CN114891994A - 一种核电用316h奥氏体不锈钢中厚板轧制晶粒度控制方法 - Google Patents

一种核电用316h奥氏体不锈钢中厚板轧制晶粒度控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种核电用316H奥氏体不锈钢中厚板晶粒度控制方法，所述方法包括对电渣重熔钢锭经锻造后得到的锻坯进行轧制和冷却，采用一种新型的“高温连续大压下+在线淬火”控轧控冷模式，开轧温度1150～1190℃，由粗轧机单机架完成，共10～14道次。其中，中间至少6道次连续单道次压下率＞15％，薄规格板大压下道次数量则更多，最大单道次压下率达到25.99％，终轧温度950～1080℃，轧后快速向前步进，进入在线淬火(DQ)机，通过DQ+ACC大水量冷却，使钢板在20～50秒内迅速降至常温，最大冷速达到约45℃/s。最后通过热处理对钢板进行固溶处理，使得≤50mm厚，≤3000mm宽的不锈钢板316H轧后晶粒度达到4级～6级，晶粒尺寸10～20μm，钢板表面与中心的晶粒度一致。

Description

一种核电用316H奥氏体不锈钢中厚板轧制晶粒度控制方法
技术领域
本发明属于轧制技术领域，具体涉及一种核电用316H奥氏体不锈钢中厚板轧制晶粒度控制方法。
背景技术
316H奥氏体不锈钢因添加Mo元素,具有比304类不锈钢更优异的耐蚀性能,不仅能耐稀硫酸，还能耐磷酸、各种有机酸、尿素及氯化物点蚀等。同时，随着钢中C含量的提高,耐高温性能逐渐增强。以上几点极大的扩展了316H的应用范围，在石油、化工、原子能、核电等工业设备、容器、管道、热交换器等领域得到广泛应用。
由于核级高温部件用奥氏体不锈钢对材料的性能要求极为严格，316H奥氏体不锈钢因其具有较好的高温力学性能而成为首选。在一些特殊用途方面，会采用厚度≥40mm的中厚板，为保证使用安全，对钢板各个位置的成分，纯净度，力学性能等均匀性方面提出了更高的要求。这其中，钢板晶粒度是一项重要指标，是过程控制的重点。在快堆工程中,要求晶粒度为3.5～6级,且级差小于2级,要求严苛。通常，奥氏体不锈钢的生产路线是：熔炼—铸造—锻造—板坯修磨—热轧—热处理(固溶)。过程工艺参数的不合适会导致产生粗晶或者混晶，影响产品交付。
有关研究论文《杨晓雅,何岸,谢甘霖,等.核电用奥氏体不锈钢的动态再结晶行为[J].工程科学学报,2015,37(11):1447-1455》、《程晓农,桂香,罗锐,等.核电装备用奥氏体不锈钢的高温本构模型及动态再结晶[J].材料导报,2019,33(11):1775-1781》、《乔思凡,赵志伟,许少言,等.固溶温度对316L不锈钢性能的影响[J]》、《王林,张明桥,黄小飞,等.锻造工艺参数对316LN不锈钢动态再结晶的影响[J].热加工工艺,2016,45(7):151-154》等指出奥氏体不锈钢在热加工和热处理过程中不发生相变，全奥氏体钢(如本专利研究对象)更是如此，因此晶粒度控制主要依靠再结晶进行。从再结晶角度出发，目前奥氏体不锈钢316H晶粒度控制的主要思路有：通过调整锻造工艺参数和轧后热处理工艺，例如上述研究论文和专利《高碳奥氏体不锈钢中厚板的晶粒度控制方法，申请号：CN202010371442.2》等。锻造工艺可以控制中间锻坯的晶粒尺寸，但表心晶粒尺寸不一，无法应用于中厚板(尤其一些较薄规格)的最终成型。热处理工艺主要是使晶粒均匀化，但对晶粒细化作用甚微，尤其对个别粗大晶粒。因此，由锻造、轧制带来的粗晶、混晶，热处理很难消除，往往需要设定复杂热处理工艺多次处理。轧制可以针对中厚板，在再结晶温度区间内，通过逐级变形将粗大晶粒连续破碎，压缩比大，晶粒破碎能力强，加上配套在线淬火(DQ+ACC)设备，可快速抑制轧后细晶粒长大，减少或消除粗晶、混晶，在轧制阶段获得细小均匀的晶粒。通过此轧制工艺控制316H中厚板晶粒度的研究鲜有报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种核电用316H奥氏体不锈钢中厚板晶粒度控制方法，通过轧制工艺参数优化，形成一套新型控轧+冷却模式，使得≤50mm厚，≤3000mm宽不锈钢板316H轧后晶粒度达到4级～6级，晶粒尺寸均匀。