CN107746937A - 用于核电承压设备的高强度高韧性钢板及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于核电承压设备的高强度高韧性钢板及其制造方法；它的化学成分的重量百分数为：C≤0.10、Si：0.15～0.35、Mn：0.25～0.50、P≤0.008、S≤0.003、Alt：0.020～0.050、Ni：1.30～1.60、Cr：1.20～1.50、Mo：0.20～0.50、N≤0.005，其余量为Fe及不可避免的夹杂；该钢板通过铁水脱硫、转炉冶炼、轧制、轧后冷却和热处理工艺五大步骤制造而成；本发明采用低碳低锰加适量Cr、Ni和Mo成分设计，在450℃高温下仍具有较高强度和韧性，并针对不同板厚，采用不同炼钢工艺，轧制工艺和热处理工艺仍采用常规工艺，工艺参数易于控制，成本较低，效率高，适宜规模生产。

Description

用于核电承压设备的高强度高韧性钢板及其制造方法
技术领域
本发明涉及核电压力容器制造领域，具体地指一种用于核电承压设备的高强度高韧性钢板及其制造方法。
背景技术
伴随着核电技术不断进步和成熟，核电用钢正沿着一条低强度—中强度—高强度—超高强度的路线发展。核电事业的大力发展，促使核电承压设备用钢也迎来发展高峰。但目前国内核电承压设备用钢板强度偏低，多应用于二代和二代加核电站，更高级别的针对第三代AP1000和EPR1000核电站600MPa、700MPa级核一级承压设备用钢(核压力容器用钢、稳压器用钢、钢制安全壳用钢)的开发还处于起步阶段，多采用进口材料，且对于核压力容器用钢，目前国内多采用锻造工艺，由重型机械厂(如一重等)进行生产，很少有核压力容器用钢板来替代锻件。
核电承压设备作为核反应堆关键的设备之一，其多在高温、高压、流体冲刷和腐蚀等条件下运行，因此，具有较高强度、高韧性、良好焊接性能及抗腐蚀性的低合金高强钢是大型核电承压设备用材料的首选。目前，世界各国广泛认同的是Mn－Ni－Mo系低合金高强度钢，本发明钢在原有合金体系中添加了热强元素Cr，同时降低Mn元素含量，目的在于提供一种室温下具有高强度、高韧性和高延性，450℃环境钢材下屈服强度ReL不低于室温屈服强度的75％，能满足核电蒸汽发生器、蒸汽管道、高温气冷堆部分耐热管道等第四代核电用钢的需求。
经初步检索：
中国专利申请号为201110117614.4的专利文献，公开了“抗拉强度大于690MPa级的核容器用钢及生产方法”，钢板包括：C≤0.08％，Si：0.15～0.50％，Mn：1.30～1.60％，Alt：0.01～0.05％，Ni：0.42～0.70％，Mo：0.32～0.60％，Cr：0.10～0.30％，Ti：0.01～0.04％，控制元素：P≤0.008％，S≤0.005％，N≤0.005％，Cu≤0.03％，V≤0.007％，Sn≤0.005％，Sb≤0.005％，As≤0.010％，Pb≤0.005％，其余为Fe及不可避免的杂质；生产歩骤：采用洁净钢的冶炼；连铸；将铸坯冷却至室温；对铸坯加热并保温；粗轧；精轧；淬火；回火；自然冷却至室温。该专利文献主要Mn元素含量较高，同时添加少量的Ni和Mo元素，但其低温韧性较差，仅能满足-20℃低温冲击功需求。
中国专利申请号为201110117612.5的专利文献，公开了“一种-50℃核电承压设备用钢及生产方法”，技术方案是该钢板由以下重量百分含量的组分组成：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，生产歩骤：采用洁净钢的冶炼工艺；进行连铸或电渣重熔坯；将铸坯冷却至室温；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。该专利文献可采用电渣重熔冶炼，但其钢板最终强度性能级别较低，无法同时实现具有高强度高韧性的使用要求。
中国专利申请号为201210408260.3的专利文献，公开了“一种高强度低温压力容器钢板及其生产方法”，包括如下步骤：1)冶炼、铸造板坯，钢的成分重量百分比为：C：0.06～0.15％，Si：0.20～0.40％，Mn：1.40～1.60％，Ni：0.30～0.50％，Ti：0.01～0.03％，Mo：0～0.50％，P：0～0.01％，S：0～0.01％，Nb：0～0.03％，Cr：0～0.3％，其余为Fe和不可避免杂质。采用低碳加适量Mn、Cr和Ni成分设计，通过合理的轧制及调质热处理生产工艺，厚度范围在12～50mm。该专利文献中Cr含量较低，导致其强度级别较低，但低温韧性较好。
