CN107699819A - 核电设备用高强度低硬度15MnNi钢板及其生产方法 - Google Patents

核电设备用高强度低硬度15MnNi钢板及其生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种核电设备用高强度低硬度15MnNi钢板及其生产方法，化学成分组成及重量百分含量为：C：0.15～0.17%，Si：0.23～0.26%，Mn：1.57～1.64%，P≤0.012%，S≤0.005%，Cr：0.04～0.06%，Mo：0.007～0.010%，Cu≤0.010%，Ni：0.52～0.57%，V：0.001～0.003%，Nb：0.001～0.002%，Ti：0.014～0.017%，余量为Fe和不可避免的杂质。生产方法包括冶炼浇注、钢锭加热、钢锭轧制和钢板热处理工序。本发明通过微合金元素复合强化，调质热处理获得良好的强韧性，钢板可广泛用于核电项目的核心设备制造。

Description

核电设备用高强度低硬度15MnNi钢板及其生产方法
技术领域
本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种核电设备用高强度低硬度15MnNi钢板及其生产方法。
背景技术
由于近年来我国核电事业的快速发展，对核电相关设备的安全性提出了更高的要求。同时设备工况的环境越来越苛刻，主要表现为高温、高压、辐射等复杂的环境。15MnNi钢板作为核电项目主要设备用钢，订货方将技术要求不断提高，主要表现为模焊温度的升高、模焊时间的延长、高温拉伸温度的提高、表面HB硬度的降低。随着钢板厚度的不断提高，模拟焊后保温温度和保温时间的不断提高和延长，同时要保证钢板交货状态和模拟焊后热处理状态两套性能，具有很大的难度。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种核电设备用高强度低硬度15MnNi钢板；同时本发明还提供了一种核电设备用高强度低硬度15MnNi钢板的生产方法。本发明保证了交货状态和模拟焊后热处理状态两套性能的高强度低硬度15MnNi钢板的生产。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种核电设备用高强度低硬度15MnNi钢板，所述钢板化学成分组成及其重量百分含量为：C：0.15～0.17%，Si：0.23～0.26%，Mn：1.57～1.64%，P≤0.012%，S≤0.005%，Cr：0.04～0.06%，Mo：0.007～0.010%，Cu≤0.010%，Ni：0.52～0.57%，V：0.001～0.003%，Nb：0.001～0.002%，Ti：0.014～0.017%，余量为Fe和不可避免的杂质。
本发明所述钢板的交货状态为调质。
本发明所述钢板常温Rp0.2＞450MPa，Rm：530～625MPa，A≥26%；0℃AKV≥97J；200℃Rp0.2＞360MPa，Rm：503～564MPa；表面硬度：172～189HB。
本发明所述钢板的厚度规格为30-120mm。
本发明还提供了一种核电设备用高强度低硬度15MnNi钢板的生产方法，所述生产方法包括冶炼浇注、钢锭加热、钢锭轧制和钢板热处理工序；所述冶炼浇注工序所得钢坯或钢锭化学成分组成及其重量百分含量为：C：0.15～0.17%，Si：0.23～0.26%，Mn：1.57～1.64%，P≤0.012%，S≤0.005%，Cr：0.04～0.06%，Mo：0.007～0.010%，Cu≤0.010%，Ni：0.52～0.57%，V：0.001～0.003%，Nb：0.001～0.002%，Ti：0.014～0.017%，余量为Fe和不可避免的杂质；所述热处理工序，采用调质热处理工艺。
本发明述钢锭加热工序，钢锭温清温装，装炉温度≥400℃，入炉焖钢5.0-5.5h；在800℃保温5h，随后升温速度≤55℃/h，最高加热温度1260℃。