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种核电用316H奥氏体不锈钢中厚板晶粒度控制方法，316H主体成分设计，按照质量百分比为：C：0.04～0.05％，Si：≤0.6％，Mn：1.0～2.0％，Ni：11.5～12.5％，P：≤0.02％，S：≤0.003％，Cr：17.0～18.0％，Mo：2.5～2.7％。
以下对本发明中所含组分的作用及用量选择作具体说明：
C：是确保钢板强度所必须的元素，是强奥氏体形成元素，但过高的碳对耐腐蚀性也有不利影响。本发明控制其含量为0.04～0.05％。
Si：是钢中的脱氧元素，并以固溶强化形式提高钢的强度。Si含量低于0.10％时，脱氧效果较差，Si含量较高时降低韧性。本发明Si含量控制为≤0.6％。
Mn：是提高钢淬透性的元素，并起固溶强化作用以弥补钢中因C含量降低而引起的强度损失。当钢中Mn含量过低时，无法充分发挥强度确保的作用，但当Mn含量过高时则会增加其碳当量从而损坏焊接性能。另外，Mn易在钢板中心产生偏析，降低钢板中心部位的冲击韧性。因此，本发明Mn含量控制为1.0～2.0％。
Ni：是主要奥氏体形成元素，能减缓钢的腐蚀现象及在加热时晶粒长大。因此，本发明将其含量控制在11.5～12.5％。
Cr：是主要铁元素形成元素，铬与氧结合形成能生成耐腐蚀的Cr2O3钝化膜，是不锈钢保持耐蚀性的基本元素之一。因此，本发明将其含量控制在17.0～18.0％。
Mo：是碳化物形成元素，所形成的碳化物极为稳定，能组织奥氏体加热时的晶粒长大，减少钢的过热敏感性。另外，钼元素能使钝化膜更致密牢固，减少不锈钢的Cl-腐蚀性。本发明中Mo的含量控制在2.5～2.7％。
S、P：为钢中的有害杂质元素，易形成偏析、夹杂等缺陷。作为杂质元素会给钢板的韧性和焊接热影响区的韧性带来不利的影响，应尽量地减少其含量。本发明控制S≤0.003％、P≤0.02％。
如上所述的一种核电用316H奥氏体不锈钢钢板晶粒度控制方法，步骤如下：
1)冶炼：将原料按设计成分配料，并投入感应炉冶炼；
2)铸造：采用电渣重熔炉，得到电渣钢锭；
3)锻造：将电渣钢锭锻成250～350mm*1500～2500mm*L规格锻坯，锻后对板坯清理；
4)加热：锻坯采用步进式连续加热炉，加热速率10～15cm/min；其中预热段温度范围650～900℃，预热段时间1～2h；加热一段温度范围1000～1180℃，加热一段时间1～2h；加热二段温度范围1200～1280℃，均热段温度范围1220～1280℃；加热二段和均热段总时间约为3～4h，总加热时间5～8h，出钢温度1190～1250℃，优化的加热时间和温度的设定使坯料充分奥氏体化，具备良好的加热效果，确保后续大压下轧制顺行。
5)轧制：采用一种新型的“高温连续大压下+在线淬火急冷”控轧控冷模式，开轧温度1150～1190℃，由粗轧机单机架完成，共10～14道次。其中，中间至少连续6道次单道次压下率＞15％，较薄规格板大压下道次数量则更多，最大单道次压下率达到25.99％，终轧温度950～1080℃，轧制过程为奥氏体再结晶轧制，通过连续大压下，打破粗大晶粒，形成大量再结晶晶核，位错密度急剧增加，晶粒细化得到不断加强。
6)轧后冷却：轧后快速向前步进，进入在线淬火机(DQ)时温度为900～980℃，通过DQ+ACC(层流冷却)大水量冷却，使钢板在20～50秒内降至常温，最大冷速达到约45℃/s。如此快的冷速保证轧后钢板晶粒难以长大，进一步保证晶粒细化、均匀。
7)热处理(固溶)：对最终钢板进行固溶处理，消除杂质相，获得最终产品所需的晶粒、组织。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1)本发明依托宽板(4300mm)轧机的装备优势，充分发挥二级模型(Makondu设计)计算能力，可以针对厚度10～50mm，宽度1600～3000mm规格的核电用316H不锈钢板，实施“高温连续大压下+在线淬火急冷”控轧控冷模式细化晶粒，规格涵盖广；
