CN116732432A - 一种大厚度z向易焊接核电承压设备用钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种大厚度Z向易焊接核电承压设备用钢及其制备方法，所述钢的成分及其质量百分比为：C：0.06～0.12％；Si：0.25～0.40％；Mn：1.15～1.55％；P≤0.015％；S≤0.005％；Ni：0.40～0.65％；Mo：0.25～0.45％；V：0.04～0.06％；Als：0.020～0.050％；Nb：0.015～0.035％；Ti：0.015～0.025％；RE：0.004～0.018％，余量为Fe和不可避免的杂质。本发明提供的钢板为组织致密、钢质洁净、性能均匀的高强度钢板，且为大厚度易焊接核电承压设备用钢。

Description

一种大厚度Z向易焊接核电承压设备用钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及核电承压设备用钢技术领域，具体而言是一种大厚度Z向易焊接核电承压设备用钢及其制备方法。
背景技术
随着科学技术的日益进步及人类对电的大力需求，使得核电承压设备向大型化和高参数化方向发展，对钢板的厚度要求越来越厚，使用条件和环境也越来越苛刻，对钢板的性能要求也越来越高。核电站承压设备的连接方式主要为焊接，但材料内由于性能要求而添加了多种合金元素，往往碳当量很高，焊接性受到较大的影响，焊接后可能出现一些焊接缺陷，这对材料的安全服役造成很大影响。除此之外，目前国内对于核电站中的大厚度钢板一般采用钢锭锻造的方式生产，但钢锭内部存在严重的成分偏析、晶粒粗大和非金属夹杂物超标的情况，由于材料的遗传效应，常常由于钢锭的缺陷导致设备材料的不合格，严重影响设备的制造周期和稳定性。特别是针对钢材的力学性能、焊接性能及Z向性能等方面的要求，普通冶炼浇铸手段无法满足需要，尤其是在内部质量上达不到要求。
目前核电用钢已形成较多专利，如：
舞阳钢铁有限责任公司申请的《高纯净高低温韧性F级大厚度易焊接钢板及其生产方法》(申请号：CN201410352248.4)，公开了一种高纯净高低温韧性F级大厚度易焊接钢板及其生产方法，其由以下质量百分比的组分组成：C：0.10％～0.20％，Si：0.15％～0.55％，Mn：0.90％～1.80％，P≤0.03％，S≤0.03％，Nb：0.020％～0.040％，Al：0.010％～0.080％，V：0.035％～0.085％，Ti≤0.020％，余量为Fe和不可避免的杂质。通过电渣重熔工艺进行生产，钢板最大厚度可达到500mm；重熔后实现高纯净度，钢板内在组织致密，低倍缺陷控制较低，钢板低倍组织无裂纹、气孔等危害缺陷，其疏松和偏析级别≤1.0级；进行超声波法探伤检查，满足GB/T2970的级要求；钢板的具有良好的综合性能：钢板横向、纵向拉伸、冲击性能基本一致，具有较好的各向同性及Z向性能；钢板具有较高的低温韧性，-60℃冲击功达到27J以上；重熔后钢中主要成分变化不大，成分比较均匀。此发明钢的成分中Cr、Mo、V、Nb等元素含量均与本发明不同，而且生产工艺也不同。
舞阳钢铁有限责任公司申请的《一种水电用大厚度易焊接调质高强度钢板及其生产方法》(申请号：CN201210125992.1)，公开了一种水电用大厚度易焊接调质高强度钢板，同时，还涉及一种该钢板的生产方法。其由以下重量百分含量的化学成分组成：C：0.15％～0.18％，Si：0.15％～0.35％，Mn：0.90％～1.00％，P≤0.012％，S≤0.005％，Ni：1.52％～1.60％，Cr：0.30％～0.40％，Nb：0.020％～0.030％，Al：0.020％～0.050％，Mo：0.20％～0.30％，V：0.055％～0.065％，B：0.0007％～0.0015％，Ti：0.015％～0.025％，余量为Fe和不可避免的杂质。生产方法包括以下步骤：电炉冶炼→LF/VD精炼→模铸→钢锭加热→轧制→轧后水冷→热堆垛→热处理→成品。本发明的水电用大厚度易焊接调质高强度钢板的最大厚度可达到230mm，具有焊接性能良好、屈强比低、低温冲击韧性优良以及厚度方向性能良好的特点，有广阔的应用前景。但该发明的成分设计思路及生产工艺与本发明不同，制造工艺不同，应用方向不同，未明确钢板高温拉伸性能及模拟焊后热处理性能。
