CN108385023A - 一种高强高韧核电稳压器用钢及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高强高韧核电稳压器用钢及其制造方法，该钢板的成分按重量百分比计如下：C 0.13％～0.22％，Si 0.15％～0.35％，Mn 1.30％～1.65％，P≤0.010％，S≤0.003％，Mo 0.40％～0.55％，Ni0.60％～0.80％的，Cr 0.10％～0.25％，V 0.01％～0.03％，Alt≤0.04％，其余含量为Fe和不可避免的杂质；制造方法，包括铁水预处理‑电炉冶炼‑LF炉精炼‑VD真空处理‑电炉模铸‑轧制‑热处理；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，完全满足核电站稳压器用钢的设计要求。

Description

一种高强高韧核电稳压器用钢及其制造方法
技术领域
本发明属于黑色金属材料领域，尤其涉及一种高强高韧核电稳压器用钢及其制造方法。
背景技术
长期以来，中国的能源结构以煤炭为主，造成了较为严重的环境问题，同时已难以满足经济快速发展的需要，大力发展高效、清洁的能源——核电是我国现阶段解决能源紧缺、改善能源结构的战略选择。核电是电力工业的重要组成部分，积极推进核电建设，对于满足经济和社会发展不断增长的能源需求，保障能源供应与安全，保护环境，实现电力工业结构优化和可持续发展，提升我国综合经济实力、工业技术水平和国际地位，具有重要的意义。
核电稳压器是核电厂一回路压力控制的重要设备，其压力的控制性能直接影响着核电厂的安全可靠运行。由于核能关键设备通常在高温、高压、强腐蚀和强辐射的工况条件下进行，因此对材料的要求极高，通常要满足核能、力学、化学、物理、辐照、工艺、经济性等各种性能的要求，要达到专用的标准法规要求。限于钢板单重及压缩比要求，国内外核岛设备压力容器支承用钢的制造方法均采用电炉模铸的生产方式，将钢水先浇铸成钢锭，钢锭进行锻造后进行开坯、轧制。本专利在生产工艺和元素方面均进行了改进，100～150mm规格钢板采用钢锭直接开坯轧制工艺，不仅解决了压缩比的问题，并且节约了锻造工序成本，提升了成材率。
目前国内外对核电用钢已形成较多发明：
《一种核电压力容器用钢及其制造方法》(申请号：201210064306.4)，公开的核电压力容器用钢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。其不足之处在于，由于该发明化学成分设计未添加Ni和Mo元素，且采用控轧控冷工艺生产，从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。
《一种核电站压力容器用钢板及其制造方法》(申请号：201410098857.1)，公开的核电站压力容器用钢成分包括：0.10～0.20％的C，0.15～0.40％的Si，0.60～1.40％的Mn，P≤0.020％，S≤0.010％，Ni≤0.30％，Cu≤0.18％，Cr≤0.30％，Mo≤0.08％，V≤0.020％，Nb≤0.020％，0.008～0.030％的Ti，0.020～0.050％的Alt，N≤0.012％，Ni+Cu+Cr+Mo≤0.70％，其余为Fe及不可避免的杂质。钢板具有良好的低温韧性和耐高温性能，焊接性能、冷热加工性能优良稳定，抗辐照脆化性能良好，成本低。其不足之处在于，该发明采用正火热处理或控轧的方式生产，在成分设计中C、Ni、Mo等元素含量均偏低，造成钢板强度较低，且对钢板的模拟焊后热处理后的性能未关注。
《18MND5核电用低合金结构钢及工艺控制方法》(申请号：201210387824.X)公开的18MND5核电用低合金结构钢包括下述重量百分比含量的化学成分组成：C≤0.22％，0.10～0.30％的Si，1.15～1.60％的Mn，S≤0.012％，P≤0.012％，Al≤0.04％，0.43％～0.57％的Mo，Cu≤0.08％，0.50％～0.80％的Ni，V≤0.01％，N≤0.008％，H≤1.5ppm，O≤30ppm，N≤0.013％，Cr≤0.25％，Co≤0.08％，B≤0.0018％，As≤0.010％，Sb≤0.002％，Sn≤0.010％，其余为Fe和不可避免的杂质。该发明采用电炉冶炼、锻造、轧制、调质热处理工艺，制得的钢板屈服强度540MPa，抗拉强度675MPa，获得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。其不足之处在于，上述发明采用钢锭锻造轧制工艺，增加了生产成本，且成材率低，生产周期长，且实施例中并没有明确钢板厚度规格。
发明内容
本发明的目的在于克服上述问题和不足而提供一种的高强高韧核电稳压器用钢及其制造方法，生产工艺简单，性能稳定，可操作性强，完全满足核电站稳压器用钢的设计要求。
本发明目的是这样实现的：