本发明所述钢锭轧制工序，厚度≤50mm的钢板，采用开坯后二次成材轧制方式，开坯厚度为350mm；开坯后采用二阶段控轧工艺；第一阶段中，第一道次压下量≥6%，后续道次压下量逐级递增；第二阶段中，开轧温度≤920℃，保证累计压下率≥70%，终轧道次压下量＞10%。
本发明所述钢锭轧制工序，厚度＞50mm的钢板，采用二阶段控轧工艺；第一阶段中，第一道次压下量≥6%，后续道次压下量逐级递增；第二阶段中，开轧温度≤920℃，保证累计压下率≥70%，终轧道次压下量＞10%。
本发明所述钢板热处理工序，正火温度为925～935℃，保温时间为2-3h，出炉进淬火机，最大水量，水冷至室温；回火温度为650～690℃，保温时间为2-3h。
本发明所述冶炼浇注工序,钢水冶炼出钢后，进入精炼工序，总精炼时间≥60min；VD炉真空处理，真空度≤66.6Pa，真空保持时间≥35min。
本发明化学成分设计思路：产品采用精选炼钢原料，最大程度降低As、Sn、Sb、Bi、Pb、Co等有害元素含量。本发明中以C、Mn、Ni为主要强化元素，以固溶、间隙强化、细晶强化和析出相沉淀强化等形式提高钢板的强度，考虑到C作为强化元素的同时，影响钢板的低温韧性及焊接性能，C含量需控制在合适的范围。
Mn含量选择在1.57～1.64%，Mn主要起固溶强化、降低相变温度和提高钢板强度的作用，Mn能显著提高钢板的淬透性；Ni作为提高基体韧性的元素，成分设计时加入适量的Ni提高钢板的韧性；为了保证钢板钢质纯净，P、As、Sn、Sb、Bi、Pb、Co等对韧性有害的元素含量控制在较低的范围。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：1、本发明通过C、Mn、Ni合金元素形成复合强化，获得了良好的强韧性匹配；钢板晶粒均匀细小，交货状态和模拟焊后热处理状态的常温拉伸、高温拉伸、低温冲击性能和表面HB硬度性能满足技术要求；加入的贵金属含量相对较少，成本较低，具有市场竞争力；满足了核电项目用钢板的需求，可广泛用于国内外核电项目的核心设备制造。2、本发明方法采用电炉冶炼、模铸的方式生产出钢锭，通过控制轧制，热处理环节采用调质热处理工艺生产；最大限度减少了钢板正火后晶界有害元素的偏聚，并通过组织细化来保证钢板的强韧性指标，从而保证钢板长时模焊的低温冲击韧性；生产的15MnNi钢板组织细小，组织为回火贝氏体+少量铁素体，塑韧性好，0℃低温冲击韧性有较大的富余量，表面HB硬度值在192以下，完全满足设备制造要求。3、本发明方法热处理工序中的加热环节采用动态有限元的方式对钢板进行加热，通过调质热处理的工艺最大限度细化钢板1/2处晶粒，减少钢板正火后晶界有害元素的偏聚，从而保证钢板长时模焊的低温冲击韧性。4、本发明方法采用二阶段控轧工艺以及调质热处理工艺，解决了晶粒粗大不均、冲击韧性较低的问题；本发明方法的轧制工艺、热处理工艺简单，易于操作，适合于有淬火机的普通钢铁厂生产。本发明方法实现了较低的合金含量化学成分设计，同时得到了具有更细小的组织结构和更佳的长时模焊后的冲击性能，生产的钢板各项力学性能指标均符合技术条件要求，且生产成本显著降低。经检测，本发明方法所得钢板经检验交货状态和模拟焊后热处理状态的力学性能均达到下列要求：常温Rp0.2＞450MPa，Rm：530～625MPa，A≥26%；0℃AKV≥97J；200℃Rp0.2＞360MPa，Rm：503～564MPa；表面硬度：172～189HB。
具体实施方式
核电设备用高强度低硬度15MnNi钢板采用下述工艺步骤生产而成：
（1）冶炼浇注工序：钢水先经电炉冶炼，在P≤0.015%时出钢，严格控制出钢温度，预防回P，随后进入精炼工序，总精炼时间≥60min；VD炉真空处理，真空度≤66.6Pa，真空保持时间≥35min后破坏真空。
采用模铸生产，采用钢锭模进行浇铸，钢锭脱帽后带模入坑缓冷，缓冷36h后温送到轧钢进行温清，温清温度≥300℃。
