CN114318137B - 一种核电用奥氏体不锈钢板及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高温性能优异的核电用奥氏体不锈钢板及其制造方法，所述不锈钢板的化学成分按重量百分比计为C:0.08％～0.20％、Si≤0.75％、Mn≤2.0％、P≤0.035％、S≤0.015％、Ni:10.00％～14.00％、Cr:16.00％～18.00％、Mo:2.10％～3.00％、Zr:0.10％～0.50％、N:0.15％～0.20％；其余为Fe及不可避免的杂质。所述不锈钢板的生产过程包括：冶炼‑连铸‑加热‑轧制‑矫直‑固溶处理；本发明所制造的成品不锈钢板具有优异的常温及高温强度和良好的抗晶间腐蚀性能。

Description

一种核电用奥氏体不锈钢板及其制造方法

技术领域

本发明涉及不锈钢生产技术领域，尤其涉及一种高温性能优异的核电用奥氏体不锈钢板及其制造方法。

背景技术

目前，我国核电用奥氏体不锈钢主要代表牌号为S30403或S31603，这类材料的常温及高温强度较低，无法较好的应用于高温、高压的工况环境。为了提高此类材料的强度(特别是高温强度)，部分设计单位会采用含碳量更高的S30408或S31608进行替代。但是随着材料中碳含量的增加，其抗晶间腐蚀能力则会下降，特别是经过敏化处理后材料的抗晶间腐蚀能力会急剧劣化。为了改善材料的抗晶间腐蚀性能，材料设计人员一般会向奥氏体不锈钢中添加一定量的钛或铌，其添加量将随着材料中碳含量的增加而增加。一旦钛或铌添加过量，其在焊接过程中会引起焊接接头脆化，降低材料的塑性和韧性。

因此，如何在提升材料强度的同时，保证其具有良好的抗晶间腐蚀性能，始终是摆在核电材料开发人员面前的一道难题。

公开号为CN107740002 A的中国专利申请公开了“一种新型控氮奥氏体不锈钢及其制备方法”，其制备的奥氏体不锈钢具有较好的抗晶间腐蚀能力，但由于材料中的C含量较低，其室温及高温强度偏低，其中室温抗拉强度为584MPa，350℃抗拉强度为405MPa,无法用于制造运行在高温环境下的核级设备。

公开号为CN109576599 A的中国专利申请公开了“抗晶间腐蚀高强度奥氏体不锈钢”，其制备的奥氏体不锈钢提升抗晶间腐蚀能力的主要手段是降低材料中的碳含量，同时添加一定量的钛，钛优先与碳生成碳化钛，避免析出碳化铬造成晶界贫铬，从而有效防止晶间腐蚀。但由于材料中的碳含量较低，将不可避免的造成材料常温及高温强度偏低。

为了解决上述问题，亟待开发出具有优异高温性能且具有良好抗晶间腐蚀的新型核电用奥氏体不锈钢。

发明内容

本发明提供了一种高温性能优异的核电用奥氏体不锈钢板及其制造方法，不锈钢板在成分设计方面，采用高碳成分，确保钢板具有良好的常温及高温性能；同时添加一定含量的Zr元素，在提升钢板强度的同时改善钢板的晶间腐蚀性能；在制造工艺方面，采用分阶段轧制+矫直+固溶处理的工艺，保证成品钢板具有优异的常温及高温强度和良好的抗晶间腐蚀性能。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种高温性能优异的核电用奥氏体不锈钢板，所述不锈钢板的化学成分按重量百分比计为C:0.08％～0.20％、Si≤0.75％、Mn≤2.0％、P≤0.035％、S≤0.015％、Ni:10.00％～14.00％、 Cr:16.00％～18.00％、Mo:2.10％～3.00％、Zr:0.10％～0.50％、N:0.15％～0.20％；其余为Fe 及不可避免的杂质。

一种高温性能优异的核电用奥氏体不锈钢板的制造方法，所述不锈钢板的生产过程包括：冶炼-连铸-加热-轧制-矫直-固溶处理；具体如下：

1)采用电炉冶炼、VOD真空处理；

2)连铸重点控制浇铸温度，中间包钢水浇铸温度≤1580℃，采用电磁搅拌或连铸坯轻压下工艺，压下率控制在8％～12％；

3)连铸坯加热温度为1170～1230℃，均热时间1～3h；

4)采用两阶段控轧工艺；其中，一阶段终轧温度≥1050℃，单道次压下率≥10％；二阶段开轧温度≤950℃，单道次压下率≤5％；中间坯采用冷却水冷却；

5)钢板冷却至室温后进行矫直，变形量3％～5％；

6)轧后钢板采用固溶处理，固溶温度为1050～1080℃，净保温时间1～2min/mm。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)不锈钢板在成分设计方面，采用高碳成分，确保钢板具有良好的常温及高温性能；同时添加一定含量的Zr元素，在提升钢板强度的同时改善钢板的晶间腐蚀性能；

