CN114959459B - 一种先进核电机组堆芯壳筒体用钢板及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种先进核电机组堆芯壳筒体用钢板及其制造方法。本发明组分及质量百分比含量为：C：0.10％～0.14％、Si：0.20％～0.30％、Mn：0.30％～0.60％、P≤0.006％、S≤0.002％、Cr：1.65％～1.95％、Mo：0.80％～1.20％、Ni：0.80％～1.20％、Nb：0.04％～0.08％、V：0.10％～0.20％、Ti：0％～0.03％、Alt：0％～0.02％、Ca：0.001％～0.004％、N：0.01％～0.03％、Sn≤0.001％、H≤0.0001％、O≤0.0020％，余量为Fe及不可避免夹杂，抗高温回火脆化系数J＝(Si+Mn)×(P+Sn)×104≤50。本发明提供的钢板及其制造方法能够保证堆芯壳筒体钢板的综合性能要求。

Description

一种先进核电机组堆芯壳筒体用钢板及其制造方法
技术领域
本发明涉及金属材料领域，尤其涉及一种先进核电机组堆芯壳筒体用钢板及其制造方法。
背景技术
核能作为世界上清洁高效的能源之一，已经被人类利用了70余年。进入二十一世纪以来，人类频繁的活动和全球经济的发展与能源短缺和极端气候的矛盾日益凸显，在这样全球一体化的背景下，核能的优势显得更加突出。因此和平发展更先进核能仍是时代所趋。目前，核能技术在经历了第一代试验性原型堆、第二代压水堆、第三代先进轻水堆的发展后，包含钠液冷却快堆、气冷快堆、铅液冷却快堆、超高温气冷堆、熔盐反应堆和超临界水冷堆等第四代先进核技术被全球核能专家提出，成为未来核电技术的发展方向。
第四代核能技术的主要特点是安全性更好、经济性更好、核废物量少，同时能有效防止核扩散。因此对核技术和核设备提出了非常高的要求，例如核一级部位的堆芯支承用的结构钢，不仅处于高温和氢环境状态，而且受到快中子的强烈辐照，基体脆化和分解水致氢腐蚀的风险是前几代核电机组的数倍，对关键材料提出了非常高的技术指标要求。因此开发满足第四代先进核电站需求的关键核设备、关键核材料已成为当今世界核能大国迫切需要解决的核心难题。
本发明之前，公开的发明专利“核电反应堆压力容器堆芯筒体锻件热处理工艺方法”(公开号CN2009100557359.1)，从公开的成分、生产方法和有益效果来看，该专利明确牌号为16MND5，该牌号被广泛用于三代核电设备的制造，使用温度为350℃，对于使用温度和技术要求更高的四代核电设备不适用。
上述公开的发明专利主要涉及第三代核电设备所需的金属材料，相对于第四代核电技术所需的关键材料，其特点为高温使用温度相对低、接触环境无氢，焊后热处理时间短、材料力学性能指标相对单一。因此急需开发满足第四代核电站关键设备所需的关键材料。
为此，本发明针对第四代核电装备堆芯壳筒体对钢材纯净度要求高、500℃的高温热强性和断裂韧度、低的NDT温度、优异的抗氢致开裂性能及高温长时间焊后热处理后的组织性能稳定和加工成型好等技术特点，发明满足先进核电机组关键设备所需的新材料和新工艺。
发明内容
根据上述提出的技术问题，而提供一种先进核电机组堆芯壳筒体用钢板及其制造方法。本发明旨在采用全新的化学成分设计和适宜的生产工艺，在中低C、Si、Mn成分基础上，复合添加Cr、Mo、Ni、Nb、V、Ti及N合金元素，严格控制有害元素P、S、Sn及气体O、H含量，配以独特的冶炼、轧制及热处理生产工艺，获得耐500℃高温强度、良好的高温断裂韧度、低温落锤及抗氢致开裂性能的优异钢板，满足四代核先进核电机组堆芯壳筒体制造及使用要求。本发明采用的技术手段如下：
一种先进核电机组堆芯壳筒体用钢板，其组分及质量百分比含量为：C：0.10％～0.14％、Si：0.20％～0.30％、Mn：0.30％～0.60％、P≤0.006％、S≤0.002％、Cr：1.65％～1.95％、Mo：0.80％～1.20％、Ni：0.80％～1.20％、Nb：0.04％～0.08％、V：0.10％～0.20％、Ti：0％～0.03％、Alt：0％～0.02％、Ca：0.001％～0.004％、N：0.01％～0.03％、Sn≤0.001％、H≤0.0001％、O≤0.0020％，余量为Fe及不可避免夹杂，抗高温回火脆化系数J＝(Si+Mn)×(P+Sn)×104≤50。
