CN108995323A - 一种三代核电站高剪切强度特厚复合钢板及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种三代核电站高剪切强度特厚复合钢板及其制造方法。钢板碳钢和304L奥氏体不锈钢组成。组坯顺序至上而下为：不锈钢+碳钢+隔离剂+碳钢+不锈钢，对复合坯进行四边焊接封边、抽真空处理，真空度低于100Pa；合坯加热温度1200～1270℃，加热时间10～15小时，单道次压下率在5％～15％，终轧温度控制在1050℃以上，轧后调质热处理，淬火温度870～930℃，保温时间2～4min/mm，升温速率1.0～1.5min/mm；回火温度620～660℃，保温时间3～6min/mm，升温速率1.5～2.0min/mm；成品复合钢板的厚度为29～110mm，剪切强度良好，满足核电站复合板用钢的要求。

Description

一种三代核电站高剪切强度特厚复合钢板及其制造方法

技术领域

本发明属于金属复合板生产技术领域，特别涉及核电用复合钢板及其制造方法。

背景技术

异质复合钢板是一种新型的经济型材料，由不锈钢和碳钢两种材料通过特定的方式结合成的异质复合板，既具有碳钢的力学性能又具备不锈钢的防腐特性。传统的异质复合板是采用爆炸的结合方式使不锈钢和碳钢结合在一起，该工艺目前存在很多弊端，首先是其生产环境受到很大的限制，一般生产地点需选在偏远的山区，为生产运输造成较大的难度；其次，爆炸所需的大量炸药对环境有较大的危害，并且生产时受自然天气条件制约较大；最终通过爆炸复合生产的钢板的剪切强度较低，并且存在一定没有能够结合的位置，需要后期的补焊保证钢板的完全复合，爆炸复合板逐渐被轧制复合板所代替，但轧制复合板也存在着一切局限性，钢板的最大厚度受到限制，复合板组坯过程的真空度要求也较高，同时随着复合板厚度的增加，钢板的剪切强度较低，所以高剪切强度特厚复合板生产工艺开发极其关键。

核电异质复合板的交货状态一般为调质状态，钢板在淬火和回火过程中由于异质材料的不同材料特性，该种热处理状态下一般的生产方式很难保证最终交货状态下钢板的板型。

申请号为201510322936.0，名为“一种复合板的热处理生产方法”的专利公开了一种复合板的热处理生产方法。工艺步骤包括：焊接连接板、打磨焊缝及焊点、抛丸处理、热处理炉加热、水冷、返红、冷却及切除连接板等工艺阶段。利用该工艺方法生产具有高性能、高附加值的管线钢复合板，既弥补了直接轧制复合工艺对达到力学性能指标的局限性，又充分考虑到热处理过程中钢板板型的控制，使基层与覆层各项性能指标达到标准要求，设备运行安全性更高。但该发明中并未提及该热处理方式所适用的钢板厚度范围，同时并未提出钢种热处理工艺下能保证的复合板剪切强度。

CN201510999200.7公开了“一种碳钢与马氏体不锈钢复合钢板及其生产方法”。其特征在于，复合界面的剪切强度达到300MPa，探伤满足GB/T 8165《不锈钢复合钢板和钢带》标准结合率I级要求，100％结合，即Q235B碳钢抗拉强度达到410MPa；室温冲击功达到200J以上；410马氏体不锈钢抗拉强度达到1100MPa以上，近表面硬度达到360HB以上。但该发明中采用单坯轧制，非对称组坯轧制方式，该种生产方法效率较低并且成本高，同时复合板的复材一般起防腐蚀的作用，而本专利覆材的性能要优于基材几倍，该类材料在薄板中使用时，仅用不锈钢即可满足所有要求，在中厚板中使用时，基材的强度不能够满足应用条件，该种复合板的覆材和基材匹配不当。

CN 201510344441.8公开了“一种强韧性能的碳钢与不锈钢复合钢板及生产方法”。其特征在于，碳钢为基材，基材按重量百分含量为C：0.03％～0.10％，Si：0.01％～0.40％，Mn：1.00％～1.70％，P≤0.015％，S≤0.003％，Alt：0.01％～0.06％，N≤0.006％，H≤0.0002％，余量为Fe和不可避免杂质元素，金相组织由针状铁素体组织组成；316L不锈钢为复层，按重量百分含量：C≤0.03％，Mn≤2.0％，Si≤0.75％，还含有Cr、Ni、Mo增加耐腐蚀性合金元素；助焊剂为BNi系钎焊料，其中Si含量3％～7％之间，其余为Cr、Ni、Fe，熔点为950～1050℃，增加基材和复层之间的复合强度；阻焊剂为氧化镁与氧化铝的混合物。但该发明生产的钢板宽度和厚度均较小，导致实际应用过程管道焊接时间较长，同时该种复合板没有考虑钢板结合强度，如结合强度较低，在后期制管过程中容易引起结合面的开裂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三代核电站高剪切强度特厚复合钢板及其制造方法，通过对三代核电站复合钢板性能的需求，进而在复合板组坯和真空度方面进行了设计，再配合适宜的加热、轧制和热处理工艺，从而保证钢板在不同状态下的性能满足要求，解决了特厚复合板剪切强度低、调质热处理过程板型难控制、生产效率较低和真空度要求高造成的生产难度大的问题，钢板结合100％，钢板剪切强度≥400MPa，钢板板型控制良好并且缩短热处理周期。