2)本发明涉及的轧制过程，包含至少连续6道单道次压下率＞15％，最大单道次压下率25.99％，轧制温度区间1000～1190℃，轧制时间短，轧制压下大，有利于迅速在再结晶区完成轧制，晶粒细化效果显著；
3)本发明涉及的轧后冷却采用DQ+ACC超强冷却系统(DQ最大流量6080m3/h，ACC最大流量11200m3/h，20～50秒内使轧后钢板以最大45℃/s的冷速降至常温(冷却时间、冷速取决于钢板厚度)，使得不锈钢板316H在轧后有效控制晶粒长大，可有效保证轧后钢板晶粒度在4～6级。这为后续热处理创造极佳的条件，降低生产成本，提高产品质量。
附图说明
图1实施例1中40mm厚316H轧制表。
图2实施例2中32mm厚316H轧制表。
图3实施例1中40mm厚316H金相照片。
具体实施方式
下面结合实例对本发明内容作进一步说明。
实施例1
本实施例涉及的适于一种核电用316H奥氏体不锈钢的厚度为40mm，其化学成分按质量百分比设计为：C：0.04％，Si：0.6％，Mn：1.5％，Ni：11.5％，P：0.02％，S：0.003％，Cr：17.0％，Mo：2.5％及不可避免的杂质元素。
该40mm厚316H采用如下工艺来控制晶粒度
1)原料冶炼：将原料按设计成分配料，并投入感应炉冶炼；
2)电渣重熔：采用电渣重熔炉，得到电渣钢锭；
3)锻造及锻坯修磨，得到锻坯最终尺寸为：270*1650*2720mm
4)锻坯加热：坯料采用步进式连续炉加热，其中预热段温度范围680～900℃，预热段时间约1.0h；加热一段温度范围1050～1180℃，加热一段时间约1.0h；加热二段温度范围1250～1280℃，加热二段时间约1.5h；均热段温度范围1260～1280℃，均热段时间约1.5h
5)轧制：采用粗轧机单机架横轧到底模式，开轧温度1130℃，轧制总道次数为12道次，第6道到第11道，单道次压下率分别为15.15％、16.75％、17.69％、17.98％、18.65％和18.36％，轧制表如图1。轧制结束温度1050℃，轧制时间2.5分钟，得到最终钢板尺寸：40*2720*10000mm
6)冷却：轧后钢板快速向后流转，流转时间2分钟。进入DQ时温度为970℃。DQ单组上水量500m3/h，单组下水量900m3/h，共用4组。ACC单组上水量300m3/h，单组下水量600m3/h，共用16组。钢板在冷却设备中的冷却时间为50s，出冷却设备时钢板降至100℃以下，经换算计算冷速为18.7℃/s
经由上述制造工艺得到的40mm厚的316H钢板，轧后态晶粒度评级为4～6级，晶粒尺寸10～20μm，钢板表面与中心的晶粒度近乎一致，如图3。
实施例2
本实施例涉及的适于一种核电用316H奥氏体不锈钢的厚度为32mm，其化学成分按质量百分比设计为：C：0.04％，Si：0.55％，Mn：1.6％，Ni：12.0％，P：0.02％，S：0.003％，Cr：17.0％，Mo：2.5％及不可避免的杂质元素。
该32mm厚316H采用如下工艺来控制晶粒度
1)原料冶炼：将原料按设计成分配料，并投入感应炉冶炼
2)电渣重熔铸造：采用电渣重熔炉，得到电渣钢锭；
3)锻造及锻坯修磨，锻坯最终尺寸为265*1900*3000mm
4)锻坯加热：坯料采用步进式连续炉加热，其中预热段温度范围680～900℃，预热段时间约1.0h；加热一段温度范围1050～1180℃，加热一段时间约1.0h；加热二段温度范围1250～1280℃，加热二段时间约1.5h；均热段温度范围1260～1280℃，均热段时间约1.5h
5)轧制：开轧温度1130℃，轧制总道次数为14道次，第8道到第13道，单道次压下率分别为17.5％、18.31％、19.05％、18.81％、19.23％、18.88％，轧制表如图2。轧制结束温度1010℃，轧制时间2.5分钟。轧后钢板尺寸：32*3000*14500mm
