CN107287500A - 一种压水堆核电站安注箱基板用钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种压水堆核电站安注箱基板用钢及其制造方法，钢中化学成分按重量百分比为：C 0.08％～0.25％，Si 0.15％～0.45％，Mn 0.9％～1.65％，P≤0.010％，S≤0.010％，Mo 0.40％～0.60％，Ni 0.35％～0.65％，Cr 0.1％～0.35％，V 0.01％～0.06％，Nb 0.01％～0.02％，余量为Fe和不可避免的杂质。连铸坯加热至1150～1350℃，保温时间＞2h，开轧温度≥1100℃，终轧温度≥900℃，总变形量≥70％，轧后自然冷却；调质处理中，淬火温度为920±20℃，保温时间3～4min/mm，回火温度650±20℃，保温时间5～7min/mm。

Description

一种压水堆核电站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，特别涉及压水堆核电站安注箱基板用钢及其制造方法。

背景技术

随着世界经济的高速发展，能源及环境已经成为各国关注的重大问题。解决此问题的最好方法即为发展清洁、安全、稳定的能源。核电目前已与火电、水电一起成为世界三大能源支柱，受到了越来越多的重视。

我国现已成为世界上在建核电机组最多的国家，并以每年新建5～8台机组的速度增长。我国在建核电机组主要分为两大类，第一类是二代半核电机组(CPR1000)，占有较大比例，由于该类机组运行状态良好，安全性得到了广泛认可；第二类是三代核电机组(AP1000、CAP1400、CAP1700等)，目前是我国新建核电机组中的重点，其先进的设计理念和可靠的安全性能已得到越来越多得国家认可，并且其所占比重正逐步增加。

虽然我国从上至下号召核电机组关键材料国产化，但对于核电机组中核岛关键设备，如压水堆核电机组中的安注箱壳体用钢一直以来只能依靠进口，无论采购成本，还是生产周期均受制于人。一方面由于三代核电压水堆核电机组的使用寿命基本要保证60年，在期限内必须确保安注箱压力边界的完整性，该钢种为核一级产品，需要具有完整严格的质量保证体系，需要按ASME标准进行；另一方面由于压水堆核电站中安注箱用钢板采用的是低合金钢与不锈钢异质复合，其中复合板的基板材料属Mn-Ni-Mo系列，为了保证复合钢板的稳定性，需要进行模拟焊后热处理。因此这类钢除了要具有较好的淬透性、常温及高温性能、抗低温回火脆性及较低的无延性转变温度外，还必须保证钢板经过长时间模拟焊后热处理后的力学性能稳定性，生产难度相对较大。

申请号为200980152846.4，名称为“用于核反应堆安全壳的高强度钢板及其制造”的专利公开了一种用于核反应堆安全壳的高强度钢板及其制造方法，包括下述重量百分比含量的化学成分组成：0.03％～0.20％的C，0.15％～0.55％的Si，0.9％～1.50％的Mn，0.001％～0.05％的Al，P≤0.030％，S≤0.030％，Cr≤0.30％，Mo≤0.20％，Ni≤0.60％，V≤0.07％，Nb≤0.04％，5～50ppm的Ca，0.005％～0.025％的Ti，0.0020％～0.0060％的N，0.0005％～0.0020％的B，其余为Fe及不可避免的杂质。该发明采用钢锭加热、控轧控冷和回火工艺，制得的钢板厚度为13～50mm，组织为回火马氏体，-50℃条件下，抗拉强度≥650MPa，冲击功≥200J。上述专利采用钢锭直接轧制，控轧控冷+回火工艺，成材率低，生产成本高，且该发明没有考虑钢板的模拟焊后热处理后力学性能。

申请号为201210064306.4，名称为“一种核电压力容器用钢及其制造方法”的专利主要公开了一种核电压力容器用钢及其制造方法，其化学元素质量百分含量为：0.05％～0.20％的C，0.10％～0.40％的Si，0.75％～1.60％的Mn，0.15％～0.60％的Cr，0.010％～0.04％的Nb，0.008％～0.03％的Ti，0.030％～0.050％的Alt，0.0010％～0.0050％的Ca，0.003％～0.012％的N，S≤0.010％，P≤0.012％，Sn≤0.003％，Sb≤0.002％，As≤0.003％，其余为Fe及不可避免的杂质。钢板厚度在2.5～16mm，具有晶粒细小的铁素体+珠光体组织，屈服强度大于265MPa，抗拉强度处于410～590MPa，延伸率超过22％，并拥有优良低温(-20℃)冲击韧性和300℃瞬时拉伸性能及模拟焊后热处理后稳定的机械性能。但从该发明的实施例中看出适用钢板的强度偏低，且厚度上限为16mm，更厚的钢板没有记载。

