CN109136767A - 一种核电站蒸汽发生器承压边界部件用钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种核电站蒸汽发生器承压边界部件用钢及其制造方法。钢中含有C：0.15％～0.22％；Si：0.10％～0.30％；Mn：0.55％～0.75％；P≤0.015％；S≤0.010％；Ni：0.30％～0.60％；Cr：0.70％～1.10％；Mo：0.80％～1.50％；Al：0.020％～0.040％；Nb：0.010％～0.030％；B：0.0005％～0.002％；Cu≤0.05％，其余为Fe和不可避免的杂质。厚度<80mm采用转炉‑连铸工艺，加热温度1180～1250℃，开轧温度≥1100℃，终轧温度≥900℃；厚度≥80mm采用电炉‑模铸生产；加热温度≥1200℃，开轧温度≥1050℃，终轧温度≥850℃。轧后进行调质处理；生产的30～150mm钢板具有良好的高温性能和强韧匹配。

Description

一种核电站蒸汽发生器承压边界部件用钢及其制造方法

技术领域

本发明属于黑色金属材料，涉及一种核电用钢金属材料，特别涉及核电站蒸汽发生器承压边界部件用、具有良好综合力学性能和内部质量的钢材及其制造方法。

背景技术

核能由于清洁、经济等诸多优势，逐渐成为世界各国使用的重要能源，是世界发达国家一次能源消费结构中的重要组成部分。由于核电站在运行期间消耗很少的核燃料，就可以产生大量的电能，在发电效率方面远高于火力发电。对于像我国这样以煤炭为主的能源消费结构特点，不但承受着经济成本、运输成本方面的直接经济压力，同时也承受着环境保护方面的大国政治责任压力。正因为如此，大力发展核电成为我国优化实现电力工业结构、实现能源保障多样化以及提升我国综合经济实力、工业技术水平和国际地位的必然选择。

核电机组蒸汽发生器是产生汽轮机所需蒸汽的换热设备。蒸汽发生器既是一回路设备，又是二回路设备，被称为一、二回路的枢纽。蒸汽发生器能否安全、可靠地运行对整个核动力装置的经济性和安全可靠性有着十分重要的影响。作为核一级关键设备，按照核电质量保证体系要求，蒸汽发生器所属承压边界部件(主要包括隔板、防震板条、一次侧人孔盖板、二次侧人孔盖板以及人孔盖板等)也同样属于核一级部件，对于核电机组的安全、平稳运行极为重要。正是由于蒸汽发生器所属承压边界部件对于核电机组的重要性以及其高温、高压的服役环境，对钢板的综合指标提出了更高的要求：一是最大厚度规格达到150mm；二是对钢板内部质量提出了更高的要求，超声波探伤检测等级为Ⅰ级；三是增加了调质、调质加模拟焊后热处理两种状态的350℃高温拉伸性能要求；四是增加了钢板头尾Z向性能要求，断面收缩率不小于35％。

目前生产的核电站蒸汽发生器关键部件用钢的相关专利如下：

浙江大隆合金钢有限公司申请的名为“18MND5核电用低合金结构钢及工艺控制方法”的专利，申请号为201210387824.X，公开号为CN102912222A，钢中含有C≤0.22％，Si：0.10％～0.30％，S≤0.012％，P≤0.012％，H≤1.5ppm，O≤30ppm，Mn：1.15％～1.60％，Ni：0.50％～0.80％，Mo：0.43％～0.57％，Al≤0.04％，N≤0.013％，Cr≤0.25％，Co≤0.08％，B≤0.0018，V≤0.01％，Cu≤0.08％，As≤0.01％，Sb≤0.002％，Sn≤0.01％，余量为Fe。该发明的方法生产的18MND5材料的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。但是该钢中采用锻造的方法生产18MND5钢，从材料均匀性和制造成本两个方面，均与轧制钢板有一定差距，同时也没有给出钢板的350℃抗拉强度实际指标。

济钢集团有限公司申请的名为“一种核电站压力容器用钢板及其制造方法”的专利，申请号为201410098857.1，公开号为CN103911559A，钢中含有C：0.10％～0.20％，Si：0.15％～0.40％，Mn：0.60％～1.40％，P≤0.020％、S≤0.010％，Ni≤0.30％，Cu≤0.18％，，Cr≤0.30％，Mo≤0.08％，V≤0.020％，Nb≤0.020％，Ti：0.008％～0.030％，Alt：0.020％～0.050％，N≤0.012％，Ni+Cu+Cr+Mo≤0.70％，Cu+6Sn≤0.33％，Alt∶N≥2，余量为Fe和不可避免杂质。该发明的方法制造的钢板，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。但是该钢板的最大厚度为100mm，并且说明书中100mm钢板室温拉伸强度仅为430MPa，300℃高温拉伸屈服强度仅为199MPa。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术存在的问题，提供了一种核电站蒸汽发生器承压边界部件用钢及其制造方法，通过化学成分的优化设计和生产工艺的合理制定，使钢板具有良好的综合力学性能和内部质量能够满足技术指标的要求；特别是调质和调质加模拟焊后热处理两种状态的350℃高温抗拉强度达到620MPa以上，钢板Z向断面收缩率不小于35％，完全满足于三代压水堆核电站蒸汽发生器关键部件用钢的要求。