进一步地，供货态的常温500MPa≤Rel≤520MPa、610MPa≤Rm≤640MPa、500℃的470MPa≤Rm≤485MPa；700℃×26h焊后热处理态的450MPa≤Rm(500℃)≤470MPa、KV2(80℃)≥420J、TNDT≤-40℃、HIC(A溶液)的CSR为0％、280MPa·m1/2≤KIC≤285MPa·m1/2，获得了厚度规格40～65mm的筒体钢板。
本发明的各化学组分的选用原理及含量设计原因如下：
C：本发明中主要固溶态的C和化合态的C保证钢的热处理和焊后热处理态的高温抗拉强度，但较多的碳含量影响钢韧性和焊接性能，因此本发明将C含量范围设定为0.10％～0.14％。
Si：是炼钢过程中良好的还原剂和脱氧剂，特别是与Alt联合使用，能显著增加Alt的脱氧能力。Si在高温下表面形成一层致密的、抗氧化SiO2保护膜，另外，Si与Mo联合作用形成MoSi2，一种金属间化合物，其晶体结构中的原子结合呈现金属健和共价键共存的特征，具有优良的高温抗氧化性，因此作为优选的实施方式，本发明Mo/Si比限定为2.80～5.50之间，保证形成一定量的MoSi2结构。但在350～550℃回火脆化温度范围，过高的硅含量将导致钢的回火脆化敏感性升高，所以本发明不宜过多添加硅元素，因此本发明将Si含量范围设定为0.20％～0.30％。
Mn：本发明中由于Si、Alt等脱氧剂的添加量较少，Mn的添加弥补了脱氧不足的效果，另外Mn作为固溶强化能力强的合金元素，能够提高基体强度，但Mn是提高回火脆性的敏感元素，本发明需要严格控制，因此本发明将Mn含量范围设定为0.30％～0.60％。
S、P：作为钢中的有害元素，为保证钢质的纯净度、J系数和断裂韧度等综合指标必须严格控制，因此限定为S≤0.002％，P≤0.006％。
Cr：作为强碳化形物成元素，它与钢中的Fe、Mn、Mo组合生成稳定的M23C6结构的合金碳化物，保证长时焊后热处理态的高温性能，同时发挥Cr的高温抗氧化和氧化腐蚀作用，但Cr含量过高会提高钢的脆性转变温度，本发明将Cr含量范围设定在1.65％～1.95％。
Mo：提高钢的淬透性，保证钢的基体强度，同时Mo是强碳化物形成元素，与碳元素形成稳定的Mo2C热强化相，起到高温强化作用，另外本专利添加了较多的Cr元素和一定的Mn元素，它们极易与P、Sn等杂质元素在晶界处发生共偏聚现象，引起高温回火脆化，影响钢的高温性能。而Mo的作用正相反，促使P在晶内沉淀防止晶界偏聚，因此作为优选的实施方式，本发明限定(Cr+Mn)/Mo为1.65～2.90，以此保证堆芯壳筒体钢在500℃工作时的组织、性能稳定性，但Mo含量过高反而会导致钢的脆化，本发明将Mo含量范围设定在0.80％～1.20％。
Ni：在本发明中Ni元素主要提高钢的抗氢腐蚀性，塑韧性，降低铁素体无塑性转变温度，防止因核辐照作用引起的无延性转变温度的升高，但Ni含量过高会降低材料的抗辐照作用，因此本发明将Ni含量范围设定在0.80％～1.20％。
Nb：在本发明中起细化晶粒的作用，通过晶粒细化提高钢强韧性和抗氢致开裂性能，另外通过形成碳化物消耗碳的方式，也可使钢具有很好的抗氢性能。因此Nb含量限定在0.04％～0.08％。
V：在本发明中加入量较多，主要作用之一是在长时间高温焊后回火处理过程中与C、N元素形成的碳、氮复合化物非常稳定，保证了高温焊后热处理态的高温强度；其次V将C固定于钒碳化合物中，大大提高了钢在高温高压下的抗氢稳定性；另外，V合金的添加有效抑制辐照诱起的Cr、Mn元素在晶界偏析，因此V含量限定在0.10％～0.20％。
Ti：是强铁素体形成元素之一，在本发明中Ti元素作为参与或少量添加元素体现，若添加则会强烈地提高钢的A1和A3温度。钛在钢中能提高塑性和韧性。由于钛固定了碳和氮并形成碳、氮化钛，提高了钢的强度。经正火热处理后使晶粒细化，析出形成碳化物可使钢的塑性和冲击韧性得到显著改善，因此Ti含量限定在0％～0.03％。
