CN113235010B - 一种薄规格且整板性能均匀的核电用钢板的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种薄规格且整板性能均匀的核电用钢板的制备方法，本发明在成分设计上采用低碳和低硅，添加少量的稀土合金，严格控制P、S含量，使钢具有良好的强度和冲击韧性，兼顾辐照效应，并获得一定的抗氧化性能，制备时，轧制前排产相近厚度过渡生产，确保轧辊烫辊，合理的铸坯加热温度确保加热均热，轧制中关闭辊道冷却水保证较高的终轧温度，确保薄规格钢板轧制过程中板型控制良好，钢板采用正火处理，出炉后高温堆垛缓冷，降低冷速对钢板性能和板型的影响，确保钢板整体性能均匀性，获得良好的强度和冲击韧性；本发明有效解决薄规格钢板性能均匀性问题，成功实现5.5~10.5mm钢板整板性能均匀，且不同钢板性能相近，板型控制良好，可实现批量生产。

Description

一种薄规格且整板性能均匀的核电用钢板的制备方法
技术领域
本发明涉及薄规格核电用钢板技术领域，特别是一种薄规格且整板性能均匀的核电用钢板的制备方法。
背景技术
随着社会不断发展，水电、太阳能、风电、核能及潮汐等清洁能源逐步得到应用，其中核电能源自1951年首次利用以来，已有60多年的发展历史，其技术已较为成熟。核电与水电、风电相比不受地理条件限制，并具有储量丰富、低碳等特点，同时其安全性也备受关注。
安全壳作为防止放射性物质外逸的最后一道屏障，目前采用强度级别较低的265级别薄规格钢板作为钢衬，形成巨大的密闭空间。可容纳事故时从主系统喷出的高能汽水混合物，滞留放射性物质。同时发挥为系统提供厂房空间和基础，提供设备工作环境和操作空间等作用。为增加安全性，减少焊缝等应用特点，所需钢板不仅要求宽度，还要求性能均匀。但薄规格钢板生产中，受板宽及厚度影响，不同部位温降不均匀，容易导致同板温差过大，性能差异较大。因此，开发一种薄规格且整板性能均匀的核电用钢板是很有必要的。
发明内容
本发明的目的就是针对现有的核电用钢板强度级别较低，整板性能均匀性不够，导致作为核电用钢板时安全性不足的问题，提供一种薄规格且整板性能均匀的核电用钢板的制备方法。本发明钢板的厚度为5.50～10.50mm，屈服强度为295～350MPa，抗拉强度420～530MPa，延伸率≥28.0％，-25℃冲击吸收能量KV2大于100J，且整板性能均匀。
本发明的一种薄规格且整板性能均匀的核电用钢板的制备方法，包括铁水预处理—氧气顶底复吹转炉—炉外精炼—连铸—加热—控制轧制—正火—堆垛缓冷；其中：
(1)铁水预处理后S含量≤0.002％，130t顶底复吹转炉冶炼；LF炉控制钢水中的S含量；RH真空炉处理极限真空保持时间≥12min，并完成成分微调，成分微调后的钢水含有下述重量百分比含量的元素：C：0.04～0.20％；Si：≤0.20％；Mn：1.0～1.5％；P≤0.015％；S≤0.005％；Alt≤0.050％，As≤0.005％，余量为Fe及不可避免杂质；
(2)连铸过程中在结晶器处采用喂丝机加入稀土丝90～150g/t，稀土丝规格Φ3±0.5mm，要求稀土丝中稀土元素含量≥98％，铸坯断面200mm；铸机开浇正常后，将喂丝机推放至结晶器旁边，接好出口导管，出口端对准距中水口200～300mm且在结晶器厚度的中心线上；铸坯缓冷时间不低于24h；所述稀土丝是采用镧(La)和铈(Ce)的混合稀土金属丝，其化学元素组成及重量百分比含量如下：La≥43％，Ce≥55％，其余为其它稀土元素及杂质元素；
(3)轧制前排产钢板不低于20块，保证烫辊充分，具体烫辊材控制要求见下表：
Figure BDA0003074165810000021
(4)铸坯加热出炉温度1200～1280℃，出炉进行一次高压水除鳞，轧制过程中关闭辊道冷却水，直至轧制完成，轧制道次≤13道次，终轧温度不低于820℃；
(5)采用9辊矫直机进行预矫直，矫直温度为700～800℃，空冷下线；
(6)对轧制完成的钢板，采用真空辐射热处理炉进行正火处理，正火处理温度：850～920℃，到温保温时间1～2min/mm，钢板出炉后堆垛缓冷，并覆盖防火布，堆垛块数≥10块，堆垛温度不低于650℃，堆垛时间不低于24h。
