CN111321349B - 130mm安全壳核电用钢及其连铸坯低压缩比制造方法 - Google Patents

130mm安全壳核电用钢及其连铸坯低压缩比制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种130mm安全壳核电用钢及其连铸坯低压缩比制造方法，该核电用钢采用低C、Ni‑Cr‑Mo成分系列合金设计，在确保强度韧性的同时兼顾辐照效应。其制造方法实现了利用厚度规格为320‑330mm的连铸坯，生产厚度为130mm钢板，在轧制压缩比小于3的情况下，获得贝氏体回火组织及少量铁素体为基础，并大量弥散分布第二相粒子，有效地钉扎在奥氏体晶界。得到的钢板性能具有强韧性匹配优异，组织性能均质性良好的特点，冲击韧性富余量较大。并且，性能合格率达到96％，适用于工业化批量生产。

Description

130mm安全壳核电用钢及其连铸坯低压缩比制造方法
技术领域
本发明涉及一种核电用钢，具体涉及一种130mm安全壳核电用钢及其连铸坯低压缩比制造方法。
背景技术
国内新建的第三代核电站以美国标准的AP1000为主，安全壳采用美国的SA738Gr.B优质钢板。该材料对钢材的强度、韧性、化学成分和尺寸精度等方面要求极为严格。尤其近些年，设备逐步向大型化方向发展，部分安全壳闸门设备用钢厚度已经达到130mm，更进一步加大了钢企的生产难度，主要体现在以下几个方面：1、为保证厚度130mm钢板的组织性能符合要求，必须选择可以保证压缩比大于3的坯料尺寸，这就要求坯料的厚度规格至少在390mm以上，而大部分钢企生产的连铸坯不能满足该要求，因此只能选择大厚度钢锭，而能生产符合要求钢锭的企业少之又少。客户可选择的制造商范围较窄，导致生产能力不足，出现供不应求的局面。2、连铸坯的厚度规格最厚可达到330mm，在生产厚度130mm的钢板时，由于压缩比小于3，相关质量不符合技术要求，性能合格率低下，无法满足客户使用要求，无法实现量产。3、在目前竞争激烈的钢铁行业，增加新的生产设备对钢企的生产成本影响巨大，甚至会带来亏损。因此，在不增加生产设备的前提下，开发一种连铸坯低压缩比生产特厚钢质安全壳核电用钢的制造方法，很有必要。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术的缺陷，本发明公开一种130mm安全壳核电用钢，其钢板性能具有强韧性匹配优异，组织性能均质性良好的特点，能够满足核电用钢的要求。
本发明的另一目的是提供一种上述核电用钢的连铸坯低压缩比制造方法。
技术方案：本发明所述的一种130mm安全壳核电用钢，由以下质量百分比的成分组成：C：0.11～0.15％、Mn：1.2～1.6％、Si：0.20～0.50％、P：≤0.020％、S：≤0.010％、Ni：0.30～0.60％、Cr：0.10～0.30％、Mo：0.10～0.30％、Al：0.010～0.050％、Nb：0.01～0.04％、V：0.02～0.05％、Ti：0.010～0.020％，余量为Fe和杂质。
其合金成分设计机理如下：
核电设备用钢在使用环境上有其特殊性，要承受反应堆堆芯极强的辐照，从而引起辐照脆化。影响辐照脆化的因素很多，主要分为外部环境和材料本身。外部环境指辐照温度、中子注入量等，该因素很难进行改变。材料本身主要受钢质的影响，特别是钢中的合金元素和残余元素含量的影响，这些可以通过冶炼技术和工艺技术的提高而改善。因此，严格控制化学成分对核电设备用钢来说至关重要。
而合金元素或多或少地增大钢的辐照脆化趋势，但合金元素是细化晶粒、提高淬透性和减少回火脆性以及保证综合性能所必需的，即不可缺少的。故只能根据辐照规律对钢中元素提出合理的限制。
具体的，C是提高钢材强度最有效的元素，随着w(C)的增加，钢中Fe3C增加，淬硬性也增加，钢的抗拉强度和屈服强度提高。钢材的伸长率和冲击韧性下降，尤其是低温韧性下降的幅度更大。并且，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，核电设备用钢中w(C)应控制在0.20％以内，以便获得优良的综合性能，本发明的C控制在0.11～0.15wt.％。
Si不是特意添加的合金元素，而是冶炼时从废钢和生铁原料中带入的。但经研究发现在钢中添加过高的w(Si)后，钢的辐照缺陷恢复能力降低。这表明含高w(Si)具有稳定辐照缺陷的作用，故使恢复效应不明显。可见，Si对辐照有害，因此应严格控制非合金元素的w(Si)，本发明的Si控制在0.20～0.50wt.％。
Mn和Ni是扩大γ相、细化晶粒、球化碳化物和保证综合性能以及提高淬透性的有效元素，但实验表明它们都有增大辐照脆化的趋势；原因与Mn、Ni降低了钢Ac3温度，使满足奥氏体化温度的热峰数量增加有关，即类似于被淬火的微区增多。但Ni对辐照的影响和w(Cu)与中子注量的高低有关。当w(Ni)不变时，w(Cu)越高，辐照效应越大，反之亦然。本发明不含w(Cu)，控制Ni含量为0.30～0.60wt.％，控制Mn含量为1.2～1.6wt.％。
Al是钢中的主要脱氧元素，在γ中的最大溶解度大约0.6％，它溶入奥氏体后仅微弱地增大淬透性，所以认为Al对焊接氢致裂纹基本没有影响。但是当w(Al)过高时，易导致钢中夹杂增多，对钢的韧性不利，因此，本发明控制Al含量为0.010～0.050wt.％。
Mo是有效提高钢材强度特别是高温强度的元素，还能提高钢材抗氢脆能力和回火稳定性。因此，本发明控制Mo含量为0.10～0.30wt.％。
Nb和V是相当强烈的碳化物形成元素，它通过细化晶粒与碳化物的形成可提高钢材的常温和高温强度，但V对辐照硬化比较敏感。因此本发明控制Nb：0.01～0.04wt.％，V：0.02～0.05wt.％。
P和S属于杂质元素，有加速辐照脆化的倾向。对辐照敏感与P在晶界偏析有关。在冶炼过程中应进行严格限制。
对应于上述130mm安全壳核电用钢，本发明所述的制造方法所采用的技术方案的工序包括铁水预处理→转炉冶炼→LF+RH精炼→连铸→坯料检验→坯料堆冷→坯料加热→坯料除鳞→轧制→控制冷却→淬火→回火；其中，
连铸工序全程采用无氧化保护浇注并配以弱冷慢拉速工艺，得到320-330mm的连铸坯；