6)冷却：轧后钢板快速向后流转，流转时间2分钟。进入DQ时温度为960℃。DQ单组上水量500m3/h，单组下水量800m3/h，共用4组。ACC单组上水量280m3/h，单组下水量600m3/h，共用16组。钢板在冷却设备中的冷却时间为38s，出冷却设备时钢板降至100℃以下，经换算计算冷速为22.76℃/s。
经由上述制造工艺得到的32mm厚316H钢板，晶粒度评级为4～6级，10～20μm且外面与中心的晶粒度一致。
尽管以上详细地描述了本发明的优选实施例，但是应该清楚地理解，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种核电用316H奥氏体不锈钢中厚板晶粒度控制方法，其特征在于：所述方法包括对电渣重熔钢锭经锻造后得到的锻坯进行轧制和冷却，最后通过热处理对钢板进行固溶处理，使得≤50mm厚，≤3000mm宽的不锈钢板316H轧后晶粒度达到4级～6级，晶粒尺寸10～20μm，钢板表面与中心的晶粒度一致。
2.根据权利要求1所述的一种核电用316H奥氏体不锈钢中厚板晶粒度控制方法，其特征在于：所述锻造工序中，电渣锭锻造形成的锻坯规格为250～350mm厚*1500～2500mm宽*L。
3.根据权利要求1所述的一种核电用316H奥氏体不锈钢中厚板晶粒度控制方法，其特征在于：所述方法在轧制前进行加热控制，锻坯采用步进式连续加热炉，加热速率10～15cm/min；其中预热段温度范围650～900℃，预热段时间1～2h；加热一段温度范围1000～1180℃，加热一段时间1～2h；加热二段温度范围1200～1280℃，均热段温度范围1220～1280℃；加热二段和均热段总时间约为3～4h，总加热时间5～8h，出钢温度1190～1250℃。
4.根据权利要求1所述的一种核电用316H奥氏体不锈钢中厚板晶粒度控制方法，其特征在于：所述轧制过程采用高温连续大压下和在线淬火急冷的控轧控冷模式。
5.根据权利要求4所述的一种核电用316H奥氏体不锈钢中厚板晶粒度控制方法，其特征在于：轧制工序中，锻坯轧制而成的钢板规格为10～50mm厚*1600～3000mm宽*L，开轧温度1150～1190℃，由粗轧机单机架完成，共10～14道次，其中中间至少连续6道次单道次压下率＞15％，较薄规格板大压下道次数量则更多，最大单道次压下率达到25.99％，终轧温度950～1080℃，轧制过程为奥氏体再结晶轧制，通过连续大压下，打破粗大晶粒，形成大量再结晶晶核，位错密度急剧增加，晶粒细化得到不断加强。
6.根据权利要求4所述的一种核电用316H奥氏体不锈钢中厚板晶粒度控制方法，其特征在于：轧后冷却过程为轧后快速向前步进，进入在线淬火机(DQ)时温度为900～980℃，通过DQ+ACC大水量冷却。
7.根据权利要求6所述的一种核电用316H奥氏体不锈钢中厚板晶粒度控制方法，其特征在于：所述DQ单组上水量为500～650m3/h，下水量为800～900m3/h，共计4组，DQ最大流量6080m3/h；ACC单组上水量200～300m3/h，下水量500～600m3/h，共计16组，ACC最大流量14400m3/h，使钢板在20～50秒内降至常温，最大冷速达到约45℃/s。
8.根据权利要求1所述的一种核电用316H奥氏体不锈钢中厚板晶粒度控制方法，其特征在于：对于轧后冷却的钢板进行固溶处理，先缓升至1000～1100℃，保温1～3小时，快速水冷至室温。
9.根据权利要求1所述的一种核电用316H奥氏体不锈钢中厚板晶粒度控制方法，其特征在于：所述316H奥氏体不锈钢按质量百分数计的化学成分为：C：0.04～0.05％，Si：≤0.6％，Mn：1.0～2.0％，Ni：11.5～12.5％，P：≤0.02％，S：≤0.003％，Cr：17.0～18.0％，Mo：2.5～2.7％。
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