具体的技术方案是：

一种三代核电站高剪切强度特厚复合钢板，由碳钢和304L奥氏体不锈钢复合而成，碳钢化学成分满足RCCM标准中的18MND5要求，重量百分含量为C≤0.22％，Mn：1.15％～1.60％，P≤0.012％，S≤0.012％，Si：0.10％～0.30％，Mo：0.43％～0.57％，Ni：0.50％～0.80％，Cr≤0.25％，V≤0.03％，Cu≤0.20％，Al≤0.04％，余量为Fe和不可避免杂质元素，金相组织由回火索氏体组织组成；304L奥氏体不锈钢成分满足ASTM A240标准《用于压力容器和一般用途的铬和铬镍不锈钢板、薄板和带钢的标准规范》要求，重量百分含量为C≤0.03％，Mn≤2.0％，Si≤0.75％，P≤0.045％，S≤0.030％，Cr：17.5％～19.5％，Ni：8.0％～12.0％、余量为Fe和不可避免杂质元素。

碳钢在调质和模拟焊后热处理状态下的屈服强度和抗拉强度分别达到550MPa以上和675MPa以上，0℃冲击功达到260J以上。200℃高温拉伸的屈服强度和抗拉强度分别达到500以上和600MPa以上；304L奥氏体不锈钢在调质和模拟焊后热处理状态下的屈服强度和抗拉强度分别达到275MPa以上和610MPa以上，延伸率A₅₀达到60％以上，0℃冲击功达到270J以上，200℃高温拉伸的屈服强度和抗拉强度分别达到155和425MPa以上。

一种三代核电站高剪切强度特厚复合钢板的生产方法包括：组坯、轧制、调质热处理、分板。具体技术方案为：

组坯：本发明的复合钢板采用双坯叠轧，钢坯对称复合组坯，组坯顺序至上而下为：不锈钢+碳钢+隔离剂+碳钢+不锈钢。将冶炼好的碳钢和304L奥氏体不锈钢钢坯分别进行开坯轧制；然后对钢坯进行表面机加工或酸洗处理，露出金属表面后进行复合组坯，钢坯为对称复合，上下两层为304L奥氏体不锈钢，中间两层为碳钢，在碳钢与304L奥氏体不锈钢之间为金属表面直接接触，在碳钢之间加入隔离剂，隔离剂为1300℃以下不发生化学反应和分解的氧化镁与氧化铝的混合物。然后对钢坯进行四边焊接封边，利用真空扩散泵进行抽真空处理，真空度低于100Pa即可。

轧制工艺：加热温度控制在1200～1270℃，加热时间：10～15小时，单道次压下率在5％～15％，终轧温度控制在1050℃以上，轧后空冷。

调质热处理：轧制后将对称的复合钢板在未分板的情况下进行热处理，调质热处理包括淬火和回火处理。其中，淬火处理：870～930℃，保温时间2～4min/mm，升温速率：1.0～1.5min/mm，达到钢板的完全奥氏体化温度，同时这一升温速率能够保证复合板中两种材质的受热稳定性，保证钢板淬火后的板型控制，出炉后立即水冷直到钢板温度至100℃以下。

回火处理：620～660℃，保温时间3～6min/mm，升温速率：1.5～2.0min/mm，在该温度区间充分保温，保证钢中碳化物析出，并形成高温回火索氏体组织。

分板：切除钢板四周，将对称的复合板一分为二，完成分板。成品钢板的厚度范围：29～110mm。

有益效果：

本发明同现有技术相比，有益效果如下：

(1)本发明的优点在于，通过不锈钢在外层的组坯方式和低真空度要求，该种复合板其复合效果良好，单张复合板最大厚度可达110mm，界面的剪切强度在400MPa以上，探伤可满足GB/T 8165《不锈钢复合钢板和钢带》标准结合率I级要求，即100％结合。

(2)本发明复合板具有较高的力学性能和耐晶间腐蚀性能，复合板在调质和模拟焊后热处理状态下，304L奥氏体不锈钢的屈服强度和抗拉强度分别达到275MPa以上和610MPa以上，延伸率A₅₀达到60％以上，0℃冲击功达到270J以上，200℃高温拉伸的屈服强度和抗拉强度分别达到155以上和425MPa以上。具有非常优良的强韧性能，同时不锈钢层均能满足ASTM A262E法的晶间腐蚀试验。