Alt：在本发明中Alt元素作为参与或少量添加元素体现，发挥脱氧剂作用，不添加或少量Alt主要是保证钢质的纯净度，防止生成铝的氧化物影响疲劳性能，因此Alt含量限定在0％～0.02％。
Ca：本发明夹杂物通过Ca的球化处理，MnS夹杂物变成CaS或含CaS的复合夹杂，使Al2O3类夹杂成为铝酸钙型氧化物夹杂，这类夹杂物为球形，呈弥散分布，在钢的轧制温度下基本不变形，轧制后仍为球形，因此Ca处理可以使钢的氢致开裂敏感性下降。但Ca加入过多，形成Ca(O，S)尺寸过大，脆性也增大，可成为断裂裂纹起始点，降低钢的低温韧性、延伸性及焊接性，同时降低钢质纯净度，因此本发明将Ca含量范围设定为0.001％～0.004％。
N：与Nb、V等元素形成氮化物，在晶界沉淀析出，钉扎晶界细化晶粒，起到提高晶界高温强度作用，因此N含量限定在0.01％～0.03％。
Sn：是钢中的残余元素，不仅影响钢质纯净度，而且作为影响回火脆性J系数的重要元素，必须严格控制，因此Sn含量限定在≤0.001％。
H、O：作为有害气体存在会引起诸多缺陷，如H引起钢中产生“白点”或“氢脆”等缺陷，严重影响材料的使用寿命和设备安全；O与Al、Si元素形成非金属氧化物，影响钢质纯净度和材料力学性能，必须严格加以控制，因此O含量限定在≤0.0020％，H含量限定在≤0.0001％。
为实现本发明的目的，本发明还公开了一种技术方案，即一种先进核电机组堆芯壳筒体用钢板的生产方法，包括铁水预处理—转炉脱磷—转炉脱碳—炉外精炼(LF+RH)—板坯连铸—堆垛缓冷—铸坯清理—电渣重熔—电渣钢锭缓冷—钢坯加热—成品轧制—热矫直—缓冷—热处理—探伤—检查、检验工艺步骤，本发明主要具体工艺步骤如下：
1)冶炼工艺：钢水冶炼在转炉中进行，采用优质废钢和铁水作为原料，铁水含量控制在70～80％，同时为有效降低有害元素P含量，脱磷和脱碳采用转炉分开冶炼，其中脱磷吹氧控制在7～10min，脱碳吹氧控制在8～12min，最终将磷质量分数降至0.006％以内；在LF精炼炉进行深脱硫处理，硫含量控制在0.002％以下，同时向钢中喂CaSi线进行钙处理，喂丝速度为200～350m/min，喂丝深度在渣层以下1.0～2.0m处，该处理改变非金属夹杂物的形态，形成细小的CaS或铝酸钙球状夹杂物质点，增加钢坯等轴率的同时净化钢质，提高纯净度，改善钢的抗氢性能，生成的渣层厚度60～90mm，确保夹杂物充分上浮；脱气在RH炉内完成，净循环时间10～15min，开浇前镇静时间3～5min。
2)浇铸工艺：破真空后采用连铸机浇铸，过热度20～30℃，浇注过程要稳定恒速，铸坯下线进堆垛缓冷，堆垛缓冷时间36～54h，300℃以下解垛，防止因急冷导致铸坯内部产生裂纹。
3)电渣重熔工艺：为进一步提高钢质纯净度，消除偏析、疏松等内部缺陷，降低非金属夹杂物，均匀化铸态组织，电渣重熔工序的加入对于高温性能和抗氢致开裂性至关重要。本发明采用300～400mm厚度规格的电渣钢锭轧制65mm及以下规格筒体钢板，电渣钢锭脱模后堆垛缓冷时间48～72h，300℃以下解垛空冷。
4)加热工艺：通过控制钢坯的加热工艺，确保合金元素充分固溶，并有效抑制原始奥氏体晶粒长大，电渣钢锭加热温度控制在1180～1250℃，加热时间8～10h，均热时间0.5～1.0h。
5)控轧工艺：再结晶区开轧温度1050～1150℃，再结晶区单道次变形率10～14％，且前三道每道次压下率均≥12％，总变形率≥50％，中间坯厚度为成品钢板的2.0～4.0倍；未再结晶区开轧温度850～900℃，未再结晶区终轧温度820～850℃，未再结晶区累计变形率≥50％。上述参数的设计是基于钢种的成分和性能要求决定的，通过钢中添加的Nb、V、Ti微合金元素与C、N元素有机结合最大限度的发挥其弥散析出强化及细化晶粒作用，得到相对细化的轧态组织，为后续热处理提供相对均质的轧制组织，成品厚度40～65mm。
