CN109234624A

CN109234624A - 一种特宽特厚核电常规岛设备用钢及其制造方法

Info

Publication number: CN109234624A
Application number: CN201811165254.3A
Authority: CN
Inventors: 胡海洋; 孙殿东; 王爽; 颜秉宇; 胡昕明; 王储; 欧阳鑫; 段江涛; 王勇; 管吉春
Original assignee: Angang Steel Co Ltd
Current assignee: Angang Steel Co Ltd
Priority date: 2018-10-08
Filing date: 2018-10-08
Publication date: 2019-01-18

Abstract

本发明公开一种特宽特厚核电常规岛设备用钢及其制造方法。钢中含有C：0.10％～0.18％；Si：0.15％～0.40％；Mn：0.90％～1.50％；P≤0.02％；S≤0.005％；Ni：0.10％～0.30％；Cr：0.15％～0.30％；V：0.01％～0.05％；Nb：0.01％～0.05％；Als：0.015％～0.04％，余量为铁和不可避免的杂质。连铸坯加热温度1200～1250℃，在炉时间4～6h；第Ⅰ阶段开轧温度≥1100℃，总压下率≥60％；第Ⅱ阶段开轧温度900～950℃，终轧温度800～850℃；正火温度880～920℃，保温时间1～3min/mm，出炉后自然冷却。成品钢板厚60～100mm，宽4000～5100mm，满足核电站常规岛设备用钢的使用条件。

Description

一种特宽特厚核电常规岛设备用钢及其制造方法

技术领域

本发明属于黑色金属材料，特别涉及一种特宽特厚核电常规岛设备用钢及其制造方法。

背景技术

压水堆核电站通常由两个回路组成。一回路由核反应堆、稳压器、蒸汽发生器一次侧和循环泵组成；密封在安全壳里，称为核电站的核岛。二回路由蒸汽发生器二次侧、汽轮机、回热加热系统和给水泵等组成，称为核电站的常规岛。常规岛系统复杂，涉及多个设备，所用钢种也多种多样。其中用于高、低压加热器，除氧器及水箱等压力容器的筒身、封头、接管、补强板、法兰、管板、平盖等受压元件不仅要求钢板具有优异的力学性能和高标准的探伤等级，同时部分元件厚度在60mm以上，宽度达到4900mm以上。

特宽特厚钢板由于平面尺寸及厚度都比较大，在制作大型容器、设备和钢结构时比其它产品利用率高，不仅节约焊材，减少焊接量，而且也提高安全度。现有关于此类钢种的发明专利中，钢板的宽度均达不到4900mm以上，此外相关专利也存在着钢板强度偏低、厚度不合适、以及未关注钢板高温拉伸性能和模拟焊后热处理后力学性能等问题。

CN200910187778.7公开了“一种特厚钢板的生产方法”，设计板坯化学成分的质量百分比为C：0.10％～0.16％，Si：0.25％～0.35％，Mn：1.25％～1.55％，P≤0.02％，S≤0.005％，Nb：0.03％～0.05％，V：0.02％～0.04％，Ti：0.005％～0.015％，Als：0.015％～0.045％，其余为Fe和不可避免的杂质。该发明具有生产效率高，机械性能良好等优点。但钢板采用热轧方式生产，无法保证细小的晶粒度及均匀的组织；此外采用C-Mn的成分设计，不添加Ni、Cr元素，热轧生产，成品钢板抗拉强度485～530MPa，强度偏低。

CN201410239091.4公开了“一种X90管线钢宽厚板及其生产方法”。发明中成分重量百分数为：C：0.06％～0.10％，Si：0.20％～0.50％，Mn：1.50％～1.80％，P≤0.010％，S≤0.003％，Nb：0.04％～0.06％，V：0.04％～0.06％，Ti：0.010％～0.020％，Ni：0.15％～0.30％，Cr：0.15％～0.30％，Mo：0.10％～0.30％，Als：0.020％～0.05％，余量为Fe及不可避免的杂质。成分设计采用低C、高Mn，并添加适量的微合金元素，钢板采用TMCP方式生产，具有高的强度，优良的低温韧性和抗动态撕裂能力。但该发明Mn、Nb、V、Ti等元素含量均偏高，虽然所生产钢板综合性能优异，但成本较高，不具有很好的经济适用性。

CN201610575680.9公开了“一种460MPa级别特厚板及其生产方法”，钢板化学成分质量分数为：C：0.14％～0.17％、Mn：1.40％～1.80％、Si：0.15％～0.25％、Al：0.20％～0.40％、S≤0.01％、P≤0.02％、V≥0.020％、Ti≥0.010％、Nb≥0.020％，其余为Fe和少量杂质元素。该发明采用C-Mn-Nb-V-Ti成分体系结合超快冷生产60～100mm厚度规格460MPa级别特厚板。但Nb、V、Ti含量只给出下限，超快冷方式生产无法保证厚度截面组织性能的均匀性。此外，该发明中只关注钢板轧态性能，对热处理未提及。