申请号为201210269122.1，名称为“核电站安全壳用厚钢板及其制造方法”的专利主要公开了一种核电站安全壳用厚钢板，其厚度为10～60mm，其化学元素质量百分含量为：0.06％～0.15％的C，0.10％～0.40％的Si，1.00％～1.50％的Mn，0.10％～0.30％的Mo，P≤0.012％，S≤0.003％，0.015％～0.050％的Al，0.20％～0.50％的Ni，V≤0.05％，Ti≤0.03％，Cr≤0.25％，Nb≤0.03％，0.0005％～0.0050％的Ca，其余为Fe及不可避免的杂质。该发明制造方法采用均匀加热-大压下量轧制-淬火处理-回火处理，最终形成回火马氏体组织。获得的10～60mm钢板具有高强度，高韧性，并且在低温情况下有良好的冲击韧性，适合应用于核电站安全壳制造。但该发明中Mo含量偏低，对于钢的低温回火脆性的作用效果不大，且没有考虑钢板的模拟焊后热处理后力学性能。

发明内容

本发明提供了一种压水堆核电站安注箱基板用钢及其制造方法，目的在于克服现有技术的不足，从市场需求的角度出发，通过优化化学成分、热处理工艺，使钢板不仅在调质状态下综合力学性能满足技术条件要求，更为重要的是钢板经过24h模拟焊后热处理后，室温拉伸和低温冲击关键指标依然满足技术标准要求。本发明提供的一种高强度、高韧性的回火索氏体钢板，完全适用于核电安注箱基板用钢的制造要求，保证核电机组的安全运行。

具体的技术方案是：

压水堆核电站安注箱基板用钢板，按重量百分比计，其化学成分包含如下组分：C 0.08％～0.25％，Si 0.15％～0.45％，Mn 0.9％～1.65％，P≤0.010％，S≤0.010％，Mo 0.40％～0.60％，Ni 0.35％～0.65％，Cr0.1％～0.35％，V 0.01％～0.06％，Nb 0.01％～0.02％，其余含量为Fe和不可避免的杂质。

采用上述成分设计理由如下：

C：是钢中主要强化元素，通过形成渗碳体使钢强化，可以有效地提高淬透性，C含量偏低，强度可能满足不了要求，尤其经过长时间模拟焊后热处理，强度均要得到一定程度的下降，C含量过高，易恶化焊接性能，同时降低钢的冲击韧性，因此本发明要求C含量控制为0.08％～0.25％。

Si：是钢中强化元素之一，Si元素扩散缓慢，对于保证钢板模拟焊后热处理后性能有明显作用，但Si含量过高会损害钢板的冲击韧性，因此本发明要求Si含量为0.15％～0.45％。

Mn：是钢中重要的合金化元素，不仅可以提高钢的强度，而且可以降低奥氏体转变温度，而且成本低廉，该元素含量在一定范围内增加钢强度的同时几乎不降低钢的塑性和韧性，因此本发明要求钢中Mn含量控制在0.9％～1.65％。

P：P元素会降低钢的冲击韧性，在连铸过程中易于在铸坯中心形成偏析和疏松，因此要求P含量越低越好，但考虑到脱P成本，本发明设计P含量为P≤0.010％；

S：S元素在钢中形成硫化物夹杂，会降低钢的冲击韧性，影响焊接性能，同时加剧中心偏析、疏松等缺陷的产生，因此要求钢中S含量越低越好，但考虑到脱S成本，本发明中设计S含量为S≤0.010％。

Mo：能大大提高钢的淬透性，还是强化碳化物形成的元素，起到析出强化的作用，与Cr、Mn共同作用减少或抑制回火脆性，当钢种Mo含量控制在0.5％左右时，几乎可以完全消除回火脆性，因此本发明将Mo的含量控制在0.40％～0.60％。