6)热处理工序：为获得满足本发明苛刻性能要求的组织形态，需要通过最终热处理工艺完成，本发明采用高温正火+亚温淬火+高温回火的多次热处理工艺，本发明钢种的AC3温度大致为870℃，高温正火温度按AC3+(80～130)℃设计，即950℃～1000℃，保温时间为0.5min/mm～1.0min/mm，空冷至室温。该工艺消除了轧件温度不均轧产生的晶粒差异和组织偏析，较大的晶粒差异和偏析带的出现极易降低产品的抗氢致开裂性能；亚温淬火温度为800～850℃，保温时间1.0～1.5min/mm，冷却速度为5～10℃/S，返红温度350～450℃后随空气冷却至室温，通过两相区加热，未溶的铁素体更易细化晶粒，获得铁素体和贝氏体混合的双相组织。
另外，为了获得本发明产品优异加工性能和使用性能，根据设计许用应力推算材料的热处理态抗拉强度上限不超过640MPa，同时还要保证500℃下的焊后热处理态抗拉强度不小于450MPa，因此需要通过精准的回火热处理进一步进行工艺进行组织、性能调控。本发明设计了710～730℃的回火温度，保温时间60min+2.0～4.0min/mm，该回火工艺下下贝氏体组织回复软化，(Fe、Mn、Cr、Mo)23C6结构的合金碳化物未聚集长大，呈高度球化状弥散分布于贝氏体铁素基体或晶界处，这种组织结构的特点是高温稳定性极强，经过700℃×26h的焊后热处理后组织结构性不发生变化，能够保证长时焊后热处理的综合性能，特别是高温强韧性、断裂韧性和低温落锤性能。
本发明具有以下优点：
1、在中低C、Si、Mn成分基础上，严格控制有害元素P、S、Sn及气体O、H含量，控制回火脆化系数在50以下，通过复合添加Cr、Mo、Ni、Nb、V、Ti及N合金元素结合制造工艺获得含有10％～15％未溶铁素体和回火贝氏体复合组织，其中贝氏体组织中包含大量弥散析出的(Fe、Mn、Cr、Mo)23C6结构的合金碳化物，保证了堆芯壳筒体钢板的抗辐照性能和综合力学综合性能要求。
2、通过特有的生产工艺获得的先进核电机组堆芯壳筒体钢板其力学性能表现为供货态的常温500MPa≤Rel≤520MPa、610MPa≤Rm≤640MPa、500℃的470MPa≤Rm≤485MPa；700有×26h焊后热处理态的450MPa≤Rm(500℃)≤470MPa、KV2(80℃)≥420J、TNDT≤-40℃、HIC(A溶液)的CSR为0％、280MPa·m1/2≤KIC≤285MPa·m1/2，获得了厚度规格40～65mm的筒体钢板，无论在优异的综合性能和尺寸规格上均填补该类产品空白。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例的化学成分见表1；相应实施例的工艺参数见表2；实施例组织性能最终效果见表3；抗氢致开裂HIC试验结果见表4；高温断裂韧度试验结果见表5。
表1实施例化学成分(wt，％)
Figure BDA0003629872820000071
Figure BDA0003629872820000081
表2实施例工艺参数
Figure BDA0003629872820000082
表3实施例组织性能最终效果
Figure BDA0003629872820000091
表4实施例抗氢致开裂HIC试验结果
Figure BDA0003629872820000092
表5实施例高温断裂韧度试验结果
实施例 试样状态 试验温度/℃ KIC/MPa·m1/2
1 焊后热处理 500 284
2 焊后热处理 500 285
3 焊后热处理 500 285
4 焊后热处理 500 282
5 焊后热处理 500 288
6 焊后热处理 500 285
7 焊后热处理 500 282
8 焊后热处理 500 283
9 焊后热处理 500 282
10 焊后热处理 500 281
根据以上结果可以得出，本发明提供的先进核电机组堆芯壳筒体钢板内部纯净度高，P、S有害元素含量控制极低，抗回火脆化系数J≤50，供货态的常温500MPa≤ReL≤520MPa、610MPa≤Rm≤640MPa、500℃的470MPa≤Rm≤485MPa；700℃×26h焊后热处理态的500℃的450MPa≤Rm≤470MPa、(80℃)KV2≥420J、TNDT≤-40℃、HIC(A溶液)的CSR为0％、280MPa·m1/2≤KIC≤285MPa·m1/2。