所述钢板的厚度为5.50～10.50mm，屈服强度为295～350MPa，抗拉强度420～530MPa，延伸率≥28.0％，-25℃冲击吸收能量KV2大于100J，且整板性能均匀。
以下详述本发明钢的化学成分及工艺设定理由。
考虑该钢主要是要保证高强度、高韧性和良好的焊接性能。因此，炼钢时要严格控制钢水的纯净度，防止P、S含量对该钢低温韧性的影响。C、Mn的设计成分保证了钢的强度、韧性和焊接性能，稀土合金用来提高钢的低温韧性、抗氧化性。设置P≤0.015％，S≤0.005％，考虑到这几个元素对钢脆性影响较大，要严格限制其含量，减少钢的组织偏析倾向。
1.合金元素对钢性能的影响
C是提高钢材强度最有效的元素，随着C含量的增加，钢中Fe3C增加，淬硬性也增加，钢的抗拉强度和屈服强度提高。但是，增加钢中C含量，会增加钢板组织偏析程度，不利于低温韧性。因此，参考现有的调质压力容器钢的成分设计方案，本发明钢的C含量应控制在0.04％～0.20％。
Si具有固溶强化作用，使得铁素体的强度和硬度提高，但塑性和韧性却有所下降。同时钢中添加过高的Si，钢的辅照缺陷恢复能力降低。这表明含高Si具有稳定辐照缺陷的作用，使恢复效应不明显。可见，Si对辐照有害，因此本发明钢的Si含量限制在0.20％以内可满足要求。
Mn与碳的亲和力较强，是扩大奥氏体相区、细化晶粒和保证综合性能的有效元素，Mn元素是一种易偏析的元素，当偏析区Mn、C含量达到一定比例时，在钢材生产和焊接过程中会产生马氏体相，该相会表现出很高的硬度，对设备焊接性能有较大影响。因此，在设计该钢时将Mn含量限制在1.0～1.5％范围内。
Al是钢中的主要脱氧元素，在奥氏体中的最大溶解度大约0.6％。当Al含量偏高时，易导致钢中夹杂增多，对钢的韧性不利，同时会降低钢的韧性，提高钢中带状组织级别。因此将钢中Alt含量控制在0.050％以内。
P、S、As是钢中有害元素，增加钢的冷脆性，使焊接性能变坏，易形成偏析、夹杂物等缺陷，因此在钢中越低越好。
稀土合金：稀土元素能改善氧化膜的结构，提高金属材料的抗氧化性能。钢中加入稀土元素后，在氧化膜中出现Re2O3，氧化膜完整致密，沿晶界未发现高温腐蚀，明显地提高了抗氧化性能，延长了其使用寿命。稀土元素化学性质异常活泼，在钢液中易于与某些杂质反应生成比重较轻的化合物而从保护渣液中排出，同时也能使残留在钢液中的稀土硫化物、稀土硫氧化物等夹杂物在其形态和分布均匀性等得以改善，进而提高钢的冲击吸收能量。同时添加稀土元素，可以提高金属的冷弯性能和耐磨性能。本发明中稀土加入量控制在150g/t以内。
2.生产工艺设定的理由。
(1)炼钢工艺
铁水预处理可降低铁水中S含量，130t顶底复吹转炉冶炼；LF炉控制钢水中的S含量；RH真空炉处理极限真空保持时间≥12min，可较好的降低钢中杂质、气体含量。
连铸过程中在结晶器喂稀土丝工艺，是在铸机浇注过程中、用喂丝机将稀土丝线规格Φ3±0.5mm喂入结晶器钢水中，要求稀土丝中稀土含量≥98％。它是伴随着连铸生产工艺发展起来的一项提高铸坯质量的有效措施。
(2)轧钢工艺
本发明所制造的为薄规格钢板，为保证轧制顺利，在轧制前，需保证设备达到生产条件。因此组织合适的生产计划，达到烫辊目的。将连铸坯加热至1200～1280℃，确保温度均匀。采用高温快轧模式，终轧温度不低于820℃。轧制过程中关闭辊道冷却水，减少冷却水对钢板温降的影响，有效控制板型。由于钢板即薄，板幅较宽，轧制完成后可利用钢板自身冷却速度，迅速降温，控制奥氏体向铁素体转变的晶粒尺寸。
(3)热处理工艺
由于本发明所制造的钢板用于核电安全壳，除了良好的板型外，还要求钢板整体均匀性，并具有良好的冲击韧性。因此设计热处理工艺为正火，但钢板厚度较薄，经正火空冷后，钢板整体冷却速率不均匀，易造成钢板中部与头尾产生性能差异。为减小正火带来的钢板性能差异，采用正火后堆垛覆盖防火布冷却方式冷却。堆垛过程中，利用钢板自身温度逐步冷却，可产生自回火效应，使钢板降温速率均匀化，降低内应力，提高钢板整体性能均匀性，并获得极好板型。
本发明在成分设计上采用低碳和低硅，添加少量的稀土合金，严格控制P、S含量，使钢具有良好的强度和冲击韧性，兼顾辐照效应，并获得一定的抗氧化性能。其制备方法，轧制前排产相近厚度过渡生产，确保轧辊烫辊。合理的铸坯加热温度确保加热均热，轧制中关闭辊道冷却水及较高的终轧温度，确保薄规格钢板轧制过程中板型控制良好。钢板采用正火处理，并出炉后高温堆垛缓冷加盖防火布，降低冷速对钢板性能和板型的影响，确保钢板整体性能均匀性，获得良好的强度和冲击韧性。