所述模铸浇注成的钢锭成分的重量百分含量为：C：0.15～0.17%，Si：0.23～0.26%，Mn：1.57～1.64%，P≤0.012%，S≤0.005%，Cr：0.04～0.06%，Mo：0.007～0.010%，Cu≤0.010%，Ni：0.52～0.57%，V：0.001～0.003%，Nb：0.001～0.002%，Ti：0.014～0.017%，余量为Fe和不可避免的杂质。
（2）加热轧制工序：为保证钢锭加热时质量良好，钢锭实现温送、温装和温清，装钢前晾炉≥30min，装炉温度≥400℃，焖钢5.0-5.5h；为保证合金元素充分固溶、晶粒细小，采用低速烧钢，在800℃保温5h；随后升温，升温速度≤55℃/h，最高加热温度1260℃，保温均匀化，加热时保证奥氏体均匀化充分。
厚度≤50mm的钢板，采用开坯后二次成材轧制方式，开坯厚度为350mm;厚度＞50mm的钢板，采用二阶段控轧工艺；第一阶段中，第一道次压下量≥6%，后续道次压下量逐级递增；第二阶段中，保证累计压下率≥70%，终轧道次压下量＞10%。
（3）热处理工序：采用调质热处理工艺；正火温度为925～935℃，保温时间为2-3h，出炉进淬火机，最大水量，水冷至室温；回火温度为650～690℃，保温时间为2-3h；保温后空冷制得15MnNi钢板。
实施例1
本实施例核电设备用高强度低硬度15MnNi钢板厚度为50mm，以重量百分比计，钢板化学成分组成为：C：0.15%，Si：0.23%，Mn：1.57%，P：0.009%，S：0.001%，Cr：0.06%，Mo：0.007%，Cu：0.010%，Ni：0.52%，V：0.001%，Nb：0.001%，Ti：0.014%，余量为Fe和不可避免的杂质。
本实施例核电设备用高强度低硬度15MnNi钢板的具体生产工艺如下所述。
（1）冶炼浇注工序：钢水先经电炉冶炼，在P≤0.015%时出钢，严格控制出钢温度，预防回P，随后进入精炼工序，总精炼时间72min；VD炉真空处理，真空度62Pa，真空保持时间36min后破坏真空；
（2）钢锭加热工序：模铸的钢锭温清温装，加热前晾炉30min，装炉温度410℃，入炉焖钢5.2h；在800℃保温5h，随后升温，升温速度44℃/h，最高加热温度1260℃；
（3）加热轧制工序：采用开坯后二次成材轧制方式，开坯厚度为350mm，采用二阶段控轧工艺；第一阶段中，第一道次压下量为6%，第二道次压下量为8%，后续道次压下量逐级递增；第二阶段中，开轧温度915℃，累计压下率为70%，终轧道次压下量为11%；
（4）热处理工序：正火温度为930℃，出炉水冷至室温，保温时间为2h，出炉进淬火机，最大水量，水冷至室温；回火温度为670℃，保温时间为2.7h；保温后空冷制得厚度为50mm的15MnNi钢板。
本实施例核电设备用高强度低硬度15MnNi钢板交货状态和模拟焊热处理状态的理化性能检验结果见表1，组织和夹杂物分析结果见表2。
表1 钢板的力学性能（板厚1/4）
表2 钢板的组织和夹杂物分析结果
实施例2
本实施例核电设备用高强度低硬度15MnNi钢板厚度为120mm，以质量百分比计，钢板化学成分组成为：C：0.17%，Si：0.23%，Mn：1.58%，P：0.010%，S：0.004%，Cr：0.06%，Mo：0.007%，Cu：0.010%，Ni：0.52%，V：0.002%，Nb：0.001%，Ti：0.016%，余量为Fe和不可避免的杂质。
本实施例核电设备用高强度低硬度15MnNi钢板的具体生产工艺如下所述：
（1）冶炼浇注工序：钢水先经电炉冶炼，在P≤0.015%时出钢，严格控制出钢温度，预防回P，随后进入精炼工序，总精炼时间65min ；VD炉真空处理，真空度60Pa，真空保持时间36min后破坏真空；
（2）钢锭加热工序：模铸的钢锭钢锭温清温装，加热前晾炉30min，装炉温度435℃，入炉焖钢5h；在800℃保温5h，随后升温，升温速度45℃/h，最高加热温度1260℃；
（3）加热轧制工序：无需开坯。采用二阶段控轧工艺；第一阶段中，第一道次压下量为11%，第二道次压下量为11.5%，后续道次压下量逐级递增；第二阶段中，开轧温度900℃，累计压下率为72%，终轧道次压下量为12%；