CN201310347309.3公开了“一种核电站常规岛用无缝钢管及其生产工艺”，涉及材料的化学成分质量分数为：C：0.10％～0.16％、Mn：0.60％～0.80％、Si：0.17％～0.35％、Al：0.02％～0.05％、S≤0.005％、P≤0.015％、V≥0.020％、Ti：0.02％～0.04％、O≤0.003％，其余为Fe及不可避免的杂质。热处理采用正火工艺，正火温度为910±10℃。该发明成分简单，在C+Mn的基础上添加少量Ti，无法保证轧制钢板时的力学性能满足核电常规岛设备用钢要求。

发明内容

本发明的目的是，提供一种厚60～100mm宽度4000～5100mm，力学性能优良的核电常规岛设备用钢及其制造方法，通过微合金成分设计、适宜加热、轧制、热处理工艺，生产的钢板不仅具有适用性良好的强韧性，而且在长时间模拟焊后热处理后，拉伸和低温冲击等关键指标依然保持良好，完全满足核电站常规岛设备用钢的使用要求。

具体的技术方案是：

一种特宽特厚核电常规岛设备用钢，按质量百分比包含如下成分：

C：0.10％～0.18％；Si：0.15％～0.40％；Mn：0.90％～1.50％；P≤0.02％；S≤0.005％；Ni：0.10％～0.30％；Cr：0.15％～0.30％；V：0.01％～0.05％；Nb：0.01％～0.05％；Als：0.015％～0.04％；余量为Fe和不可避免的杂质。

采用上述成分设计理由如下：

C：是强化结构钢最有效的元素，而且也是最经济的元素。如果钢中C含量过低，强度就无法满足要求；如果C含量过高，对钢的延性、韧性和焊接性都将产生不利影响，而且在钢材的焊接热影响区还会出现淬硬现象，导致焊接冷裂纹的产生。因此本发明钢在设计成分时要求钢中C含量控制在0.10％～0.18％的范围内。

Si：是一种能有效用于脱氧、强化固溶体和提高冲击转变温度的合金元素。但是，提高Si含量易产生硅酸盐类夹杂，损害钢板的焊接性能，因此本发明将Si含量控制在0.15％～0.40％。

Mn：在钢中起固溶强化作用，能提高钢板的强度和硬度，且锰是稳定奥氏体的元素，能降低奥氏体的相变温度，促进碳在奥氏体中的溶解，由于延迟了铁素体、珠光体的形成，从而扩大了冷却形成马氏体、贝氏体组织的冷却速率的范围，提高了钢的淬透性。过多的锰易于偏析，恶化钢的性能。因此本发明将Mn含量控制在0.90％～1.50％。

P：是一种损害低温韧性的元素，因此磷的含量越低越好，但考虑到炼钢条件和成本，本发明要求控制钢中的P≤0.02％。

S：在钢中易形成硫化物夹杂，降低钢的冲击韧性，损害焊接性能，同时加重中心偏析、疏松等缺陷，并会增加辐照脆化，因此本发明要求S≤0.005％。

Ni：对钢的强度贡献不大，但能明显改善钢材的低温韧性，与铬配合使用时，能使钢材在热处理后获得强度与韧性配合良好的综合力学性能。但试验证明高镍比低镍辐照脆化大。因此从实际需要出发，本发明控制钢中Ni含量为0.10％～0.30％。

Cr：能提高钢的强度和硬度，但降低伸长率和断面收缩率。使钢具有良好的高温抗氧化性和耐氧化性介质腐蚀的作用。含量过高时，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含量控制在0.15％～0.30％。

V、Nb：在钢中为强碳化物和氮化物形成元素，细化晶粒作用明显。通过热轧过程中应变诱导析出阻碍形变奥氏体的回复、再结晶，经控制轧制和控制冷却使再结晶区或非再结晶区轧制在相变时转变获得细小的相变产物，以使钢具有较高的强度和韧性。而过量V、Nb的加入将会恶化焊接热影响区的韧性，因此本发明设计V：0.01％～0.05％、Nb：0.01％～0.05％。

Als：铝在炼钢中起到一定的脱氧作用，还有利于细化晶粒。但过多的铝不仅作用效果不明显，而且还会增加成本，产生Al₂O₃夹杂，影响钢的热加工性能、焊接性能。所以本发明要求Als含量控制在0.015％～0.04％。

一种特宽特厚核电常规岛设备用钢的制造方法，包括铁水预处理-转炉冶炼-炉外精炼-连铸-加热-轧制-热处理。具体为：

铁水采用预处理，同时为控制钢中P、S等元素含量，保证钢质的纯净度，冶炼过程中，采用转炉双联法进行生产，再经过LF、RH处理。

钢水经过转炉冶炼及炉外精炼处理后，进行连铸。连铸过程中严格控制中包钢水浇注温度，保持铸坯拉速稳定；同时在浇注过程中采用氩封保护，在铸坯凝固末端投入轻压下，以充分改善铸坯内在质量，提高等轴晶比例。