本发明与现有技术相比，有效解决薄规格钢板性能均匀性问题，提高板型合格率。成功实现5.5～10.5mm钢板，整板性能均匀，且不同钢板性能相近，板型控制良好，可实现批量生产。
具体实施方式
为了更好地解释本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明的技术方案进行进一步的说明，下述实施例仅仅是示例性的说明本发明的技术方案，并不以任何形式限制本发明。
下表1是本发明各实施例钢及对比例钢冶炼完成后钢水主要成分列表及连铸时加入稀土丝的加入量(wt％)；
下表2是本发明各实施例及对比例轧制过程的工艺参数取值列表；
下表3是本发明各实施例及对比例热处理过程的工艺参数取值列表；
下表4是本发明各实施例钢板及对比例钢板的主要力学性能检验结果列表；
下表5是本发明各实施例钢板及对比例钢板夹杂物检测结果列表。
本发明各实施例的本发明的一种薄规格且整板性能均匀的核电用钢板的制备方法，包括铁水预处理—氧气顶底复吹转炉—炉外精炼—连铸—加热—控制轧制—正火—堆垛缓冷；其中：
(1)铁水预处理后S含量≤0.002％，130t顶底复吹转炉冶炼；LF炉控制钢水中的S含量；RH真空炉处理极限真空保持时间≥12min，并完成成分微调，成分微调后的钢水含有下述重量百分比含量的元素：C：0.04～0.20％；Si：≤0.20％；Mn：1.0～1.5％；P≤0.015％；S≤0.005％；Alt≤0.050％，As≤0.005％，余量为Fe及不可避免杂质；
(2)连铸过程中在结晶器处采用喂丝机加入稀土丝90～150g/t，稀土丝规格Φ3±0.5mm，要求稀土丝中稀土元素含量≥98％，铸坯断面200mm；铸机开浇正常后，将喂丝机推放至结晶器旁边，接好出口导管，出口端对准距中水口200～300mm且在结晶器厚度的中心线上；铸坯缓冷时间不低于24h；所述稀土丝是采用镧(La)和铈(Ce)的混合稀土金属丝，其化学元素组成及重量百分比含量如下：La≥43％，Ce≥55％，其余为其它稀土元素及杂质元素；
(3)轧制前排产钢板不低于20块，保证烫辊充分，具体烫辊材控制要求见下表：
Figure BDA0003074165810000061
(4)铸坯加热出炉温度1200～1280℃，出炉进行一次高压水除鳞，轧制过程中关闭辊道冷却水，直至轧制完成，轧制道次≤13道次，终轧温度不低于820℃；
(5)采用9辊矫直机进行预矫直，矫直温度为700～800℃，空冷下线；
(6)对轧制完成的钢板，采用真空辐射热处理炉进行正火处理，正火处理温度：850～920℃，到温保温时间1～2min/mm，钢板出炉后堆垛缓冷，并覆盖防火布，堆垛块数≥10块，堆垛温度不低于650℃，堆垛时间不低于24h。
表1本发明各实施例和对比例冶炼完成时钢水主要化学成分取值及连铸时稀土丝加入量/wt％
序号 C Si Mn P S Alt As 稀土加入量g/t
实施例1 0.12 0.20 1.25 0.015 0.004 0.025 0.005 100
实施例2 0.11 0.18 1.30 0.010 0.003 0.037 0.004 120
实施例3 0.17 0.15 1.00 0.012 0.005 0.045 0.005 90
实施例4 0.14 0.16 1.10 0.013 0.005 0.030 0.003 140
实施例5 0.15 0.19 1.15 0.014 0.003 0.030 0.005 120
实施例6 0.12 0.18 1.40 0.014 0.005 0.022 0.005 130
实施例7 0.15 0.19 1.27 0.015 0.002 0.027 0.006 90
对比例1 0.11 0.34 0.90 0.012 0.003 0.026 0.006 0
对比例2 0.17 0.25 1.20 0.020 0.007 0.030 0.007 0
对比例3 0.14 0.30 1.00 0.016 0.004 0.026 0.005 0
表2本发明各实施例及对比例轧制过程的工艺参数取值列表
Figure BDA0003074165810000071
表3本发明各实施例及对比例热处理过程的工艺参数取值列表