Ni：能够明显改善钢的低温韧性，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，因此从实际需要出发，本发明要求钢中Ni含量控制为0.35％～0.65％。

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，因此本发明要求钢中Cr含量控制为0.1％～0.35％。

V、Nb：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，因此本发明将钢中加入V的范围规定为0.01％～0.06％；Nb能阻碍钢在加热时奥氏体晶粒长大，细化晶粒，降低钢的过热敏感性及回火脆性，提高强度，但会使钢的塑性和韧性有所下降，因此本发明将Nb的范围控制为0.01％～0.02％。

实现本发明在生产工艺上采取以下技术措施：

采用铁水深脱硫、转炉冶炼、炉外精炼、真空处理及连铸工艺进行生产；连铸坯加热温度为1150～1350℃，保温时间＞2h；连铸坯采用高温、大压下量的轧制方式，开轧温度≥1100℃，终轧温度≥900℃，总变形量≥70％，轧后自然冷却；冷却完成的钢板进行调质处理，使组织均匀、晶粒细小、性能稳定。

调质工艺为：淬火温度920℃±20℃，保温时间3～4min/mm，由于该钢合金元素含量不高，Mn-Ni-Mo系钢对淬火时的冷却速度十分敏感，因此需不断通入循环水来改善其冷却速度；回火温度650℃±20℃，保温时间5～7min/mm，随着回火充分，合金元素能够明显扩散时，开始在α相和渗碳体间重新分配，碳化物形成元素向渗碳体中富集，置换Fe原子，形成合金渗碳体，并且回火时析出的碳化物形成方式为离位析出，形成稳定的回火索氏体组织，使得钢板强度显著提高。

采用上述生产工艺的理由如下：

加热目的在于提高钢的塑性，降低变形抗力及改善材料内部组织和性能，以便于轧制加工。一般要将钢加热到奥氏体单相固溶体组织的温度范围内，较高的温度和足够的时间可以均匀化组织及溶解碳化物，从而得到塑性高、变形抗力低、加工性能好的组织。但过高的温度可能引起钢的强烈氧化、脱碳、起泡暴露、过热、过烧等缺陷，破坏钢的质量。因此本发明中，将连铸坯加热温度规定为1150～1350℃，保温时间规定为＞2h。

开轧温度的确定必须以保证终轧温度为依据，终轧温度的选择应以获得所需要的组织性能为目的，而开轧温度由于从加热炉到轧机的温度降低，一般比加热温度还要低一些。因此本发明中，将开轧温度规定为≥1100℃，终轧温度规定为≥900℃，

采用调质工艺的目的是使钢板获得良好的综合力学性能，使强度和韧性相匹配。通过淬火工艺处理可以使钢种形成板条状马氏体，它是靠碳原子对位错钉扎起到固溶强化作用，但淬火组织是高度不稳定的，需经过回火，提高钢的韧性和塑性，降低脆性，并降低和消除淬火引起的内应力。回火后形成回火索氏体，主要有粒状渗碳体和等轴的铁素体组成，回火索氏体具有优良的强韧性匹配。本发明中，将淬火温度定为920±20℃，保温时间定为3～4min/mm，回火温度定为650±20℃，保温时间定为5～7min/mm。

为了验证钢板在经历比制造过程实际热处理时间长1～2倍的情况下，各项性能是否能满足标准要求，为后续制造过程、服役过程的检修及焊接接头热处理提供依据，需检测钢板模拟焊后热处理性能。本发明中将模拟焊后热处理工艺规定为：温度593～621℃，保温时间24h。

有益效果：

本发明提供了一种压水堆核电站安注箱基板用钢及其制造方法，生产的钢板厚度≥30mm，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)本发明钢种经调质和模拟焊后热处理后，不同状态下均具有较好的强度水平。58mm钢板经调质处理后屈服强度和抗拉强度分别为567MPa和653MPa；模拟焊后热处理后，屈服强度和抗拉强度分别为536MPa和634MPa(指标要求屈服强度≥345MPa、抗拉强度：550～690MPa)，从结果来看，钢板强度下降幅度均较小，不同状态均可以满足指标要求，较其他钢种有了较大地改进。

(2)本发明钢种在不同状态下的0℃冲击吸收能量和断面纤维率同样保持在较高的水平。58mm钢板经调质处理及模拟焊后热处理后的冲击吸收能量分别达到289J和210J以上，断面纤维率可达到70％以上。不仅满足指标的要求，而且具有较大的余量。