鞍钢股份有限公司申请的《一种核反应堆安全壳用特厚规格高强钢及其制造方法》(申请号：CN202010194175.6)，提供了一种核反应堆安全壳用特厚规格高强钢及其制造方法，该钢的成分按重量百分比计如下：C：0.15％～0.20％；Si：0.15％～0.30％；Mn：0.80％～1.30％；P≤0.010％；S≤0.005％；Ni：0.65％～1.10％；Cr：0.10％～0.30％；Mo：0.15％～0.40％；Cu：0.15％～0.20％；Alt：0.02％～0.04％；Sn≤0.005％；Sb≤0.0007％；As≤0.008％；Pb≤0.0005％，[O]≤8ppm，[H]≤1.5ppm，余量为Fe和不可避免的杂质。制造方法，包括冶炼、连铸、铸坯同质复合、加热、轧制、热处理；本发明钢种经调质和模拟焊后热处理后，不同状态下均具有良好的强韧性。但该发明生产的钢板最大厚度仅为150mm，同时并未关注钢板的焊接问题。
综上所述，如何能够生产组织致密、钢质洁净、性能均匀且适宜焊接的大厚度易焊接核电承压设备用的高强度钢板，是本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
根据上述技术问题，而提供一种大厚度Z向易焊接核电承压设备用钢及其制备方法。
本发明采用的技术手段如下：
一种大厚度Z向易焊接核电承压设备用钢，所述钢的成分及其质量百分比为：
C：0.06％～0.12％；Si：0.25％～0.40％；Mn：1.15％～1.55％；P≤0.015％；
S≤0.005％；Ni：0.40％～0.65％；Mo：0.25％～0.45％；V：0.04％～0.06％；Als：0.020％～0.050％；Nb：0.015％～0.035％；Ti：0.015％～0.025％；RE：0.004％～0.018％，余量为Fe和不可避免的杂质。所述钢的碳当量Ceq≤0.45％。所述钢的金相组织为回火索氏体。
采用上述成分设计理由如下：
(1)C：C可以通过固溶显著提高钢的强度，是钢中最基本的强化元素，对钢的屈服强度、抗拉强度、焊接性能产生显著影响。但含碳量过高又会影响钢的焊接性能。因此，本发明钢中C含量设计为0.06％～0.12％。
(2)Si：在炼钢过程中作为还原剂和脱氧剂，同时也能起到固溶强化作用，但Si过量时，会造成钢的韧性下降，导致焊缝熔合区脆性，综合考虑，本发明Si含量选择范围为0.25％～0.40％。
(3)Mn：Mn以固溶强化形式提高钢的强度，弥补C降低而导致的不足，是影响强度、淬透性和焊接性的主要合金元素，同时成本低廉，但含量过高，容易在形成中心产生偏析，还会对钢的焊接性产生不利影响，故设定控制范围为1.15％～1.55％。
(4)P、S：在本发明钢中均为有害元素，对钢板的低温冲击韧性和抗层状撕裂性能会产生不利影响，增加钢的脆性。磷使焊接性能降低，降低塑性，使冷弯性能变差；硫降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹。因此，控制含量越低越好，但考虑到炼钢条件和成本，本发明要求控制钢中的P≤0.015％，S≤0.005％。
(5)Ni：本发明中添加适量的镍用于形成和稳定奥氏体，提高钢板强度，降低碳含量，改善钢板的焊接性能，但过高的镍不利于晶界碳化物的析出，从而减少晶间碳化物数量，严重影响本发明钢的强韧性，同时在连铸坯加热过程中会产生黏度较高的氧化铁皮，影响钢板表面质量。因此本发明设计Ni含量为0.40％～0.65％。
(6)Mo：在本发明钢中的作用是提高奥氏体再结晶温度，提高奥氏体未再结晶轧制效果，细化晶粒，同时抑制钢中碳化物的聚集长大，保持在经模拟焊后热处理后碳化物的析出弥散强化效果。因此本发明设计Mo含量为0.25％～0.45％。
(7)V：用于在控冷和回火中析出，起析出强化作用，经过控轧后，V的碳、氮化物析出，强烈提高钢板的强度，细化晶粒度，但含量过高则会对焊接性产生不利影响。根据需要，本发明设计V含量为0.04％～0.06％。