2)在制造工艺方面，采用分阶段轧制+矫直+固溶处理的工艺，保证成品钢板具有优异的常温及高温强度和良好的抗晶间腐蚀性能。

具体实施方式

本发明所述一种高温性能优异的核电用奥氏体不锈钢板，所述不锈钢板的化学成分按重量百分比计为C:0.08％～0.20％、Si≤0.75％、Mn≤2.0％、P≤0.035％、S≤0.015％、 Ni:10.00％～14.00％、Cr:16.00％～18.00％、Mo:2.10％～3.00％、Zr:0.10％～0.50％、N:0.15％～ 0.20％；其余为Fe及不可避免的杂质。

一种高温性能优异的核电用奥氏体不锈钢板的制造方法，所述不锈钢板的生产过程包括：冶炼-连铸-加热-轧制-矫直-固溶处理；具体如下：

1)采用电炉冶炼、VOD真空处理；

2)连铸重点控制浇铸温度，中间包钢水浇铸温度≤1580℃，采用电磁搅拌或连铸坯轻压下工艺，压下率控制在8％～12％；

3)连铸坯加热温度为1170～1230℃，均热时间1～3h；

4)采用两阶段控轧工艺；其中，一阶段终轧温度≥1050℃，单道次压下率≥10％；二阶段开轧温度≤950℃，单道次压下率≤5％；中间坯采用冷却水冷却；

5)钢板冷却至室温后进行矫直，变形量3％～5％；

6)轧后钢板采用固溶处理，固溶温度为1050～1080℃，净保温时间1～2min/mm。

本发明所述一种高温性能优异的核电用奥氏体不锈钢板中，各化学元素的作用分析如下：

C是钢中的主要强化元素，其在钢中形成碳化物M23C6和MX，能够提升钢板的常温及高温强度。此外，C作为奥氏体形成元素还能抑制钢中高温铁素体的形成。但是过高的C含量不仅增加焊接热影响区硬度以及焊后再加热开裂，同时也不利于钢板的长时高温性能。因此，本发明将C含量限定在0.08％～0.20％。

Si是钢中的主要脱氧元素，但其含量过高易造成晶界脆化，降低钢板的强度。因此，本发明将Si含量限定在0.75％以下。

Mn是钢中奥氏体形成元素，但其在高温环境下长期使用不利于钢板的强度和韧性。因此，本发明将Mn含量限定2％以下。

P、S是钢中有害杂质元素，理论上其含量越低越好，但过分降低将会导致制造成本大幅增加。因此，本发明中限定P含量≤0.035％、S含量≤0.015％。

Ni是钢中奥氏体形成元素，其不仅能够抑制钢中高温铁素体的形成，同时其与Cr元素配合使用保证钢板具有良好的抗氧化腐蚀性能。但是其价格昂贵，添加过多会导致生产成本大幅增加，因此本发明中Ni含量限定在10.00％～14.00％。

Cr是提高钢板抗高温氧化性能和高温耐腐蚀性能的主要元素，同时也是形成M23C6 碳化物的关键元素。然而其添加过量将导致碳化物粗化，进而造成钢板高温强度及韧性的降低。因此，本发明中Cr含量限定在16.00％～18.00％。

Mo在钢中作为固溶强化的主要元素，能够大幅提升钢板强度，同时Mo元素对M23C6碳化物还能起到强化作用。因此，本发明将Mo含量限定在2.10％～3.00％。

Zr是钢中的主要强化元素，其在晶界以碳化物的形式析出，使晶界得到强化进而提升钢板的常温及高温性能；同时由于Zr的碳化物大量析出，进而抑制了Cr在晶界的析出，防止晶界附近出现“贫铬区”，增加了钢板抗晶间腐蚀性能。本发明限定Zr含量为0.10％～0.50％。

N是强烈的奥氏体形成和稳定化元素，在奥氏体耐热钢中还能取代部分Ni元素形成更加稳定的奥氏体组织。在显著提高钢板强度的同时还不损害其延展性。因此，本发明中N含量限定在0.15％～0.20％。

本发明所述一种高温性能优异的核电用奥氏体不锈钢板的生产工艺路线是：冶炼-连铸-加热-轧制-矫直-固溶处理。其中：

连铸工艺重点是控制浇铸温度，中间包钢水浇铸温度≤1580℃，采用低温浇铸的好处是可以细化原始铸态组织。为控制连铸坯中心偏析、疏松，采用电磁搅拌或连铸坯轻压下工艺。