本发明一种高强高韧核电稳压器用钢及其制造方法设计思路为：通过严格控制冶炼工艺来控制钢中化学成分，通过采用模铸钢锭开坯轧制工艺来大幅度降低成本，通过优化的热处理工艺使钢板在调质热处理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16h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。
一种高强高韧核电稳压器用钢，该钢板的成分按重量百分比计如下：C 0.13％～0.22％，Si 0.15％～0.35％，Mn 1.30％～1.65％，P≤0.010％，S≤0.003％，Mo 0.40％～0.55％，Ni 0.60％～0.80％的，Cr 0.10％～0.25％，V 0.01％～0.03％，Alt≤0.04％，其余含量为Fe和不可避免的杂质。
所述钢板厚度为100-150mm；所述钢板常温屈服强度和抗拉强度分别为500MPa以上和620MPa以上；所述钢板模拟焊后热处理后屈服强度和抗拉强度分别为470MPa以上和590MPa以上，所述钢板及模拟焊后热处理后的-20℃冲击吸收能量均在240J以上，断面纤维率可达到100％。
本发明钢板成分设计理由如下：
(1)C：是有效提高钢板强度的元素，且成本低廉，C含量偏低，会降低钢板的强度，C含量过高，钢的塑性、低温韧性和抗焊接裂纹敏感性会降低，因此本发明要求C含量为0.13％～0.22％。
(2)Si：是钢中的强化元素，有利于提高钢板的强度，在冶炼过程中可以起到脱氧、还原的作用，但Si含量过高会损害钢板的低温韧性，出现脆性，也会损害钢板的焊接性，因此本发明要求Si含量为0.15％～0.35％。
(3)Mn：是钢中重要的合金化元素，可以改善钢板的强度和韧性，起到固溶强化作用，而且成本低廉，但Mn含量过高会在冶炼过程中产生偏析，造成轧制后难以消除的带状组织，降低钢板的横向性能和抗层状撕裂性，因此本发明要求钢中Mn含量控制在1.30％～1.65％。
(4)P和S：是钢中有害元素，P会降低钢的冲击韧性，S形成的硫化物夹杂对钢的塑性和韧性很不利，因此，需要它们的含量越低越好。本发明设计P含量为≤0.010％，S含量为≤0.003％。
(5)Mo：能够提高钢板的淬透性，使得钢板心部在冷速相对较慢的情况下也能淬透，此外还有析出强化的作用，可以与Cr、Mn元素共同作用减少或抑制回火脆性，因此本发明将Mo的重量控制在0.40％～0.55％。
(6)Ni：能够明显改善钢板的低温韧性，降低钢的韧脆转变温度，使钢板具有良好的强韧性，满足性能指标的要求，本发明要求钢中Ni含量控制为0.60％～0.80％。
(7)Cr：能够提高钢的强度和硬度，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0.10％～0.25％。
(8)V：与C、N元素有很强的结合力，形成细小的碳化物和氮化物，起到细化晶粒、提高晶粒粗化温度的作用，而且可以通过沉淀析出和细化晶粒起到显著的强化效果。因此钢中加入V的范围为0.01％～0.03％。
(9)Alt：Al是钢中常用的脱氧剂，可以细化晶粒，提高钢板的冲击韧性，但是Al含量过高，会使得夹杂物含量增多，降低钢板的焊接性，因此本发明要求钢中Alt含量控制为≤0.04％。
本发明技术方案之二是提供一种高强高韧核电稳压器用钢的制造方法，包括铁水预处理-电炉冶炼-LF炉精炼-VD真空处理-电炉模铸-轧制-热处理，
采用铁水深脱硫处理，电炉冶炼，温度达到1610±10℃出钢，然后进行LF精炼炉精炼，温度达到1640±10℃喂Fe-Ca线2m/t，之后进行VD真空处理，真空度≤67Pa，真空保持时间≥20min，温度达到1600±10℃时出钢进行电炉模铸，浇注温度1570±10℃；
电炉模铸后钢锭加热温度1250℃～1350℃，保温时间＞2h进行开坯；中间坯开轧温度≥1150℃，终轧温度≥900℃，轧后自然堆垛缓冷；热轧和锻造工艺都可以破坏钢锭的铸造组织，细化晶粒，并消除显微组织的缺陷，从而使钢板组织密实，力学性能得到改善。但与锻造工艺相比，轧制生产能力高，自动化程度也高；锻造工艺生产成本过高，生产效率低，钢材成材率低。
热处理为调质热处理，淬火温度910℃±15℃，保温时间2-5min/mm，Mn-Ni-Mo系钢对淬火时的冷却速度十分敏感，淬火过程中需不断通入循环水来改善其冷却速度；回火温度650℃±15℃，保温时间1-4min/mm，随着回火时间的充分，合金元素能够明显扩散时，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。本发明冷却完成的钢板进行调质热处理，获得晶粒细小、均匀的组织。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明的钢板100～150mm厚规格，采用钢锭开坯轧制生产，替代了国内特厚压力容器支承用钢的钢锭锻造轧制生产模式，大幅降低了生产成本，且提高了成材率。
(2)本发明钢板及经模拟焊后热处理后，不同状态下均具有较好的强度水平，所述钢板常温屈服强度和抗拉强度分别为500MPa以上和620MPa以上；所述钢板模拟焊后热处理后屈服强度和抗拉强度分别为470MPa以上和590MPa以上，。