(8)Als：主要用来脱氧和细化晶粒，扩大奥氏体区抑制钢的晶粒粗化温度，但过高则影响钢的热加工性能、焊接性能和切削加工性能。因此，本发明Als含量的范围为0.020％～0.050％。
(9)Nb：Nb可在控轧过程中通过抑制奥氏体再结晶有效的细化显组织，同时部分溶入固溶体，起固溶强化作用，提高高温强度。还可以降低钢的过热敏感性及回火脆性。本发明钢中Nb含量设计为0.015％～0.035％。
(10)Ti：用于改善铸态组织，减少偏析，提高铸坯质量，提高加热中晶粒粗化温度，钢中加Ti可与C、N元素形成Ti的碳、氮化物，具有好的晶粒细化效果。本发明钢中Ti含量设计为0.015％～0.025％。
(11)RE：可在钢的中心区域形成了更多的等轴晶组织，细化钢的晶粒尺寸，使钢获得更高拉伸强度和抗冲击能力。还可以与钢基体内的Al2O3、MnS夹杂物等发生化学反应，改变钢材内的夹杂物成分、尺寸参数、外观结构、分布形态与数量，使原尺寸较大的无规则外形夹杂物转变成尺寸更小的球形含稀土类夹杂物，从而达到提高钢材力学强度的效果。本发明钢中RE含量设计为0.004％～0.018％。
本发明还公开了一种大厚度Z向易焊接核电承压设备用钢的制备方法，包括：
(1)冶炼：对含有上述成分的钢水进行冶炼，采用高洁净钢冶炼工艺，铁水深脱硫，转炉冶炼，控制钢中P≤0.015％；S≤0.005％；再经过LF、RH炉外精炼处理，控制钢中气体[H]≤2.0ppm，[O]≤10ppm。
(2)连铸：对冶炼后的钢水进行连铸，得到连铸坯，所述连铸坯的厚度为200～300mm；其中，浇注温度1540～1550℃，中间包过热度为15～25℃；连铸末端采用电磁搅拌方式，严控二冷水温度及拉坯速度，二冷水温度为20～25℃，拉速控制在1.0-1.3m/min，充分保证铸坯的内外质量。连铸坯下线后堆垛缓冷48h以上。
(3)复合：将2～3块200～300mm的所述连铸坯复合，对所述连铸坯的表面修磨处理后，进行接触面的四个边棱焊接，并将连铸坯接触面内的气体抽至真空状态，得到复合坯。
(4)加热：对所述复合坯装炉进行加热；加热包括低温段、加热段和均热段；低温段温度为650～850℃，在炉时间7～10h；加热段温度为800～1250℃，升温速率为60～120℃/h，在炉时间6～12h；均热段温度为1050～1250℃，在炉时间6～8h；总在炉时间19～30h，复合坯出炉前20min采用吹风方式降低下表实际温度，控制下表温度低于上表温度30～50℃，防止钢板轧制过程出现上翘。
(5)轧制：对加热后的复合坯进行两段控制轧制，得到钢板；
第一阶段在奥氏体再结晶区轧制，开轧温度为1100～1180℃，前3道次的压下量为15～25mm，辊速为0.9-1.2m/s，其余各道次变形量大于20mm，辊速为1.5～4.0m/s，终轧温度970～1020℃；每道次轧后尽量减少间隔时间，第一阶段轧制完成后采用辊道间水冷10～20s进行微冷处理，辊道间冷却水温度为20～25℃，避免再结晶晶粒长大。
第二阶段在奥氏体未再结晶区轧制，开轧温度为880～950℃，终轧温度为780～850℃，轧后缓冷。
(6)热处理：对钢板采用离线调质热处理；离线调质热处理工艺为：淬火保温温度920～950℃，保温时间275～925min；回火保温温度575～625℃，保温时间580～925min，出炉后空冷至室温。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明钢的钢质纯净度高，铸坯中心偏析低，组织均匀细小。通过采用适宜的冶炼、浇注工艺，控制钢中P≤0.015％，S≤0.005％，[H]≤2.0ppm，[O]≤10ppm，减少了铸坯中粗大柱状晶和枝晶的生成，使铸坯组织均匀细小。
2、本发明钢通过添加适量的Nb、V、Ti等元素，结合控轧控冷工艺，获得了结构稳定，晶粒度细小均匀的组织，保证了钢板具有优良均匀的力学性能。通过采用适宜的热处理工艺，控制碳化物尺寸，并弥散析出分布，保证了钢板具有良好的强韧性。
3、钢板采用连铸坯复合轧制，压缩比大于3，钢板厚度为100～200mm，强度级别达到650MPa。本发明制造的钢板在具有高强韧性的同时，具有较低的碳当量(Ceq≤0.45％)，有效保证了钢板良好的焊接性能。