具体的技术方案是：

蒸汽发生器承压边界部件用钢，按重量百分比包含如下组分：C：0.15％～0.22％；Si：0.10％～0.30％；Mn：0.55％～0.75％；P≤0.015％；S≤0.010％；Ni：0.30％～0.60％；Cr：0.70％～1.10％；Mo：0.80％～1.50％；Al：0.020％～0.040％；Nb：0.010％～0.030％；B：0.0005％～0.002％；Cu≤0.05％；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：钢中随着C含量的升高，钢的硬度和强度增大，而韧性和塑性降低，同时会提高辐照脆化倾向。为使钢板经过长时间模拟焊后热处理及在350℃高温下，强度和韧性达到良好的匹配，因此本发明要求钢中C含量控制0.15％～0.22％范围内。

Si：Si溶于铁素体和奥氏体中能提高钢的硬度和强度，但Si含量过高损害钢板的塑性和韧性，并降低钢的焊接性能，同时含Si高有稳定辐照缺陷的作用，因此本发明要求钢中Si含量控制在为0.10％～0.30％。

Mn：Mn具有较强的固溶强化作用，提高钢的强度和硬度，能有效地提高钢的淬透性，提高屈服点，但Mn有增加晶粒粗化和回火脆性的不利影响，并且有增大辐照脆化的趋势。因此本发明要求钢中Mn含量控制在合适范围内，即控制在0.55％～0.75％范围内。

Ni：Ni能够提高热强性和淬透性，并且通过细化铁素体晶粒改善低温性能，使钢板在具有足够强度的同时还会具有较高的韧性，但Ni具有增加辐照脆化的趋势，并且在对制造核岛蒸汽发生器关键部件的材料低温冲击韧性要求并不高，因此本发明要求钢中Ni含量控制为0.30％～0.60％。

Cr：钢中Cr元素可以提高淬透性、耐蚀性和抗氧化性。调质钢添加一定含量的Cr，作为减少间隙元素对辐照有害的“清洁剂”。因此本发明要求钢中Cr含量控制为0.70％～1.10％。

Mo：在调质钢中，Mo能够提高淬透性和热强性，防止回火脆性，保证钢板在较高的温度下回火，进而提高塑性。更为重要的是Mo与C、N、O的亲和力很强，能明显抑制辐照硬化。因此本发明要求钢中Mo含量控制为0.80％～1.50％。

Al：Al是调整钢晶粒度的有效元素，与适量的N结合形成高熔点的小颗粒，有细化晶粒的作用，但Al对钢的淬透性影响不显著。因此本发明要求钢中Al含量控制为0.020％～0.040％。

Nb：Nb能提高钢的屈服强度，降低脆性转变温度，对钢的焊接性能有益，同时Nb对辐照比较敏感性差，因此本发明要求钢Nb含量控制为0.010％～0.030％。

B：B在钢中的主要作用是增加钢的淬透性，微量B还可提高其高温强度，并且B吸收中子能力强，但略有促进回火脆性的倾向。因此本发明要求钢B含量控制为0.0005％～0.002％。

Cu：Cu是对辐照脆化最有害的元素，因此通常要求核电用钢中的Cu含量应不高于0.05％。

P：P是一种有害元素，造成钢的脆性加剧，也使屈服点和屈强比显著提高，塑性和韧性恶化，对焊接有不利影响。同时辐照试验表明，P对辐照脆化亦非常敏感，因此要求钢中的P含量越低越好，本发明要求P不高于0.015％。

S：S在钢中奥氏体晶界处形成FeS和MnS硫化物，会降低钢的冲击韧性和焊接性能，同时S也有加速辐照脆化的倾向。因此要求钢中S含量应限制在0.010％以下。

核电站蒸汽发生器承压边界部件用钢的制造方法包括：冶炼、铸造、轧制、调质处理，具体采取以下技术措施：

钢的冶炼：采用真空冶炼，满足H≤0.00015％、O≤0.0030％、N≤0.0050％，钢中过量的H、O、N对钢的性能产生不利的影响，同时还会增加辐照脆化效应，因此希望把它们的含量要降低到最低水平。

钢板厚度&lt;80mm的采用铁水深脱硫、转炉冶炼、炉外精炼、真空处理和连铸工艺进行生产；钢板厚度≥80mm的采用电炉、炉外精炼、真空处理和模铸浇注工艺进行生产。

