的淬透性，降低堆焊层下裂纹敏感性；Si从原来的0.17～0.60%调整为0.10～0.30%，其目的是减少辐射对钢的影响，且钢中碳的石墨化倾向；增加≤0.25%的Cr控制考核，其目的是提高钢的抗氧化性以及降低对钢热强性的影响；增加了Ni0.50～0.80%，其目的是提高钢的淬透性和改善低温韧性；S从原来的≤0.015%、P≤0.20%、严格降低至S、P均≤0.012%，其目的是降低其对钢延长性、韧性以及焊接性能的影响；Mo从原来的0.20～0.35%调整为0.43～0.57%，其目的是提高钢的耐热性和降低回火脆性；增加了对残余元素的考核：V≤0.010%；AL≤0.04%；H≤1.5PPm；O≤30PPm；Co≤0.080%；As≤0.010%；Sb≤0.002%；Sn≤0.010%；B≤0.0018%的考核，其目的是降低对钢的热加工性能、焊接性能、低温性能等诸多方面有不利的影响。

优化后的18MND5化学成分（Wt/%）

（二）冶炼工艺条件的优化

18MND5核电用高强度低合金结构钢的加工工艺控制方法：主要包括针对冶炼烧注成钢锭、锻造钢锭成锻件以及对锻件的热处理等过程，获得了精确的工艺控制参数，并基于上下位机集成的计算机系统实现控制。

具体实施如下：

1、精选原材料

选用S≤0.020%；P≤0.020%；Co≤0.08%的纯净废钢、Co≤0.08%的纯镍板以及高优质的其它相关金属；

2、EAF（电弧炉）粗炼

氧化期：P脱至≤0.004%，C脱至≥0.45%；

还原期：控制炉渣FeO在5%左右，S脱至≤0.005%，其他成分达到上表给出的成分要求；

3、LF（精炼炉）精炼

埋弧加热，吹氩搅拌应充分，用氩量控制在50-150L/min，处理时间应为≥30分钟。通过底部吹氩和电弧加热，使钢水静沸腾，钢水中的杂质上浮形成渣层，从而使钢水净化，氧、氢的溶解度降低，同时脱硫和脱碳，去除非金属夹杂物。严格调整化学成分，对于一些不足的微量元素可用喂丝机添加，提高钢的综合性能，保证符合验收标准。在LF炉中，钢水进一步升温，为VODC炉创造条件，当钢水温度达到1660℃~1680℃时，并且成分满足要求时出钢。

4、VODC（真空炉）脱气

抽真空时间≤20min，抽真空度＜1mbar，实时检测钢水中氢、氧的重量百分含量，保证O≤30PPm，H≤1.5PPm，净化钢水，最大限度减少非金属夹杂物。

5、钢锭浇注

浇注前15-30分钟，从中注管内插入氩气管，向模中通氩气2-3分钟，赶走模内空气防止二次氧化。浇注过程中应采用氩气保护浇注，减少外界空气对钢水的影响。

6、钢锭退火

880℃加热保温8~12小时，炉冷至≤500℃出炉，均匀钢锭组织，并软化。

（三）锻造

加热温度1180～1200℃；

始终锻温度1150～800℃；

总锻造比≥3～4；

（四）锻后热处理

850℃下保温，保温时间0.5～0.7小时/英寸，奥氏体化；

炉冷至350℃，保温时间每100毫米0.8～1小时，贝氏体化；

再升温至650℃，保温时间每100毫米10～12小时，珠光体扩氢；

加热后炉冷至≤150℃；

（五）预备热处理

880℃加热保温，保温时间0.6～0.7小时/英寸，于静止空气中空冷；

（六）性能热处理

880℃保温出炉水冷，保温时间0.5～0.6小时/英寸；

640～660℃保温回火后空冷，保温时间1～1.2小时/英寸。

（三）测试结果

1、化学成分检测及比较

2、机械性能检测及比较

从测试结果可以看出，用本发明的方法生产的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。

3、表面质量的检测

钢锭的表面无夹渣、重皮、裂纹、飞边等缺陷存在。缺陷可用打磨方法去除，打磨缺陷必须圆滑过渡，深度、宽度、长度之比应为1:5:8。钢锭表面无纵裂、双浇和严重皮下气孔。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多技术解构与变形设计。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种18MND5核电用低合金结构钢的加工工艺控制方法，其特征在于，集成控制冶炼烧注成钢锭、锻造钢锭成锻件以及对锻件的热处理；

所述控制冶炼烧注成钢锭的工艺条件为：

（1）精选原材料：

选用S≤0.020％；P≤0.020％；Co≤0.08％的纯净废钢、Co≤0.08％的纯镍板，以及所述18MND5核电用低合金结构钢的化学成分中的其它相关金属；

（2）在电弧炉粗炼：

氧化期：P脱至≤0.004％，C脱至≥0.45％；

还原期：控制炉渣FeO在5％，S脱至≤0.005％，其他成分达到所述成分的要求；

（3）在LF精炼炉精炼：

氩量控制在50～150L/min，处理时间≥30分钟；钢水温度范围1660℃～1680℃；

（4）在VODC真空炉脱气：

抽真空时间≤20min，抽真空度＜1mbar；控制O≤30ppm，H≤1.5ppm；

净化钢水，最大限度减少非金属夹杂物；

（5）进行钢锭浇注：

采用氩气保护浇注；向模中通氩气2～3分钟，赶走模内空气防止二次氧化；

（6）进行钢锭退火：

880℃加热保温8～12小时；炉冷至≤500℃出炉；

经过前述方法制备获得的18MND5核电用低合金结构钢，其化学成分按质量百分比为：C≤0.22％、Si0.10～0.30％、S≤0.012％、P≤0.012％、H≤1.5ppm、O≤30ppm、Mn1.15～1.60％、Ni0.50～0.80％、Mo0.43～0.57％、Al≤0.04％、N≤0.013％、Cr≤0.25％、Co≤0.08％、B≤0.0018％、V≤0.01％、Cu≤0.08％、As≤0.010％、Sb≤0.002％、Sn≤0.010％，余量为Fe。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，控制锻造钢锭成锻件的工艺条件为：加热温度范围为1180～1200℃，始终锻温度范围为1150～800℃，总锻造比为3～4。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，控制锻件的热处理的工艺条件为：

（1）锻后热处理：850℃下保温，保温时间0.5～0.7小时/英寸，奥氏体化；炉冷至350℃，保温时间每100毫米0.8～1小时，贝氏体化；再升温至650℃，保温时间每100毫米10～12小时，珠光体扩氢；加热后炉冷至≤150℃；

（2）预备热处理：880℃加热保温，保温时间0.6～0.7小时/英寸，于静止空气中空冷；

（3）性能热处理：880℃保温出炉水冷，保温时间0.5～0.6小时/英寸；640～660℃保温回火后空冷，保温时间1～1.2小时/英寸。