4、本发明钢种经调质和模拟焊后热处理后，不同状态下均具有良好的强韧性。调质热处理后的钢板室温拉伸屈服强度≥560MPa，抗拉强度≥670MPa，-20℃冲击功≥150J，350℃拉伸屈服强度≥540MPa，抗拉强度≥640MPa，Z向断面收缩率≥70％；模拟焊后热处理后，室温拉伸屈服强度≥530MPa，抗拉强度≥650MPa，-20℃冲击功≥150J，350℃拉伸屈服强度≥510MPa，抗拉强度≥620MPa，Z向断面收缩率≥70％。完全满足核电承压设备用钢的使用要求。
基于上述理由本发明可在核电承压设备用钢等领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明具体实施方式中一种大厚度Z向易焊接核电承压设备用钢典型金相组织图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。
本发明提供了一种大厚度Z向易焊接核电承压设备用钢，所述钢的成分及其质量百分比为：
C：0.06％～0.12％；Si：0.25％～0.40％；Mn：1.15％～1.55％；P≤0.015％；
S≤0.005％；Ni：0.40％～0.65％；Mo：0.25％～0.45％；V：0.04％～0.06％；Als：0.020％～0.050％；Nb：0.015％～0.035％；Ti：0.015％～0.025％；RE：0.004％～0.018％，余量为Fe和不可避免的杂质。所述钢的碳当量Ceq≤0.45％。所述钢的典型金相组织图如图1所示为回火索氏体。
本发明还公开了一种大厚度Z向易焊接核电承压设备用钢的制备方法，包括：
(1)冶炼：对含有上述成分的钢水进行冶炼，采用高洁净钢冶炼工艺，铁水深脱硫，转炉冶炼，控制钢中P≤0.015％；S≤0.005％；再经过LF、RH炉外精炼处理，控制钢中气体[H]≤2.0ppm，[O]≤10ppm。
(2)连铸：对冶炼后的钢水进行连铸，得到连铸坯，所述连铸坯的厚度为200～300mm；其中，浇注温度1540～1550℃，中间包过热度为15～25℃；连铸末端采用电磁搅拌方式，严控二冷水温度及拉坯速度，二冷水温度为20～25℃，拉速控制在1.0-1.3m/min，充分保证铸坯的内外质量。连铸坯下线后堆垛缓冷48h以上。
(3)复合：将2～3块200～300mm的所述连铸坯复合，对所述连铸坯的表面修磨处理后，进行接触面的四个边棱焊接，并将连铸坯接触面内的气体抽至真空状态，得到复合坯。
(4)加热：对所述复合坯装炉进行加热；加热包括低温段、加热段和均热段；低温段温度为650～850℃，在炉时间7～10h；加热段温度为800～1250℃，升温速率为60～120℃/h，在炉时间6～12h；均热段温度为1050～1250℃，在炉时间6～8h；总在炉时间19～30h，复合坯出炉后20min采用吹风方式降低下表实际温度，控制下表温度低于上表温度30～50℃，防止钢板轧制过程出现上翘。
(5)轧制：对加热后的复合坯进行两段控制轧制，得到钢板；
第一阶段在奥氏体再结晶区轧制，开轧温度为1100～1180℃，前3道次的压下量为15～25mm，辊速为0.9-1.2m/s，其余各道次变形量大于20mm，辊速为1.5～4.0m/s，终轧温度970～1020℃；每道次轧后尽量减少间隔时间，第一阶段轧制完成后采用辊道间水冷10～20s进行微冷处理，辊道间冷却水温度为20～25℃，避免再结晶晶粒长大。
第二阶段在奥氏体未再结晶区轧制，开轧温度为880～950℃，终轧温度为780～850℃，轧后缓冷。
(6)热处理：对钢板采用离线调质热处理；离线调质热处理工艺为：淬火保温温度920～950℃，保温时间275～925min；回火保温温度575～625℃，保温时间580～925min，出炉后空冷至室温。
下面采用10个实施例对本发明进行详细说明，各实施例化学成分如表1所示。
表1各实施例钢冶炼化学成分(％)
本发明各实施例钢的工艺参数如表2所示。
表2各实施例钢的工艺参数
本发明各实施例钢板力学性能如表3所示。
表3钢板调质态力学性能
由表3可知，调质热处理后的钢板室温拉伸屈服强度≥560MPa，抗拉强度≥670MPa，-20℃冲击功≥150J，350℃拉伸屈服强度≥540MPa，抗拉强度≥640MPa，Z向断面收缩率≥70％。