钢板的轧制：连铸坯采用控制轧制技术，连铸坯加热温度在1180～1250℃，开轧温度≥1100℃，终轧温度≥900℃，单道次压缩比≥10％。

模铸钢锭在室式炉加热后采用锭轧材方式进行生产，钢锭加热温度≥1200℃，开轧温度≥1050℃，终轧温度≥850℃。

钢板轧后采用调质处理工艺，得到细致、均匀的索氏体组织，并使钢板具有良好的综合力学性能。

调质处理：淬火温度900～950℃，保温时间2～5min/mm；回火温度650～680℃，保温时间4～10min/mm。

有益效果：

本发明提供了一种核电站蒸汽发生器承压边界部件用钢及其制造方法，生产的钢板厚度为30～150mm，同现有技术相比，有益效果如下：

(1)本发明工艺生产的产品，通过合金化处理和调质处理，具有优良的强度指标。调质状态室温屈服强度(R_p0.2)≥585MPa，抗拉强度(R_m)≥695MPa；模拟焊后热处理后，室温R_p0.2≥545MPa，R_m≥655MPa。

60mm钢板调质处理后R_p0.2和R_m分别为610MPa和705MPa；模拟焊后热处理后，R_p0.2和R_m分别为575MPa和690MPa；调质处理后350℃高温拉伸时，R_p0.2和R_m分别为560MPa和665MPa；模拟焊后热处理后350℃高温拉伸时，R_p0.2和R_m分别为540MPa和635MPa。从调质处理和模拟焊后热处理后室温拉伸和高温拉伸结果来看，不同状态钢板拉伸性能远高于指标要求，相比于其他钢种有较大幅度提高。

(2)本发明钢种经调质处理后，不同状态下的-20℃冲击吸收能量同样保持在180J以上的水平。60mm板调质处理及模拟焊后热处理后的冲击吸收能量在220～300J之间，完全满足指标的要求，而且具有较大的余量。

(3)本发明钢种经调质处理后，不同状态下的钢板Z向断面收缩率不小于35％。60mm板调质处理及模拟焊后热处理后Z向断面收缩率在60％左右，完全满足指标的要求，而且具有较大的余量。

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。

各实施例钢冶炼化学成分如表1所示。各实施例钢轧制工艺如表2所示。轧制成钢板后，模拟焊后热处理制度为：保温温度为610℃，保温时间13.5h，350～610℃温度区间升温/降温速度≤55℃/h。各实施例钢力学性能如表3所示。

表1实施例钢冶炼化学成分 wt％

表2实施例钢轧制及热处理工艺

注：实施例1～2为转炉冶炼后浇注成连铸坯；实施例3～5为电炉冶炼模铸浇注成钢锭。

表3力学性能结果

由表1～3可见，采用本发明技术方案生产的蒸汽发生器承压边界部件用钢，具有良好的综合力学性能。30～150mm钢板经过调质处理和模拟焊后热处理后，各性能指标完全满足要求，同时钢板具有良好的高温性能和良好的韧性、强度匹配，完全满足蒸汽发生器承压边界部件用钢的要求。

Claims (3)

1.一种核电站蒸汽发生器承压边界部件用钢，其特征在于，钢中化学成分按质量百分比为：C：0.15％～0.22％；Si：0.10％～0.30％；Mn：0.55％～0.75％；P≤0.015％；S≤0.010％；Ni：0.30％～0.60％；Cr：0.70％～1.10％；Mo：0.80％～1.50％；Al：0.020％～0.040％；Nb：0.010％～0.030％；B：0.0005％～0.002％；Cu≤0.05％；其余为Fe和不可避免的杂质。

2.如权利要求1所述的核电站蒸汽发生器承压边界部件用钢，其特征在于，钢板厚度为30～150mm。

3.一种如权利要求1或2所述的核电站蒸汽发生器承压边界部件用钢的制造方法，钢板的生产工艺为：冶炼、铸造、轧制、调质处理，其特征在于，

冶炼：采用真空冶炼，满足H≤0.00015％、O≤0.0030％、N≤0.0050％；对于厚度&lt;80mm的钢板，采用铁水深脱硫、转炉冶炼、炉外精炼、真空处理和连铸工艺生产连铸坯；对于厚度≥80mm的钢板，采用电炉、炉外精炼、真空处理和模铸浇注工艺生产模铸钢锭；

轧制：连铸坯采用控制轧制技术，连铸坯加热温度为1180～1250℃，开轧温度≥1100℃，终轧温度≥900℃；模铸钢锭加热后采用锭轧材方式进行生产，钢锭加热温度≥1200℃，开轧温度≥1050℃，终轧温度≥850℃，单道次压缩比≥10％；

调质处理：淬火温度900～950℃，保温时间2～5min/mm；回火温度650～680℃，保温时间4～10min/mm。