连铸坯加热温度1200～1250℃，在炉时间4～6h；钢坯出炉除鳞后，进行控制轧制，第Ⅰ阶段开轧温度为≥1100℃，总压下率不小于60％，先横轧到成品宽度再纵轧；第Ⅱ阶段开轧温度为900～950℃，终轧温度为800～850℃，纵轧到成品厚度。轧制变形分别在奥氏体再结晶区和未再结晶区，轧制时控制良好的板形。在奥氏体再结晶区轧制时，采取大压下量轧制工艺，使形变在厚度方向充分渗透钢坯心部，使奥氏体再结晶充分进行，细化晶粒；在奥氏体未再结晶区轧制时保证一定的形变率，利用扩大的晶界面积和导入的变形带及位错有效增加奥氏体向铁素体转变的形核核心，促使相变后的铁素体和珠光体晶粒更加细小和均匀。钢板下线后进行堆垛缓冷，保证钢板内外散热一致。

冷却完成的钢板进行正火热处理，以进一步细化晶粒，均匀组织。正火热处理工艺为：温度880～920℃，保温时间1～3min/mm，正火热处理保证钢板形成均匀的奥氏体组织，最终使钢板具有良好的综合力学性能。钢板出炉后自然冷却。

有益效果：

本发明同现有技术相比，有益效果如下：

(1)本发明的钢板宽度4000～5100mm，在核电常规岛大型设备制造中，可以有效减少焊缝，节约焊材，产品利用率高，同时也提高了设备的安全度。

(2)本发明钢种经正火和模拟焊后热处理后，不同状态下均具有良好的强韧性。正火热处理后的钢板常温拉伸屈服强度≥330MPa和抗拉强度≥550MPa，-20℃冲击功≥200J；模拟焊后热处理后，屈服强度≥300MPa和抗拉强度≥500MPa，-20℃冲击功≥200J，完全满足核电站常规岛设备用钢的使用条件。

(3)本发明钢种加入少量微合金化元素，生产工艺简单，稳定，可操作性强，生产成本较低。正火后钢板具有细小的晶粒，组织均匀，夹杂物少且小，力学性能稳定。

附图说明

图1为实施例1的典型金相组织；显微组织为铁素体+珠光体；

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。

表1为实施例钢的化学成分；表2为实施例钢轧制及热处理工艺制度；表3为实施例钢的正火态力学性能。

表1各实施例钢冶炼化学成分(wt,％)

实施例	C	Si	Mn	P	S	Ni	Cr	V	Nb	Als
											1	0.13	0.16	1.42	0.013	0.003	0.18	0.25	0.021	0.036	0.016
2	0.10	0.25	1.21	0.016	0.004	0.14	0.22	0.013	0.017	0.027
											3	0.16	0.39	0.95	0.018	0.003	0.11	0.15	0.036	0.022	0.039
4	0.18	0.22	1.25	0.012	0.002	0.28	0.19	0.049	0.031	0.033
											5	0.14	0.19	1.48	0.015	0.002	0.23	0.27	0.041	0.047	0.021

表2各实施例钢轧制及热处理工艺

表3钢板正火态力学性能

从各实施例钢板取样，分别进行模拟焊后热处理试验，工艺为，温度：615℃，升降温速率：400℃以上，升降温速率58℃/h，保温时间：15h。模拟焊后热处理后钢板的力学性能见表4。

表4钢板模拟焊后热处理态力学性能

由表1～4可以看出，按本发明方法生产的特宽特厚核电用钢，实施例正火热处理后的钢板常温拉伸屈服强度≥332MPa，抗拉强度≥556MPa，-20℃冲击功单值≥202J；模拟焊后热处理后，屈服强度≥304MPa和抗拉强度≥556MPa，-20℃冲击功单值≥205J，完全满足核电站常规岛设备用钢的使用条件。

Claims

1.一种特宽特厚核电常规岛设备用钢，其特征在于，钢中化学成分按质量百分比为：C：0.10％～0.18％；Si：0.15％～0.40％；Mn：0.90％～1.50％；P≤0.02％；S≤0.005％；Ni：0.10％～0.30％；Cr：0.15％～0.30％；V：0.01％～0.05％；Nb：0.01％～0.05％；Als：0.015％～0.04％，余量为铁和不可避免的杂质。

2.如权利要求1所述的一种特宽特厚核电常规岛设备用钢，其特征在于，成品钢板厚度为60～100mm，宽度为4000～5100mm。

3.一种如权利要求1或2所述的特宽特厚核电常规岛设备用钢的制造方法，钢板的生产工艺为：包括铁水预处理-转炉冶炼-炉外精炼-连铸-加热-轧制-热处理，其特征在于，

连铸坯加热温度1200～1250℃，在炉时间4～6h；钢坯出炉除鳞后，进行控制轧制，第Ⅰ阶段开轧温度为≥1100℃，总压下率不小于60％，先横轧到成品宽度再纵轧；第Ⅱ阶段开轧温度为900～950℃，终轧温度为800～850℃，纵轧到成品厚度；

冷却完成的钢板进行正火热处理，正火温度880～920℃，保温时间1～3min/mm，钢板出炉后自然冷却。