发明内容
本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种用于核电承压设备的高强度高韧性钢板及其制造方法；本发明采用低碳低锰加适量Cr、Ni和Mo成分设计，并通过合理的轧制及调质热处理生产工艺，得到钢板室温屈服强度在620MPa以上，抗拉强度在780～850MPa之间、在450℃高温下屈服强度仍在550MPa以上，断面收缩率达到75％以上，-60℃低温冲击韧性达到150J以上，厚度在12～90mm之间，且具有优良的高温拉伸性能和焊接性，低焊接裂纹敏感性，适合大生产操作。
为实现上述目的，本发明提供的一种用于核电承压设备的高强度高韧性钢板，所述高强度高韧性钢板的化学成分的重量百分数为：C≤0.10，Si：0.15～0.35，Mn：0.25～0.50，P≤0.008，S≤0.003，Alt：0.020～0.050，Ni：1.30～1.60，Cr：1.20～1.50，Mo：0.20～0.50，N≤0.005，其余量为Fe及不可避免的夹杂。
进一步地，所述高强度高韧性钢板的化学成分的重量百分数为：C：0.08～0.10，Si：0.15～0.20，Mn：0.30～0.40，P≤0.008，S≤0.003，Alt：0.020～0.050，Ni：1.30～1.50，Cr：1.20～1.40，Mo：0.30～0.45，N≤0.004，其余量为Fe及不可避免的夹杂。
再进一步地，所述高强度高韧性钢板的厚度为12～90mm，其ReL为620～710MPa、Rm为795～850MPa、A为22.0～24.0％、450℃Rp0.2为560～630MPa、450℃Rm为630～710MPa、450℃Z为70～76％、-60℃KV2为160～210J。
本发明还提供了一种上述用于核电承压设备的高强度高韧性钢板的制造方法，该方法通过铁水脱硫、转炉冶炼、轧制、轧后冷却和热处理工艺五大步骤制造而成，其中，
1)冶炼过程中，
当成品厚度＜60mm的钢板，采用铁水脱硫技术，LF加热炉和RH真空炉处理，且真空处理时间不小于20min；
当成品厚度≥60mm的钢板，采用电炉、炉外精炼、真空处理和模铸浇注工序进行生产；
2)轧制过程中，
来料为连铸坯时，采用控制轧制技术，板坯加热温度1220～1300℃，加热速率为9～15min/cm，粗轧开轧温度为1150～1280℃，初轧道次压下量大于15mm，精轧终轧温度为850～930℃，精轧累计压下率大于70％，末道次累计压下率≥40％；
来料为模铸钢锭时，在室式炉加热后采用锭轧材方式进行生产，钢锭加热温度1220～1300℃，开轧温度1030～1110℃；
3)轧后冷却
轧后均自然冷却，即空冷；
4)热处理工艺
轧后钢板采用调质热处理工艺；其中淬火温度为850～930℃，保温时间2～4min/mm；回火温度600～650℃，保温时间：板厚+30～50min。
本发明主要合金元素含量的设定及制造方法，依据以下原理：
该钢在保证室温时具有高强度和高韧性的情况下，特别是在450℃仍能保证高强度、良好的延性，其化学成分采用低碳低锰的设计理念，同时加入热强元素Cr，以及保证韧性的Ni元素，调质热处理的目的在于消除钢材中内应力，改善组织，获得强度和韧性的最佳匹配。
1、以下简述本发明钢中选定各合金元素及成分范围的理由：
C，设定范围≤0.10％，优选为0.08～0.10％。是钢中不可缺少的提高钢材强度的元素之一，随着C含量的增加，钢中Fe3C增加，淬硬性和强度增大，但过量的C含量，会导致钢的延伸率和冲击韧性下降，尤其是对低温韧性影响较大。本设计C含量较低同时考虑改善钢的焊接性能。
Si，设定范围为0.15～0.35％，优选为0.15～0.20％。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入的。根据一般规律，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，但是Si对辐照有害，因此应严格控制非合金元素w(Si)的含量，核电承压设备用钢中w(Si)应控制在低限。