连铸坯加热温度为1170～1230℃，均热时间1～3h。加热温度低于1170℃时，连铸坯中粗大的析出物无法溶解，同时无法保证一阶段终轧温度；而加热温度高于1230℃时，容易使连铸坯中细小的析出物溶解。

连铸坯的轧制工艺采用两阶段控轧工艺。其中一阶段终轧温度≥1050℃，在此阶段采用大变形量进行快速轧制，单道次压下率≥10％，确保钢板近表面发生完全动态再结晶；二阶段开轧温度≤950℃，此阶段采用小变形量进行快速轧制，单道次压下率≤5％，确保钢板近表面不再发生再结晶。中间坯采用冷却水进行快速冷却，防止晶粒长大。

钢板冷却至室温后进行矫直，矫直的目的是增加钢板表面附近的孪晶和特殊小角度晶界并降低亚结构比例，这是提高钢板表面抗晶间腐蚀的关键工艺。

以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。下述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。

【实施例】

本实施例中，一种高温性能优异的核电用奥氏体不锈钢板的化学成分如表1所示：

表1钢板化学成分(wt％)

实施例	C	Si	Mn	P	S	Ni	Cr	Mo	Zr	N
											1	0.114	0.12	0.76	0.012	0.006	10.09	16.18	2.20	0.12	0.158
2	0.130	0.21	0.87	0.013	0.008	11.31	16.53	2.38	0.14	0.165
											3	0.145	0.44	1.07	0.019	0.010	12.33	16.62	2.54	0.19	0.169
4	0.155	0.53	1.10	0.021	0.011	12.88	17.13	2.71	0.23	0.176
											5	0.177	0.61	1.18	0.027	0.012	13.32	17.45	2.89	0.34	0.183
6	0.193	0.73	1.78	0.034	0.013	13.47	17.89	2.97	0.47	0.199

一种高温性能优异的核电用奥氏体不锈钢板的的生产过程及主要控制的工艺参数如下：

冶炼及连铸工艺：采用电炉加热、VOD真空处理等完成相应钢水的冶炼。

板坯连铸工艺：中间包钢水浇铸温度采用1550℃的低温浇铸，以细化原始铸态组织。为控制连铸坯中心偏析、疏松，采用连铸坯轻压下工艺，压下率控制在10％，连铸坯的断面厚度为200mm。

加热及轧制工艺：连铸坯采用1200℃、在炉时间5小时的加热制度，其中均值时间1小时。连铸坯采用两阶段轧制，其中一阶段终轧温度≥1050℃，单道次压下率保证在≥10％；二阶段开轧温度≤950℃，单道次压下率保证≤5％。成品钢板厚度8mm、22mm、31mm、45mm、 53mm和60mm。

本实施例矫直工艺：矫直变形量3％～5％。

本实施例固溶处理工艺：成品钢板固溶温度为1050～1080℃，净保温时间1～2min/mm。

具体工艺参数如表2、表3所示；成品性能如表4-表6所示。

表2钢板轧制工艺参数

表3钢板固溶工艺参数

表4钢板常温性能

实施例	厚度mm	R<sub>p0.2</sub>/MPa	R<sub>m</sub>/MPa	A/％	HBW
						1	8	433	802	48.6	180
2	22	447	809	47.5	182
						3	31	455	823	46.4	198
4	45	470	836	45.9	203
						5	53	481	842	45.3	210
6	60	492	850	44.5	217

表5钢板高温性能

表6钢板晶间腐蚀结果

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种核电用奥氏体不锈钢板的制造方法，其特征在于，所述不锈钢板的化学成分按重量百分比计为C:0.155%～0.20%、Si≤0.75%、Mn≤2.0%、P≤0.035%、S≤0.015%、Ni:10.00%～14.00%、Cr:16.00%～18.00%、Mo:2.10%～3.00%、Zr:0.23%～0.50%、N:0.15%～0.20%；其余为Fe及不可避免的杂质；

所述不锈钢板的生产过程包括：冶炼-连铸-加热-轧制-矫直-固溶处理；具体如下：

1）采用电炉冶炼、VOD真空处理；

2）连铸重点控制浇铸温度，中间包钢水浇铸温度≤1580℃，采用电磁搅拌或连铸坯轻压下工艺，压下率控制在8%～12%；

3）连铸坯加热温度为1170～1230℃，均热时间1～3h；

4）采用两阶段控轧工艺；其中，一阶段终轧温度≥1050℃，单道次压下率≥10%；二阶段开轧温度≤950℃，单道次压下率≤5%；中间坯采用冷却水冷却；

5）钢板冷却至室温后进行矫直，变形量3%～5%；

6）轧后钢板采用固溶处理，固溶温度为1050～1080℃，净保温时间1～2min/mm。