(3)本发明复合钢板在调质和模拟焊后热处理状态下，碳钢的屈服强度和抗拉强度分别达到550MPa以上和675MPa以上，0℃冲击功达到260J以上。200℃高温拉伸的屈服强度和抗拉强度分别达到500以上和600MPa以上。具有非常优良的强韧性性能以及耐腐蚀性能，使得核电安注箱的综合使用性得到提高。

(4)本发明复合板采用双坯叠轧，钢坯对称复合，钢板通过一次轧制和调质处理便能够完成两张复合板的生产，并且能够良好控制板型不需要后续钢板矫直，生产效率提高一倍，并且能够降低一半轧制和热处理成本。

(5)本发明复合板的碳钢和不锈钢在常温下的强度和韧性几乎完全一致，有利于保证材料性能的整体性，复合板的界面结合强度超过400MPa，保证了复合板在后续的卷制或压制过程中不脱层、不开裂；考虑异质复合板的两种材质在热处理过程中的热应力不同会导致钢板板型不易控制，通过热处理参数设计，保证了钢板板型的良好控制，同时钢板在调质和模拟焊后热处理两种状态下的性能得到良好匹配，钢板制造过程的难度得到降低并且缩短了生产周期，完全适用于三代核电站复合钢板。

附图说明

图1为复合钢板的复合坯构成，其中1为不锈钢、2为碳钢、3为隔离剂；

图2为轧后复合钢板的结合面；结合面良好，无波动和突起；

图3为轧后304L奥氏体不锈钢的组织；

图4为轧后碳钢回火索氏体组织。

具体实施方式

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。

复合板的化学成分如表1所示；复合坯的规格如表2所示；复合板的轧制工艺如表3所示；复合板的热处理工艺如表4所示；复合板的力学性能如表5所示；复合板的冲击性能如表6所示。

表1复合板的化学成分(wt％)

表2复合坯的规格

实施例	碳钢中间坯厚度/mm	304L不锈钢中间坯厚度/mm
			1	125	20
2	175	20
			3	195	15
4	255	21
			5	300	30

表3复合板的轧制工艺

复合板规格为：(碳钢厚度+不锈钢厚度)×宽度×长度表4复合板的热处理工艺

表5复合板的力学性能

表6复合板的冲击性能

由表1～表6可知，使用该工艺生产的复合板在调质和模焊两种状态下的常温力学性能、高温拉伸性能、耐腐蚀性、剪切强度、结合强度和板型控制均保持较高的水平，并且缩短生产周期和生产难度，完全满足于核电站复合板用钢的要求。

Claims (2)

1.一种三代核电站高剪切强度特厚复合钢板及其制造方法，复合板由碳钢和不锈钢复合而成，碳钢化学成分满足RCCM标准中的18MND5要求，重量百分含量为C≤0.22％，Mn：1.15％～1.60％，P≤0.012％，S≤0.012％，Si：0.10％～0.30％，Mo：0.43％～0.57％，Ni：0.50％～0.80％，Cr≤0.25％，V≤0.03％，Cu≤0.20％，Al≤0.04％，余量为Fe和不可避免杂质元素，金相组织由回火索氏体组织组成；不锈钢采用304L奥氏体不锈钢，成分满足ASTMA240标准《用于压力容器和一般用途的铬和铬镍不锈钢板、薄板和带钢的标准规范》要求，重量百分含量为C≤0.03％，Mn≤2.0％，Si≤0.75％，P≤0.045％，S≤0.030％，Cr：17.5％～19.5％，Ni：8.0％～12.0％、余量为Fe和不可避免杂质元素；成品复合钢板的厚度为29～110mm。

2.一种如权利要求1所述的三代核电站高剪切强度特厚复合钢板的制造方法，钢板的生产工艺为：组坯、轧制、调质处理、分板，其特征在于，

组坯：采用双坯叠轧，钢坯对称复合组坯；首先将钢坯开坯到中间坯，然后除去碳钢上下表面的氧化铁皮，露出洁净光滑的金属表面；不锈钢经酸洗或机加工去除表面氧化铁皮，露出光滑金属表面，组坯顺序至上而下为：不锈钢+碳钢+隔离剂+碳钢+不锈钢；组坯后，对复合坯进行四边焊接封边，利用真空扩散泵进行抽真空处理；其中，所述隔离剂为1300℃以下不发生化学反应和分解的氧化镁与氧化铝的混合物；所述真空度低于100Pa；

轧制：复合坯加热温度为1200～1270℃，加热时间为10～15小时，单道次压下率在5％～15％，终轧温度控制在1050℃以上，轧后空冷；

调质热处理：轧制后将对称的复合钢板在未分板的情况下进行热处理，调质热处理包括淬火和回火处理；其中，淬火温度为870～930℃，保温时间为2～4min/mm，升温速率为1.0～1.5min/mm，出炉后立即水冷直到钢板温度至100℃以下；

回火温度为620～660℃，保温时间为3～6min/mm，升温速率：1.5～2.0min/mm；

分板：切除钢板四周，将对称的复合板一分为二，完成分板。