Mn，设定范围为0.25～0.50％，优选为0.30～0.40％。良好的脱氧剂和脱硫剂，和铁形成固溶体，提高钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度，可降低临界转变温度，但对低温韧性贡献较小，对钢的高温强度贡献也小，且当锰含量增加时，会加重钢的过热敏感性和回火脆性倾向。为了保证钢在高温下具有高的强韧性，所以Mn含量不宜过高。
Ni：设定范围为1.30～1.60％，优选为1.30～1.50％。是钢中既能提高强度，又能有效提高韧性的元素，特别是低温韧性。随着镍含量的增加，钢的屈服强度比抗拉强度提高的快，故含镍钢的屈服强度比普通碳素钢高，与铬、钼元素相结合能获得强度和韧性配合良好的综合力学性能，适量的Ni含量能保证钢在-60℃时冲击功达到200J以上。
Cr：设定范围为1.20％～1.50％，优选为1.20～1.40％。是非常有效的强化元素，相比较Ni元素，它更能增加钢的淬透性。随着铬含量的增加，钢的断面收缩率和伸长率也会提高，且使合金钢具有良好的抗氧化性和抗耐蚀性。
Mo：设定范围为0.20％～0.50％，优选为0.30～0.45％。提高淬透性，提高热强性，和Cr、Mn结合，可有效防止回火脆性，对于调质热处理钢，可提高回火稳定性，但是当Mo含量过多时，会增加焊接裂纹敏感性，降低钢的韧性和加工性能。
N：设定范围≤0.005％，优选≤0.004％。随炉料进入钢中，同时液态金属还会从空气中吸收一部分，固溶于铁，形成固溶体，可起到固溶强化作用，但由于Fe4N的析出，导致时效和蓝脆现象。
P、S及其他杂质元素：P、S是钢中有害的杂质元素，P虽然可大幅度提高强度，但易在钢中形成偏析，降低钢的韧性及焊接性能，S易形成塑性硫化物，使钢各向异性严重，恶化钢的冲击韧性和加工性能，另外，由于该钢应用于核电承压设备中，对钢的P、S、As、Sn、Sb的控制更加严格，为避免出现因这些元素造成的辐照脆化现象，所以，一般要求P≤0.008％，S≤0.003％，As≤0.03％、Sn≤0.01％、Sb≤0.005％。
2、生产工艺设定的理由：
由于本发明钢可实现90mm厚度钢板的生产，常规连铸坯(230mm)在保证压缩比的情况下，无法达到90mm厚度心部性能及组织要求，故针对60mm以上成品厚度的钢板采用电炉冶炼，进行300mm厚模铸坯的生产。
其中，针对连铸工序，钢水冶炼过程采用RH真空系统精炼。由于钢合金元素含量较高，连铸前必须进行电磁搅拌，降低元素偏析。铸坯切割后必须缓冷，避开高温脆化区域，防止断坯。针对模铸工序，钢水经转炉冶炼、炉外精炼(LF、VD)处理，真空处理可改变夹杂物形态，保证钢水的纯净度和性能，保证厚钢板心部性能和组织达到设定要求。
轧制过程采用控制轧制，一次性轧制到成品厚度。终轧温度控制在850～930℃，若终轧温度过低，偏离再结晶温度，从而导致钢的塑性指标降低。
热处理工艺为调质热处理，以获得组织铁素体+珠光体+贝氏体。淬火温度设计为850～930℃，是为了让钢充分奥氏体化，获得稳定的组织。回火温度设计为600～650℃，是为了让钢组织更加均匀化，同时也可以根据不同回火温度调整钢板强度范围。
本发明的有益效果在于：
本发明与现有技术相比，提供一种高强度高韧性核电承压设备用钢板及其制造方法。采用低碳低锰加适量Cr、Ni和Mo成分设计，在450℃高温下仍具有较高强度和韧性，并针对不同板厚，采用不同炼钢工艺，轧制工艺和热处理工艺仍采用常规工艺，工艺参数易于控制，成本较低，效率高，适宜规模生产。
具体实施方式
为了更好地解释本发明，以下结合具体实施例进一步阐明本发明的主要内容，但本发明的内容不仅仅局限于以下实施例。
用于核电承压设备的高强度高韧性钢板，所述高强度高韧性钢板的化学成分的重量百分数为：C≤0.10，Si：0.15～0.35，Mn：0.25～0.50，P≤0.008，S≤0.003，Alt：0.020～0.050，Ni：1.30～1.60，Cr：1.20～1.50，Mo：0.20～0.50，N≤0.005，其余量为Fe及不可避免的夹杂。