(3)本发明钢种经调质处理后，获得的显微组织为回火索氏体，是马氏体于高温回火时形成的，是铁素体与粒状渗碳体的混合物，常温下是一种平衡组织。加上微合金元素的固溶强化、析出强化等强化因素，使钢种具有良好的韧塑性匹配，因此具有良好的综合力学性能。

(4)本发明钢种加入少量微合金化元素，其生产工艺简单，稳定，可操作性强，具有一定规模的冶金企业都能实施，完全满足压水堆核电站安注箱基板用钢的设计要求。

附图说明

图1为实施例的典型金相组织图(回火索氏体)。

具体实施方式

本发明涉及的技术问题采用下述技术方案解决：一种核电安注箱基板用钢及其制造方法，其化学成分质量百分比为：C 0.08％～0.25％，Si 0.15％～0.45％，Mn 0.9％～1.65％，P≤0.010％，S≤0.010％，Mo0.40％～0.60％，Ni 0.35％～0.65％，Cr 0.1％～0.35％，V 0.01％～0.06％，Nb 0.01％～0.02％，余量为Fe和不可避免的杂质。将上述成分的连铸坯加热至1150～1350℃，保温时间＞2h，开轧温度≥1100℃，终轧温度≥900℃，总变形量≥70％，轧后自然冷却；冷却完成的钢板进行调质处理：淬火温度920℃±20℃，保温时间3～4min/mm，回火温度650±20℃，保温时间5～7min/mm，获得回火索氏体组织。轧制成品钢板规格为≥30mm，模拟焊后热处理工艺为温度为593～621℃，保温时间24h。

以下实施例用于具体说明本发明内容，这些实施例仅为本发明内容的一般描述，并不对本发明内容进行限制。表1为本发明实施例钢的冶炼化学成分，表2为本发明实施例钢的轧制和热处理工艺，表3为本发明实施例钢力学性能。

表1实施例钢冶炼化学成分(质量百分比/％)

实施例	C	Si	Mn	P	S	Mo	Ni	Cr	V	Nb
											1	0.10	0.18	1.08	0.006	0.0010	0.42	0.35	0.12	0.015	0.010
2	0.14	0.22	1.26	0.008	0.0007	0.45	0.42	0.16	0.025	0.012
											3	0.18	0.28	1.36	0.005	0.0009	0.48	0.48	0.28	0.036	0.015
4	0.20	0.35	1.51	0.007	0.0010	0.50	0.54	0.30	0.048	0.016
											5	0.24	0.40	1.60	0.005	0.0009	0.56	0.65	0.34	0.055	0.018

表2实施例钢的轧制及热处理工艺

表3钢板力学性能结果

根据以上结果可以得出，本发明提供的30～65mm规格钢板，经过调质处理各项性能指标完全满足要求，屈服强度≥564MPa、抗拉强度≥652MPa，零塑性转变温度＜-13℃。此外，经过长时间模拟焊后热处理后，拉伸性能有所下降，但幅度不大，约为20MPa，屈服强度≥536MPa，抗拉强度≥634MPa。因此钢板具有良好的综合力学性能，不仅满足ASTM性能标准要求，并且完全满足SA-578探伤标准要求。

Claims (2)

1.一种压水堆核电站安注箱基板用钢，其特征在于，钢中化学成分按重量百分比为：C 0.08％～0.25％，Si 0.15％～0.45％，Mn0.9％～1.65％，P≤0.010％，S≤0.010％，Mo 0.40％～0.60％，Ni0.35％～0.65％，Cr 0.1％～0.35％，V 0.01％～0.06％，Nb 0.01％～0.02％，余量为Fe和不可避免的杂质。

2.一种如权利要求1所述的压水堆核电站安注箱基板用钢的制造方法，钢板的生产工艺为：铁水深脱硫、转炉冶炼、炉外精炼、真空处理、连铸、铸坯加热、轧制、调质处理工艺进行生产，其特征在于，连铸坯加热至1150～1350℃，保温时间＞2h，开轧温度≥1100℃，终轧温度≥900℃，总变形量≥70％，轧后自然冷却；调质处理中，淬火温度为920±20℃，保温时间3～4min/mm，回火温度650±20℃，保温时间5～7min/mm。