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种先进核电机组堆芯壳筒体用钢板的生产方法，其特征在于，钢板组分及质量百分比含量为：C：0.10％～0.14％、Si：0.20％～0.30％、Mn：0.30％～0.60％、P≤0.006％、S≤0.002％、Cr：1.65％～1.95％、Mo：0.80％～1.20％、Ni：0.80％～1.20％、Nb：0.04％～0.08％、V：0.10％～0.20％、Ti：0％～0.03％、Alt：0％～0.02％、Ca：0.001％～0.004％、N：0.01％～0.03％、Sn≤0.001％、H≤0.0001％、O≤0.0020％，余量为Fe及不可避免夹杂，抗高温回火脆化系数J＝(Si+Mn)×(P+Sn)×104≤50；
生产方法包括冶炼工艺—浇铸工艺—电渣重熔工艺—加热工艺—轧制工艺—热处理工艺，主要工艺步骤如下：
1)冶炼工艺：在LF精炼炉进行深脱硫处理，硫含量控制在0.002％以下，同时向钢中喂CaSi线进行钙处理；
生成的渣层厚度为60～90mm；
脱气在RH炉内完成，净循环时间10～15min，开浇前镇静时间3～5min；
2)浇铸工艺：破真空后采用连铸机浇铸，过热度20～30℃，恒速浇注，铸坯下线进堆垛缓冷，并在预设温度下解垛；
3)电渣重熔工艺：采用300～400mm电渣钢锭轧制65mm及以下规格筒体钢板，电渣钢锭脱模后堆垛缓冷，并在预设温度下解垛；
4)加热工艺：电渣钢锭加热温度控制在1180～1250℃，加热时间8～10h，均热时间0.5～1.0h；
5)轧制工艺：再结晶区开轧温度1050～1150℃，再结晶区单道次变形率10％～14％，且前三道每道次压下率均≥12％，总变形率≥50％，中间坯厚度为成品钢板的2.0～4.0倍；未再结晶区开轧温度850～900℃，未再结晶区终轧温度820～850℃，未再结晶区累计变形率≥50％；轧制后的成品厚度40～65mm；
6)热处理工艺：进行基于AC3+(80～130)℃的高温正火，保温时间为0.5～1.0min/mm，空冷至室温；
亚温淬火温度为800～850℃，保温时间1.0～1.5min/mm，冷却速度为5～10℃/S，返红温度为350～450℃，之后随空气冷却至室温；
之后进行高温回火热处理。
2.根据权利要求1所述的生产方法，其特征在于，钢板供货态的常温屈服强度为：500MPa≤Rel≤520MPa、抗拉强度为：610MPa≤Rm≤640Mpa；500℃的抗拉强度为：470MPa≤Rm≤485Mpa。
3.根据权利要求1所述的生产方法，其特征在于，
700℃×26h焊后热处理态在500℃的抗拉强度为：450MPa≤Rm≤470MPa、80℃冲击功KV2≥420J、无延性转变温度TNDT≤-40℃、HIC A溶液的CSR为0％、断裂韧性为：280MPa·m1/2≤KIC≤285MPa·m1/2。
4.根据权利要求1所述的生产方法，其特征在于，获得含有10％～15％未溶铁素体和回火贝氏体组织，其中贝氏体组织中包含弥散析出的M23C6结构的合金碳化物，其中M为Fe、Mn、Cr和Mo的组合。
5.根据权利要求1所述的生产方法，其特征在于，Mo/Si为2.80～5.50；(Cr+Mn)/Mo为1.65～2.90。
6.根据权利要求1所述的生产方法，其特征在于，冶炼工艺中，钢水冶炼在转炉中进行，采用铁水和废钢作为原料，铁水含量控制在70～80％，脱磷和脱碳采用转炉分开冶炼；
脱磷吹氧控制在7～10min，脱碳吹氧控制在8～12min，最终将磷质量分数降至0.006％以内。
7.根据权利要求1所述的生产方法，其特征在于，所述冶炼工艺中，进行钙处理过程中，喂丝速度为200～350m/min，喂丝深度在渣层以下1.0～2.0m处。
8.根据权利要求1所述的生产方法，其特征在于，所述浇铸工艺中，堆垛缓冷时间36～54h，解垛温度为300℃以下；所述电渣重熔工艺中，电渣钢锭脱模后堆垛缓冷时间48～72h，300℃以下解垛空冷。
9.根据权利要求1所述的生产方法，其特征在于，所述高温回火热处理的具体工艺参数具体为：710～730℃的回火温度，保温时间60min+2.0～4.0min/mm。
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