（4）热处理工序：正火温度为930℃，水冷至室温，保温时间为2.3h，出炉进淬火机，最大水量，水冷至室温；回火工艺为650℃，保温时间为3h，保温后空冷后制得15MnNi钢板。
本实施例核电设备用高强度低硬度15MnNi钢板交货状态和模拟焊热处理状态的理化性能检验结果见表3，组织和夹杂物分析结果见表4。
表3 钢板的力学性能（板厚1/4）
表4 钢板的组织和夹杂物分析结果
实施例3
本实施例核电设备用高强度低硬度15MnNi钢板厚度为30mm，以质量百分比计，钢板化学成分组成为：C：0.16%，Si：0.26%，Mn：1.64%，P：0.012%，S：0.005%，Cr：0.04%，Mo：0.010%，Cu：0.006%，Ni：0.57%，V：0.003%，Nb：0.002%，Ti：0.017%，余量为Fe和不可避免的杂质。
本实施例核电设备用高强度低硬度15MnNi钢板的具体生产工艺如下所述。
（1）冶炼浇注工序：钢水先经电炉冶炼，在P≤0.015%时出钢，严格控制出钢温度，预防回P，随后进入精炼工序，总精炼时间68min；VD炉真空处理，真空度56Pa，真空保持时间35min后破坏真空；
（2）钢锭加热工序：模铸的钢锭钢锭温清温装，加热前晾炉30min，装炉温度400℃，入炉焖钢5.1h；在800℃保温5h，随后升温，升温速度50℃/h，最高加热温度1260℃；
（3）加热轧制工序：采用开坯后二次成材轧制方式，开坯厚度为350mm，采用二阶段控轧工艺；第一阶段中，第一道次压下量为10%，第二道次压下量为10.5 %，后续道次压下量逐级递增；第二阶段中，开轧温度910℃，累计压下率为75%，终轧道次压下量为14%；
（4）热处理工序：正火温度为925℃，出炉水冷至室温，保温时间为2h，出炉进淬火机，最大水量，水冷至室温；回火温度为690℃，保温时间为3h；保温后空冷制得15MnNi钢板。
本实施例核电设备用高强度低硬度15MnNi钢板交货状态和模拟焊热处理状态的理化性能检验结果见表5，组织和夹杂物分析结果见表6。
表5 钢板的力学性能（板厚1/4）
表6 钢板的组织和夹杂物分析结果
实施例4
本实施例核电设备用高强度低硬度15MnNi钢板厚度为100mm，以质量百分比计，钢板化学成分组成为：C：0.16%，Si：0.25%，Mn：1.60%，P：0.009%，S：0.003%，Cr：0.05%，Mo：0.009%，Cu：0.006%，Ni：0.55%，V：0.002%，Nb：0.002%，Ti：0.015%，余量为Fe和不可避免的杂质。
本实施例核电设备用高强度低硬度15MnNi钢板的具体生产工艺如下所述。
（1）冶炼浇注工序：钢水先经电炉冶炼，在P≤0.015%时出钢，严格控制出钢温度，预防回P，随后进入精炼工序，总精炼时间60min；VD炉真空处理，真空度66.6Pa，真空保持时间40min后破坏真空；
（2）钢锭加热工序：模铸的钢锭钢锭温清温装，加热前晾炉35min，装炉温度420℃，入炉焖钢5.5h；在800℃保温5h，随后升温，升温速度55℃/h，最高加热温度1260℃；
（3）加热轧制工序：无需开坯，采用二阶段控轧工艺；第一阶段中，第一道次压下量为7%，第二道次压下量为10.1%，后续道次压下量逐级递增；第二阶段中，开轧温度920℃，累计压下率为71%，终轧道次压下量为12%；
（4）热处理工序：正火温度为935℃，水冷至室温，保温时间为3h，出炉进淬火机，最大水量，水冷至室温；回火工艺为660℃，保温时间为2h，保温后空冷；即可得到所述的15MnNi钢板。
本实施例核电设备用高强度低硬度15MnNi钢板交货状态和模拟焊热处理状态的理化性能检验结果见表7，组织和夹杂物分析结果见表8。
表7 钢板的力学性能（板厚1/4）
表8 钢板的组织和夹杂物分析结果
上述实施例中，模拟焊后热处理条件为：605～615℃，保温时间：10-11h，且规定装出炉温度为300℃，控制升降温速度为55℃/h。