从各实施例取样进行模拟焊后热处理试验，工艺为：保温温度615℃，保温时间16h，425℃以上升降温速率不大于58℃/h。检验性能见表4。
表4钢板模拟焊后热处理性能
由表4可知钢板模拟焊后热处理后，室温拉伸屈服强度≥530MPa，抗拉强度≥650MPa，-20℃冲击功≥150J，350℃拉伸屈服强度≥510MPa，抗拉强度≥620MPa，Z向断面收缩率≥70％。完全满足核电承压设备用钢的使用要求。
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 (8)

1.一种大厚度Z向易焊接核电承压设备用钢，其特征在于，所述钢的成分及其质量百分比为：
C：0.06％～0.12％、Si：0.25％～0.40％、Mn：1.15％～1.55％、P≤0.015％、S≤0.005％；Ni：0.40％～0.65％、Mo：0.25％～0.45％、V：0.04％～0.06％、Als：0.020％～0.050％、Nb：0.015％～0.035％、Ti：0.015％～0.025％、RE：0.004％～0.018％，余量为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的一种大厚度Z向易焊接核电承压设备用钢，其特征在于，所述钢的碳当量Ceq≤0.45％。
3.一种大厚度Z向易焊接核电承压设备用钢的制备方法，其特征在于，包括：
(1)冶炼：对含有权利要求1或2所述成分的钢水进行冶炼；
(2)连铸：对冶炼后的钢水进行连铸，得到连铸坯，所述连铸坯的厚度为200～300mm；
(3)复合：将2～3块所述连铸坯复合，对所述连铸坯的表面修磨处理后，进行接触面的四个边棱焊接，并将连铸坯接触面内的气体抽至真空状态，得到复合坯；
(4)加热：对所述复合坯进行加热；
(5)轧制：对加热后的复合坯进行两段控制轧制，得到钢板；
第一阶段在奥氏体再结晶区轧制，开轧温度为1100～1180℃，前3道次的压下量为15～25mm，辊速为0.9-1.2m/s，其余各道次变形量大于20mm，辊速为1.5～4.0m/s，终轧温度970～1020℃；
第二阶段在奥氏体未再结晶区轧制，开轧温度为880～950℃，终轧温度为780～850℃，轧后缓冷；
(6)热处理：对钢板采用离线调质热处理。
4.根据权利要求3所述的一种大厚度Z向易焊接核电承压设备用钢的制备方法，其特征在于，在所述步骤(1)中，采用高洁净钢冶炼工艺，铁水深脱硫，转炉冶炼，控制钢中P≤0.015％；S≤0.005％；再经过LF、RH炉外精炼处理，控制钢中气体[H]≤2.0ppm，[O]≤10ppm。
5.根据权利要求3所述的一种大厚度Z向易焊接核电承压设备用钢的制备方法，其特征在于，在所述步骤(2)中，浇注温度1540～1550℃，中间包过热度为15～25℃；连铸末端采用电磁搅拌方式，二冷水温度为20～25℃，拉坯速度为1.0-1.3m/min，连铸坯下线后堆垛缓冷48h以上。
6.根据权利要求3所述的一种大厚度Z向易焊接核电承压设备用钢的制备方法，其特征在于，在所述步骤(4)中，加热包括低温段、加热段和均热段；低温段温度为650～850℃，在炉时间7～10h；加热段温度为800～1250℃，升温速率为60～120℃/h，在炉时间6～12h；均热段温度为1050～1250℃，在炉时间6～8h；总在炉时间19～30h，复合坯出炉后20min采用吹风方式降低下表实际温度，控制下表温度低于上表温度30～50℃。
7.根据权利要求3所述的一种大厚度Z向易焊接核电承压设备用钢的制备方法，其特征在于，在所述步骤(5)中，第一阶段轧制完成后采用辊道间冷却水进行微冷处理。
8.根据权利要求3所述的一种大厚度Z向易焊接核电承压设备用钢的制备方法，其特征在于，在所述步骤(6)中，离线调质热处理工艺为：淬火保温温度920～950℃，保温时间275～925min；回火保温温度575～625℃，保温时间580～925min，出炉后空冷至室温。
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