上述用于核电承压设备的高强度高韧性钢板的制造方法，该方法通过铁水脱硫、转炉冶炼、轧制、轧后冷却和热处理工艺五大步骤制造而成，其中，
1)冶炼过程中，
当成品厚度＜60mm的钢板，采用铁水脱硫技术，LF加热炉和RH真空炉处理，且真空处理时间不小于20min；
当成品厚度≥60mm的钢板，采用电炉、炉外精炼、真空处理和模铸浇注工序进行生产；
2)轧制过程中，
来料为连铸坯时，采用控制轧制技术，板坯加热温度1240～1300℃，加热速率为9～15min/cm，粗轧开轧温度为1150～1280℃，初轧道次压下量大于15mm，精轧终轧温度为850～930℃，精轧累计压下率大于70％，末道次累计压下率≥40％；
来料为模铸钢锭时，在室式炉加热后采用锭轧材方式进行生产，钢锭加热温度1220～1300℃，开轧温度1030～1110℃；
3)轧后冷却
轧后均自然冷却，即空冷；
4)热处理工艺
轧后钢板采用调质热处理工艺；其中淬火温度为850～930℃，保温时间2～4min/mm；回火温度600～650℃，保温时间：板厚+30～50min。
根据用于核电承压设备的高强度高韧性钢板组份和制造工艺，结合下述具体实施例，检测钢板的性能。
表1实施例与对比钢主要化学成分(质量分数％)
表2本发明实施例与对比钢的主要工艺参数
续表2本发明实施例与对比钢的主要工艺参数
表3实施例与对比钢的力学检验结果
从表3中可以看出，本发明完全能满足环境为450℃时的力学性能要求，同时-60℃具有较高的冲击韧性，具有良好的高温强度，高延性、高韧性和良好的低温韧性。
其它未详细说明的部分均为现有技术。尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。

Claims (4)

1.一种用于核电承压设备的高强度高韧性钢板，其特征在于：所述高强度高韧性钢板的化学成分的重量百分数为：C≤0.10、Si：0.15～0.35、Mn：0.25～0.50、P≤0.008、S≤0.003、Alt：0.020～0.050、Ni：1.30～1.60、Cr：1.20～1.50、Mo：0.20～0.50、N≤0.005，其余量为Fe及不可避免的夹杂。
2.根据权利要求1所述种用于核电承压设备的高强度高韧性钢板，其特征在于：所述高强度高韧性钢板的化学成分的重量百分数为：C：0.08～0.10、Si：0.15～0.20、Mn：0.30～0.40、P≤0.008、S≤0.003、Alt：0.020～0.050、Ni：1.30～1.50、Cr：1.20～1.40、Mo：0.30～0.45、N≤0.004，其余量为Fe及不可避免的夹杂。
3.根据权利要求1或2所述种用于核电承压设备的高强度高韧性钢板，其特征在于：所述高强度高韧性钢板的厚度为12～90mm，其ReL为620～710MPa、Rm为795～850MPa、A为22.0～24.0％、450℃Rp0.2为560～630MPa、450℃Rm为630～710MPa、450℃Z为70～76％、-60℃KV2为160～210J。
4.一种权利要求1所述用于核电承压设备的高强度高韧性钢板的制造方法，该方法通过铁水脱硫、转炉冶炼、轧制、轧后冷却和热处理工艺五大步骤制造而成，其特征在于：
1)冶炼过程中，
当成品厚度＜60mm的钢板，采用铁水脱硫技术，LF加热炉和RH真空炉处理，且真空处理时间不小于20min；
当成品厚度≥60mm的钢板，采用电炉、炉外精炼、真空处理和模铸浇注工序进行生产；
2)轧制过程中，
来料为连铸坯时，采用控制轧制技术，板坯加热温度1240～1300℃，加热速率为9～15min/cm，粗轧开轧温度为1150～1280℃，初轧道次压下量大于15mm，精轧终轧温度为850～930℃，精轧累计压下率大于70％，末道次累计压下率≥40％；
来料为模铸钢锭时，在室式炉加热后采用锭轧材方式进行生产，钢锭加热温度1220～1300℃，开轧温度1030～1110℃；
3)轧后冷却
轧后均自然冷却，即空冷；
4)热处理工艺
轧后钢板采用调质热处理工艺；其中淬火温度为850～930℃，保温时间2～4min/mm；回火温度600～650℃，保温时间：板厚+30～50min。
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