CN105506508A - 一种三代核电安注箱基板用钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种三代核电安注箱基板用钢，其特征在于化学成分以质量百分比计为：C：0.08％～0.20％、Si：0.15％～0.40％、Mn：0.90％～1.60％、Mo：0.30～0.60％、Ni：0.40％～0.70％、Cr：0.05％～0.30％、V：0.01％～0.05％，余量为Fe及不可避免的杂质；钢中的杂质元素控制：P≤0.012％、S≤0.005％，[H]≤2.0ppm、[O]≤30ppm。

Description

一种三代核电安注箱基板用钢及其制造方法

技术领域

本发明属于黑色金属材料领域，特别涉及三代核电安注箱基板用钢及其制造方法。

背景技术

随着世界各国经济的高速发展，核能作为一种清洁、安全、稳定的能源，已越来越受到各国的重视，安全利用核能、大力发展核电已成为一种趋势。而经历日本2011年福岛核事故后，人们也越来越重视核电安全。大多数国家现已开始放弃二代核电，转为更为先进、更为安全的三代核电。三代核电核岛设备中安注箱是相对较为关键的核级装备，由于要经受高温、高压及腐蚀环境，因此一般安注箱壳体由碳钢和不锈钢两张钢板复合而成，而基板用材主要是由低合金钢组成。目前安注箱基板通常选用ASME标准中的SA-533Gr.BCl.1钢种，但该钢种实际生产中的C及Ni、Mo等合金元素含量相对较高，调质处理后虽然可以获得回火索氏体组织，但再经长时间模拟焊后热处理后，钢中会析出大量合金碳化物，从而造成强度及韧性下降，难以满足要求。通常情况下，此类钢种只能满足10小左右的模拟焊后热处理，而难以满足实际生产中要求的长达24小时的模拟焊后热处理要求。

目前国内外对核电用钢已公开较多专利申请，如申请号CN201010121440.4，“与AP1000型压水堆安全壳钢板配套的核电专用焊条”，公开了一种与AP1000型压水堆安全壳用SA-738GradeB钢板配套的核电专用焊条；申请号CN201210269122.1“核电站安全壳用厚钢板及其制造方法”，公开了一种核电站安全壳用厚钢板，其厚度为10-60mm，主要涉及的核电站安全壳用厚钢板具有高强度、高韧性，并且在低温情况下母材及热影响区都具有良好的冲击韧性，适合应用于核电站安全壳制造领域；申请号CN201210282831.3“一种第三代核电站反应堆安全壳用钢板及其制造方法”，主要涉及一种第三代核电站反应堆安全壳用钢板及其制造方法，其抗拉强度达到600MPa以上，耐200℃高温性能，成本低廉，焊接性能优良。

上述专利申请均涉及核反应堆安全壳的建造，并未涉及的核级设备安注箱壳体。又如申请号CN201210349026.8，CN201310076884.4、CN201310083274.7、CN201320017144.9等，均不能用于制造安注箱壳体基板。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术所存在的上述各种缺陷，提供了一种三代核电安注箱壳体基板用钢板及其制造方法，通过降低钢中气体及非金属夹杂水平，细化晶粒尺寸，使钢板在调质处理状态、模拟焊后热处理状态等的力学性能均保持较高水平，同时做到强度及韧性匹配良好、组织稳定，完全适用于三代核电安注箱壳体基板用钢的需求。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

本发明三代核电安注箱基板用钢采用低C、复合添加Mn、Ni、Mo、V等元素成分系列，钢坯轧后经过调质处理，以确保达到预期的性能。具体技术方案如下：

化学成分(wt)范围为：

C：0.08％～0.20％、Si：0.15％～0.40％、Mn：0.90％～1.60％、Mo：0.30～0.60％、Ni：0.40％～0.70％、Cr：0.05％～0.30％、V：0.01％～0.05％，余量为Fe及不可避免的杂质。钢中的杂质元素控制：P≤0.012％、S≤0.005％，[H]≤0.0002％、[O]≤0.003％。

采用上述成分设计理由如下：

(1)C：钢中C是保证钢板强度的主要元素，C含量偏低，强度可能满足不了要求，尤其经过24小时长时间模拟焊后热处理后强度会得到一定程度的下降。但C含量较高直接会带来韧塑性的下降。因此本发明要求钢中C含量宜控制在中、下限，优选控制范围为0.10％-0.16％。

(2)Si：Si是有效的强化元素，同时也是廉价的元素，但含量较高同样也会带来韧塑性下降。因此从保证钢板不同状态强韧性考虑，将Si含量控制在中限为好，因此本发明Si含量优选控制范围为0.20％-0.35％。

(3)Mn：钢中Mn元素除了起强化基体作用外，还能有效地提高钢的淬透性，同样有助于提高强度却降低韧塑性，因此实际生产钢中Mn含量宜控制在中上限，本发明Mn含量优选控制范围为1.25％-1.50％。

(4)Mo：Mo的作用是提高淬透性、耐热性，并与Cr、Mn共同作用减少或抑制回火脆性。当钢中Mo含量控制在0.5％左右时，几乎可以完全消除回火脆性；但当Mo含量小于0.20％或大于0.80％时，则对钢的低温回火脆性的作用效果不大，因此优选控制Mo含量为0.45-0.55％。