轧制工序采用高渗透轧制技术，采用CVC窜辊技术，利用120000KN轧制压力与8488KNM轧制力矩的配合，进行两阶段控制轧制，得到130mm厚度的钢板。
有益效果：该130mm安全壳核电用钢，采用低C、Ni-Cr-Mo成分系列合金设计，在确保强度韧性的同时兼顾辐照效应。其制造方法利用现有设备及工艺技术资源，架构出均质洁净精炼核心技术路线，保证了钢板轧制所用钢坯钢质纯净、致密、化学成分稳定。采用高渗透轧制技术实现了钢板表面至中心轧制渗透行为控制，为钢板热处理提供良好均匀原始组织准备。实现了利用厚度规格为320-330mm的连铸坯，生产厚度为130mm钢板，在轧制压缩比小于3的情况下，获得贝氏体回火组织及少量铁素体为基础，并大量弥散分布第二相粒子，有效地钉扎在奥氏体晶界。得到的钢板性能具有强韧性匹配优异，组织性能均质性良好的特点，冲击韧性富余量较大。并且，性能合格率达到96％，适用于工业化批量生产。
附图说明
图1是本发明实施例1的钢板断口扫描电镜观察图；
图2是本发明实施例1的钢板的光学金相组织结构图；
图3是本发明实施例1的钢板的透射电镜观察图。
具体实施方式
以下提供7组实施例以及5组对比例对本发明的130mm安全壳核电用钢做详细说明。各案例钢的化学成分如表1所示：
表1钢的化学成分(余量为Fe和杂质)
序号 C Mn Si P S Ni Mo Cr Nb Ti Al V
1 0.11 1.2 0.5 0.018 0.007 0.3 0.3 0.2 0.04 0.01 0.04 0.03
2 0.15 1.4 0.4 0.02 0.009 0.5 0.26 0.1 0.016 0.02 0.02 0.02
3 0.13 1.6 0.2 0.016 0.01 0.4 0.1 0.17 0.01 0.016 0.05 0.04
4 0.14 1.5 0.38 0.013 0.006 0.6 0.15 0.26 0.023 0.011 0.01 0.025
5 0.12 1.3 0.29 0.015 0.007 0.48 0.22 0.3 0.015 0.016 0.04 0.05
6 0.11 1.5 0.45 0.01 0.008 0.3 0.13 0.19 0.018 0.015 0.02 0.037
7 0.14 1.4 0.32 0.014 0.006 0.5 0.22 0.28 0.029 0.018 0.03 0.044
对比例1 0.17 1.5 0.4 0.018 0.01 0.4 0.2 0.19 0.037 0.012 0.029 0.032
对比例2 0.15 1.4 0.35 0.02 0.007 - - 0.28 0.025 0.016 0.03 0.04
对比例3 0.12 1.5 0.38 0.009 0.009 0.4 0.3 0.2 0.028 0.013 0.04 0.04
对比例4 0.14 1.2 0.27 0.015 0.007 0.3 0.1 0.3 0.022 0.018 0.02 0.02
对比例5 0.13 1.3 0.45 0.012 0.008 0.6 0.2 0.18 0.015 0.014 0.05 0.05
其中，实施例1-7、对比例3-5均按照本发明的合金成分设计，对比例1中C含量超出本发明的要求范围，对比例2未按照本发明要求添加Ni、Mo。
各实施例采用本发明的制造方法制得，其工艺路线的工序包括原料准备→铁水预处理→转炉冶炼→LF+RH精炼→连铸→坯料检验→坯料堆冷→坯料加热→坯料除鳞→轧制→控制冷却→淬火→回火→检验→力学检验→入库→发货。
各案例的制造工艺参数如表2所示：
表2钢的制造工艺参数
Figure BDA0002430361150000041
以上各案例中，坯料厚度均为320-330mm。其中，对比例1-2也按照本发明的制造方法制得，对比例3中抽真空、静搅时间不足要求，对比例4中的坯料加热温度不满足要求，对比例5的淬火温度低于本发明下限要求。
以上案例的各种性能见表3所示：
表3钢的力学性能
Figure BDA0002430361150000051
从上表可以看出，实施例1-7的钢板强韧性能匹配优异，低温冲击韧性富裕量较大。对比例1中由于C含量不满足要求，影响低温韧性，具体来说是C含量超出本发明要求，低温韧性严重降低。对比例2中不含有Ni、Mo元素，导致淬透性和回火稳定性变差，强度和冲击韧性都有所下降。对比例3中抽真空和静搅时间不满足要求，导致钢坯纯净度下降，最终得到冲击韧性较差的结果。对比例4的加热温度低，坯料未能充分加热，合金成分未能充分溶解，坯料均质性变差，最终强度和冲击韧性都出现下降。对比例5中由于淬火温度不足，钢板未能充分淬透，强度和冲击韧性均较差。
一并参阅钢的组织纯净度数据，具体的如表4所示：
表4钢的组织纯净度数据
Figure BDA0002430361150000052
Figure BDA0002430361150000061
由上表可见，实施例1-7的组织均质性优异，晶粒度细小，夹杂物含量较低。对比例1中C含量虽超出要求，但对微观组织纯净度影响并不大。对比例2没有Ni、Mo，组织晶粒粗大。对比例3-5，钢板纯净度不高，组织晶粒粗大，并且偏析严重，出现了大颗粒夹杂物。
更进一步的，对实施例1的钢板进行检验观察。如图1所示对冲击断口进行的扫描电镜观察，可以看出，整个断口由大小不一的韧窝组成，属于典型的韧性断口，表明了钢板具有较好的冲击韧性。如图2所示，钢板的基体组织由贝氏体回火组织及少量铁素体组成，贝氏体组织明显的位向关系依然存在，晶粒尺寸较为细小。如图3所示，从透射电镜观察来看，基体中有大量弥散分布的细小第二相粒子存在，尺寸大都小于20nm，经能谱分析，这些第二相粒子主要为NbC，同时从图中可以清晰地看到NbC第二相粒子在钢中起到了很好的"钉扎"作用。由此可见，贝氏体回火组织及少量铁素体为基础，大量弥散分布的第二相粒子存在充分保证了钢板具有较好的强韧性。
采用本发明制造方法生产多批次钢板，性能合格率达96％，而目前排除生产能力问题，采用390mm连铸坯或者大厚度钢锭生产的合格率也仅为65％左右。显然该制造方法大幅度提升了性能合格率指标，且采用大部分规模钢企均能生产的320-330mm厚连铸坯生产，工业适应性大幅提升。