序号 正火温度/℃ 保温时间/min 堆垛温度/℃ 堆垛时间/h 不平度mm/m
实施例1 910 10 700 25 ≤3
实施例2 870 8 660 24 ≤3
实施例3 900 12 680 26 ≤3
实施例4 880 7 675 27 ≤3
实施例5 860 13 655 48 ≤3
实施例6 920 14 673 28 ≤3
实施例7 890 6 681 25 ≤3
对比例1 未处理 — — — 7
对比例2 920 17 未堆垛 — 6
对比例3 870 10 未堆垛 — 5.5
表4本发明各实施例钢板及对比例钢板的主要力学性能检验结果列表
Figure BDA0003074165810000081
表5本发明各实施例与对比例钢种的夹杂物检验结果
Figure BDA0003074165810000082
从上表3～5中可以看出，本发明实施例钢板的不平度≤3mm/m，而对比例钢板的不平度达到5.5mm/m及以上；本发明实施例钢板的抗拉强度、屈服强度、延伸率、-25℃冲击吸收能量KV2/J在头中尾性能测试中，均表现出良好的均匀性、良好的冲击韧性，同时板型控制良好，而对比例钢板则表现出明显的头中尾性能不均匀，板型控制不佳；在夹杂物检测结果中显示，本发明实施例钢板中A类、C类、DS类夹杂物均为0，B类、D类及杂物也很少，总夹杂物仅为0.5或没有夹杂物，说明坯料冶炼工序控制稳定，各元素配比合理，且在结晶器中加入稀土丝起到改善硫氧化物等夹杂物在其形态和分布均匀性的作用，保证钢质纯净。而对比例钢板的所有类型夹杂物均含量较高，总夹杂物含量在2.0，说明未添加稀土元素，夹杂物形态未得到有效改善，最终影响钢板冲击韧性。本发明实施例钢板轧制工艺，有效控制钢板晶粒长大，合理的热处理工艺，使钢板整体性能更加均匀。综上所述，本发明实施例钢板满足核电用钢要求，具备批量生产条件。

Claims (2)

1.一种薄规格且整板性能均匀的核电用钢板的制备方法，其特征在于包括铁水预处理—氧气顶底复吹转炉—炉外精炼—连铸—加热—控制轧制—正火—堆垛缓冷；其中：
（1）铁水预处理后S含量≤0.002%，130t顶底复吹转炉冶炼；LF炉控制钢水中的S含量；RH真空炉处理极限真空保持时间≥12min，并完成成分微调，成分微调后的钢水含有下述重量百分比含量的元素：C：0.04～0.20%；Si：≤0.20%；Mn：1.0～1.5%；P≤0.015%；S≤0.005%；Alt≤0.050%，As≤0.005%，余量为Fe及不可避免杂质；
（2）连铸过程中在结晶器处采用喂丝机加入稀土丝90～150g/t，稀土丝规格Φ3±0.5mm，要求稀土丝中稀土元素含量≥98%，铸坯断面200mm；铸机开浇正常后，将喂丝机推放至结晶器旁边，接好出口导管，出口端对准距中水口200～300mm且在结晶器厚度的中心线上；铸坯缓冷时间不低于24h；所述稀土丝是采用La和Ce的混合稀土金属丝，其化学元素组成及重量百分比含量如下：La≥43%，Ce≥55%；
（3）轧制前为保证烫辊充分排产20～25块钢板，具体烫辊材控制要求如下：采用钢种强度级别相同或相近钢板，厚度以2mm为控制梯度，每个厚度控制在4～5块，从厚到薄过渡至需要轧制的薄规格钢板厚度；宽度以≤200mm为控制梯度，每个宽度控制在4～5块，从窄到宽过度至需要轧制的薄规格钢板宽度；
（4）铸坯加热出炉温度1200～1280℃，出炉进行一次高压水除鳞，轧制过程中关闭辊道冷却水，直至轧制完成，轧制道次≤13道次，终轧温度不低于820℃；
（5）采用9辊矫直机进行预矫直，矫直温度为700～800℃，空冷下线；
（6）对轧制完成的钢板，采用真空辐射热处理炉进行正火处理，正火处理温度：850～920℃，到温保温时间1～2min/mm，钢板出炉后堆垛缓冷，并覆盖防火布，堆垛块数≥10块，堆垛温度不低于650℃，堆垛时间不低于24h。
2.根据权利要求1所述的一种薄规格且整板性能均匀的核电用钢板的制备方法，其特征在于：所述钢板的厚度为5.50～10.50mm，屈服强度为295～350MPa，抗拉强度420～530MPa，延伸率≥28.0%，-25℃冲击吸收能量KV2大于100J，且整板性能均匀。
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