(3)本发明钢板及模拟焊后热处理状态下的-20℃冲击吸收能量和断面纤维率同样保持在较高的水平，所述钢板及模拟焊后热处理后的-20℃冲击吸收能量均在240J以上，断面纤维率可达到100％。。
(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，完全满足核电站稳压器用钢的设计要求。
附图说明
图1为本发明实施例1显微组织金相图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步的说明。
本发明实施例根据技术方案的组分配比，进行铁水预处理-电炉冶炼-LF炉精炼-VD真空处理-电炉模铸-轧制-热处理，
采用铁水深脱硫处理，电炉冶炼，温度达到1610±10℃出钢，然后进行LF精炼炉精炼，温度达到1640±10℃喂Fe-Ca线2m/t，之后进行VD真空处理，真空度≤67Pa，真空保持时间≥20min，温度达到1600±10℃时出钢进行电炉模铸，浇注温度1570±10℃；
钢锭加热温度1250℃～1350℃，保温时间＞2h进行开坯；中间坯开轧温度≥1150℃，终轧温度≥900℃，轧后自然堆垛缓冷；
热处理为调质热处理，淬火温度910℃±15℃，保温时间2-5min/mm；回火温度650℃±15℃，保温时间1-4min/mm.。
本发明实施例钢的成分见表1。本发明实施例钢的主要工艺参数见表2。本发明实施例钢的常温拉伸性能见表3。本发明实施例钢钢板-20℃冲击性能见表4。
表1本发明实施例钢的成分(wt％)
实施例 C Si Mn P S Mo Ni Cr V Alt
1 0.16 0.16 1.30 0.006 0.001 0.42 0.62 0.15 0.012 0.020
2 0.15 0.22 1.60 0.008 0.0007 0.52 0.73 0.12 0.024 0.016
3 0.18 0.30 1.43 0.005 0.0009 0.50 0.70 0.18 0.028 0.025
4 0.22 0.20 1.52 0.007 0.001 0.55 0.65 0.24 0.025 0.030
5 0.14 0.25 1.55 0.005 0.0009 0.48 0.78 0.20 0.020 0.028
表2本发明实施例钢的主要工艺参数
表3本发明实施例钢的常温拉伸性能
表4本发明实施例钢钢板-20℃冲击性能
由上表可知，本发明100-150mm厚钢板经调质处理后常温屈服强度和抗拉强度分别为500MPa以上和620MPa以上(指标要求屈服强度≥400MPa、抗拉强度：550～670MPa)；模拟焊后热处理后，屈服强度和抗拉强度分别为470MPa以上和590MPa以上(指标要求屈服强度≥300MPa、抗拉强度≥497MPa)；120mm厚规格钢板经调质处理后常温屈服强度和抗拉强度分别为538MPa和670MPa，模拟焊后热处理后，屈服强度和抗拉强度分别为515MPa和643MPa，本发明100-150mm厚钢板及模拟焊后热处理后的-20℃冲击吸收能量均在240J以上，断面纤维率可达到100％。从结果来看，钢板强度完全可以满足指标要求，且具有较大富余量，较其他钢种有了较大地改进。
为了表述本发明，在上述中参照附图通过实施例对本发明恰当且充分地进行了说明，以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (3)

1.一种高强高韧核电稳压器用钢，其特征在于，该钢板的成分按重量百分比计如下：C0.13％～0.22％，Si 0.15％～0.35％，Mn 1.30％～1.65％，P≤0.010％，S≤0.003％，Mo0.40％～0.55％，Ni 0.60％～0.80％，Cr 0.10％～0.25％，V 0.01％～0.03％，Alt≤0.04％，其余为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的高强高韧核电稳压器用钢，其特征在于，所述钢板厚度为100-150mm；所述钢板常温屈服强度和抗拉强度分别为500MPa以上和620MPa以上；所述钢板模拟焊后热处理后屈服强度和抗拉强度分别为470MPa以上和590MPa以上，所述钢板及模拟焊后热处理后的-20℃冲击吸收能量均在240J以上，断面纤维率可达到100％。
3.一种权利要求1或2所述的高强高韧核电稳压器用钢的制造方法，其特征在于：包括铁水预处理-电炉冶炼-LF炉精炼-VD真空处理-电炉模铸-轧制-热处理，
电炉模铸后钢锭加热温度1250℃～1350℃，保温时间＞2h进行开坯；中间坯开轧温度≥1150℃，终轧温度≥900℃，轧后自然堆垛缓冷；
热处理为调质热处理，淬火温度910℃±15℃，保温时间2-5min/mm；回火温度650℃±15℃，保温时间1-4min/mm。
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