Claims (1)

1.一种130mm安全壳核电用钢，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：C：0.11～0.15％、Mn：1.2～1.6％、Si：0.20～0.50％、P：≤0.020％、S：≤0.010％、Ni：0.30～0.60％、Cr：0.10～0.30％、Mo：0.10～0.15％、Al：0.010～0.050％、Nb：0.01～0.04％、V：0.02～0.05％、Ti：0.010～0.020％，余量为Fe和杂质；
钢的晶粒度等级为9.5级以上；光学金相组织由贝氏体回火组织及铁素体组成；通过透射电镜能观察到基体中有弥散分布的第二相粒子，所述第二相粒子主要为NbC；
所述的130mm安全壳核电用钢的连铸坯低压缩比制造方法，工序包括铁水预处理→转炉冶炼→LF+RH精炼→连铸→坯料检验→坯料堆冷→坯料加热→坯料除鳞→轧制→控制冷却→淬火→回火；其中，
LF+RH精炼工序抽真空保持时间不小于18min，静搅时间不小于15min；
坯料加热工序中加热温度为1180-1240℃，加热时间2-3小时；
连铸工序全程采用无氧化保护浇注并配以弱冷慢拉速工艺，得到320-330mm的连铸坯；
轧制工序采用高渗透轧制技术，采用CVC窜辊技术，利用120000KN轧制压力与8488KNM轧制力矩的配合，进行两阶段控制轧制，得到130mm厚度的钢板；所述轧制工序中，第一阶段压下量22-27mm，第二阶段轧制的开轧温度为860-980℃，终轧温度为750-830℃；
控制冷却工序中，钢板的返红温度为630-690℃；
淬火工序的淬火温度为880-910℃，回火工序的回火温度为640-670℃。
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