(5)Ni：Ni能够明显改善钢的低温韧性，同时提高厚截面钢板的低温韧性，使钢板在具有足够强度的同时还会具有较高的韧性，满足指标的要求。考虑到本发明涉及的钢种厚度≤80mm，同时通过调质处理，可以提高韧塑性，因此从控制成本的实际需要出发，本发明Ni含量优选控制范围为0.40％-0.60％。

(6)Cr：Cr在钢中能显著改善钢的抗氧化作用，增加抗腐蚀能力。同时缩小奥氏体相区，提高钢的淬透性能。但Cr还会显著提高钢的脆性转变温度，促进回火脆性。为进一步保证钢板不同状态时强度的稳定性，本发明Cr含量优选控制范围为0.10％-0.25％。

(7)V：核电用钢要求是细晶粒钢，细晶粒钢比粗晶粒钢辐照脆性小。钢中加入V有细化晶粒、提高晶粒粗化温度作用。同时更为主要的是钢中加V后，析出第二相粒子VC，在长时间模拟焊后热处理过程中可以起到有效地晶界“钉轧”作用，延缓强度的下降。因此本发明V含量优选控制范围为0.03％-0.05％。

(8)P：辐照试验表明，P对辐照脆化亦非常敏感，同时P含量较高，也易于在钢中加剧中心偏析及中心疏松的产生，因此要求钢中的P含量越低越好，本发明P含量优选控制范围为≤0.010％。

(9)S：S在钢中易形成S化物夹杂，降低冲击韧性，影响焊接性能，同时加剧中心偏析、疏松等缺陷的产生，因此本发明S含量优选控制范围为≤0.002％。

(10)气体[H]、[O]：总体来讲，它们对钢的性能均有害，同时还会增加辐照脆化效应，因此希望把它们的含量要降低到最低水平。本发明[H]、[O]含量优选控制范围为[H]≤1.5ppm、[O]≤20ppm。

本发明三代核电安注箱基板用钢制造方法，在生产工艺上需采取以下技术措施：

冶炼方面：钢板采用转炉、连铸工艺进行生产，生产过程中采用炉外精炼和真空脱气处理。

轧制方面：钢坯加热温度≥1100℃，总变形量≥70％，平均道次变形量≥10％。

热处理方面：钢板轧后需要进行调质处理，使组织更加均匀、晶粒更加细小、性能更加稳定。调质处理工艺为：

淬火温度：920℃±20℃，充分保温以保证钢板内外形成均匀的奥氏体组织，然后立即进行水淬直到钢板表面温度降至150℃以下。回火温度：640℃±20℃，充分保温以保证钢中碳化物析出，并形成稳定的回火索氏体组织。

本发明提供了一种三代核电安注箱基板用钢板及其制造方法，生产钢板厚度为30-90mm，宽度及长度可根据实际需求进行生产。

与现有技术相比，有益效果如下：

(1)本发明钢板经调质处理后，不同状态下均具有较好的强度水平：58mm板调质处理后屈服强度(Rel)和抗拉强度(Rm)分别为425MPa和635MPa(指标：Rel≥345MPa、Rm:550-690MPa)；经历24小时模拟焊后热处理后，屈服强度(Rel)和抗拉强度(Rm)分别为410MPa和605MPa(指标：Rel≥345MPa、Rm:550-690MPa)。从两种状态(尤其是长时间模拟焊后热处理)来看，钢板强度下降幅度均较小且可控，完全可以满足指标要求。

(2)本发明钢种经调质处理后，不同状态下的0℃冲击吸收能量同样保持在较高的水平。58mm板调质处理及模拟焊后热处理后的冲击吸收能量分别为214J和196J左右，侧膨胀量分别为2.2mm、2.0mm，不仅满足指标的要求，而且具有较大的余量。

附图说明

图1是实施例4调质态组织图；

图2是实施例4调质+模拟焊后热处理组织图。

具体实施方式

以下用实施例对本发明进行更详细的描述，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的限制。

根据本发明的化学成分及生产工艺，本发明钢冶炼实际化学成分见表1、轧制及热处理实际工艺见表2、实物性能检验结果如表3，实施例4调质态组织图见图1，实施例4调质+模拟焊后热处理组织图见图2。

表1本发明钢冶炼实际化学成分(wt％)

表2本发明钢轧制及热处理实际工艺

表3本发明钢板实物性能

Claims (3)

1.一种三代核电安注箱基板用钢，其特征在于化学成分以质量百分比计为：C：0.08％～0.20％、Si：0.15％～0.40％、Mn：0.90％～1.60％、Mo：0.30～0.60％、Ni：0.40％～0.70％、Cr：0.05％～0.30％、V：0.01％～0.05％，余量为Fe及不可避免的杂质；钢中的杂质元素控制：P≤0.012％、S≤0.005％，[H]≤0.0002％、[O]≤0.003％。

2.根据权利要求1所述的三代核电安注箱基板用钢，其特征在于：所述的钢板厚度为30-90mm。

3.一种根据权利要求1或2所述的三代核电安注箱基板用钢制造方法，包括以下步骤：冶炼、连铸和轧制，其特征在于：轧制过程钢坯加热温度≥1100℃，总变形量≥70％，平均道次变形量≥10％；钢板轧后需要进行调质处理，淬火温度为920℃±20℃，然后立即进行水淬直到钢板表面温度降至150℃以下；回火温度为640℃±20℃。