由上述实施例可以看出，本发明核电设备用高强度低硬度15MnNi钢板的力学性能远远高于标准要求值，塑韧性好，0℃低温冲击韧性有较大的富余量，200℃高温拉伸没有大幅度减低趋势，表面HB硬度完全满足设备制造要求；钢板的晶粒极细，组织为回火贝氏体+铁素体。本方法调质热处理生产工艺与控轧工艺相结合，整张钢板力学性能均匀，质量稳定，适合大批量生产。
以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种核电设备用高强度低硬度15MnNi钢板，其特征在于，所述钢板化学成分组成及其重量百分含量为：C：0.15～0.17%，Si：0.23～0.26%，Mn：1.57～1.64%，P≤0.012%，S≤0.005%，Cr：0.04～0.06%，Mo：0.007～0.010%，Cu≤0.010%，Ni：0.52～0.57%，V：0.001～0.003%，Nb：0.001～0.002%，Ti：0.014～0.017%，余量为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的一种核电设备用高强度低硬度15MnNi钢板，其特征在于，所述钢板的交货状态为调质。
3.根据权利要求1或2所述的一种核电设备用高强度低硬度15MnNi钢板，其特征在于，所述钢板常温Rp0.2＞450MPa，Rm：530～625MPa，A≥26%；0℃AKV≥97J；200℃Rp0.2＞360MPa，Rm：503～564MPa；表面硬度：172～189HB。
4.根据权利要求1或2所述的一种核电设备用高强度低硬度15MnNi钢板，其特征在于，所述钢板的厚度规格为30-120mm。
5.基于权利要求1-4任意一项所述的一种核电设备用高强度低硬度15MnNi钢板的生产方法，其特征在于，所述生产方法包括冶炼浇注、钢锭加热、钢锭轧制和钢板热处理工序；所述冶炼浇注工序所得钢坯或钢锭化学成分组成及其重量百分含量为：C：0.15～0.17%，Si：0.23～0.26%，Mn：1.57～1.64%，P≤0.012%，S≤0.005%，Cr：0.04～0.06%，Mo：0.007～0.010%，Cu≤0.010%，Ni：0.52～0.57%，V：0.001～0.003%，Nb：0.001～0.002%，Ti：0.014～0.017%，余量为Fe和不可避免的杂质；所述热处理工序，采用调质热处理工艺。
6.根据权利要求5所述的一种核电设备用高强度低硬度15MnNi钢板的生产方法，其特征在于，所述钢锭加热工序，钢锭温清温装，装炉温度≥400℃，入炉焖钢5.0-5.5h；在800℃保温5h，随后升温速度≤55℃/h，最高加热温度1260℃。
7.根据权利要求5所述的一种核电设备用高强度低硬度15MnNi钢板的生产方法，其特征在于，所述钢锭轧制工序，厚度≤50mm的钢板，采用开坯后二次成材轧制方式，开坯厚度为350mm；开坯后采用二阶段控轧工艺；第一阶段中，第一道次压下量≥6%，后续道次压下量逐级递增；第二阶段中，开轧温度≤920℃，保证累计压下率≥70%，终轧道次压下量＞10%。
8.根据权利要求5所述的一种核电设备用高强度低硬度15MnNi钢板的生产方法，其特征在于，所述钢锭轧制工序，厚度＞50mm的钢板，采用二阶段控轧工艺；第一阶段中，第一道次压下量≥6%，后续道次压下量逐级递增；第二阶段中，开轧温度≤920℃，保证累计压下率≥70%，终轧道次压下量＞10%。
9.根据权利要求5-8任意一项所述的一种核电设备用高强度低硬度15MnNi钢板的生产方法，其特征在于，所述钢板热处理工序，正火温度为925～935℃，保温时间为2-3h，出炉进淬火机，最大水量，水冷至室温；回火温度为650～690℃，保温时间为2-3h。
10.根据权利要求5-8任意一项所述的一种核电设备用高强度低硬度15MnNi钢板的生产方法，其特征在于，所述冶炼浇注工序,钢水冶炼出钢后，进入精炼工序，总精炼时间≥60min；VD炉真空处理，真空度≤66.6Pa，真空保持时间≥35min。
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