CN117867381A - 一种核电用非对称双面异质复合钢板及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种核电用非对称双面异质复合钢板及其制备方法，包括：制备双面异质复合钢板的基板；制备双面异质复合钢板的复板；钢板组坯；采用真空电子束焊接方式对相邻板坯的四边进行焊接；复合板轧制；调质处理。本发明的优点是：采用非对称双面异质复合钢板，最大厚度达129mm，应用于制备小型核电机组安全壳，可解决热电联供一体化供热堆的顶封头及筒体关键材料“卡脖子”难题，推进我国核电机组关键材料国产化；非对称双面异质复合钢板所采用的工艺流程少，与其他制备过程中需制备侧板或镶嵌凹槽相比，生产成本低、成材率高；采用双面异质复合板，能够实现上下复材厚度的差异性，应用非对称双面异质复合钢板能够替代同等厚度不锈钢。

Description

一种核电用非对称双面异质复合钢板及其制备方法

技术领域

本发明涉及复合板，尤其涉及一种核电用非对称双面异质复合钢板及其制备方法。

背景技术

热电联供一体化供热堆(国和三号)是我国重点开发的核电堆型，该项技术特别适用于我国北方需要冬季供暖地区的小型核电机组。安全壳顶封头及筒体是一体供热堆重要核级装备，其总体高度超过26m，上筒体高度约16.5m，内径6100mm，两面均与0℃液态水接触，对整个机组的安全运行极为重要。钢制安全壳内压较高，要求材料具有较高的强度、良好的韧性及耐蚀性，现阶段主要采用130～140mm厚304不锈钢或控N不锈钢制备，但以上两种材料均存在成本高、强度低及加工难度高等缺点，为解决该问题，本发明采用不锈钢+低合金钢+不锈钢三层复合技术制备非对称异质复合板，能够有效地解决供热堆安全壳高强度、耐腐蚀需求，还能大幅度降低成本，提高整体经济性，该复合板最大的难点在于实现上下复层及基层的厚度差异性。

公布号为CN109591396A，名称为“不锈钢、碳钢复合板材及其制备方法”，介绍了一种利用真空电子束焊接方式生产碳钢+不锈钢复合板方法，生产过程中需四层钢板叠加，耗材量较大，且未介绍成品复合板的厚度范围。

公布号为CN211942395U，名称为“一种不锈钢/碳钢复合板”，提供了一种碳钢+不锈钢复合板的制备方法，此方法的特点是不需考虑基材及复材的种类，但其制备过程中需制备四周侧板，制备过程较为复杂，且仅能满足单面复合要求，无法满足双面复合板制备的需求。

公布号为CN102069289A，名称为“一种不锈钢-碳钢复合板的制备方法”，从公开的钢板最终厚度及性能来看，钢板的剪切强度超过400MPa，表明复合钢板结合度较高，但复合钢板最大厚度仅为10.8mm，此厚度无法满足核电站安全壳需求。

公布号为CN107282684A，名称为“一种不锈钢-碳钢特厚异质复合板的生产方法”，介绍了316不锈钢+Q370碳钢单面复合板的制备方法，此方法需要对复材进行嵌槽处理，导致钢板制备成本较高，此外，此专利仅介绍了复材及基材的厚度范围，对于成品复合板的厚度范围未提及。

公布号为CN113399457A，名称为“一种双相不锈钢-碳钢复合板热轧工艺方法”，介绍了一种利用真空焊接+热轧方式制备2205双相不锈钢+Q345碳钢单面复合板的方法，成品复合板的结合强度超过400MPa，但成品钢板的最大厚度相对较低约为10mm，且为单面复合，双面复合方式未被提及。

公布号为CN111941003A，名称为“一种温轧不锈钢/碳钢复合板的制备方法”，介绍了一种利用真空焊接+温轧方式制备304不锈钢+Q235碳钢单面复合板的方法，复合板的结合强度达到280MPa，相对较低，且成品钢板的最大厚度仅为12mm，该厚度无法满足核电用钢质安全壳的需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种核电用非对称双面异质复合钢板及其制备方法，采用不锈钢+碳钢+不锈钢三层复合钢板进行制造，成品复合板上复材及下复材的厚度存在差异性，即非对称性，能够有效地解决供热堆的顶封头及筒体关键材料“卡脖子”难题，推动核电关键材料国产化进程，降低生产成本。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种核电用非对称双面异质复合钢板，复合钢板的基材为碳钢，其成分按质量百分含量为C：0.10％～0.30％；Si：0.10％～0.40％；Mn：1.30％～1.70％；P≤0.01％；S≤0.002％；Cr：0.10％～0.30％；Mo：0.20％～0.60％；Ni：0.40％～1.00％；N≤0.01％；V：0.01％～0.05％；Cu≤0.03％，余量为Fe和不可避免杂质元素；

复合钢板的复材为不锈钢，其成分按质量百分含量为C≤0.03％；Si：0.40-0.70％；Mn：1.40-1.55％；P≤0.02％；S≤0.004％；Cr：15.85-17.15％；Mo：1.95-3.00％；Ni：10.00-11.05％；N≤0.15％；Co≤0.08％，余量为Fe和不可避免杂质元素。

具体包括以下步骤：

S1、制备双面异质复合钢板的基板：按照复合钢板的基材成分制备连铸坯，以连铸坯为电极利用电渣重熔技术制备电渣锭，经过锻造+轧制后，制备双面异质复合基板备用；

S2、制备双面异质复合钢板的复板：按照复合钢板的复材成分制成不锈钢钢锭，将不锈钢钢锭按照所需厚度以低速小压下方式热轧成不同厚度的复板，经过固溶处理和酸洗钝化后作为双面异质复合复板备用；

S3、钢板组坯，具体包括以下内容：

1)、对双面异质复合基板和双面异质复合复板进行铣磨；

2)、分别将双面异质复合基板和双面异质复合复板待复合面进行机加工修磨，表面粗糙度为0.3～0.6μm；

3)、根据成品复合板的规格，选择厚度为180～500mm的双面异质复合基板和厚度为10～30mm的双面异质复合复板，其中不锈钢及碳钢的厚度百分比为12～67；按轧制压下方向将不锈钢/碳钢/不锈钢顺序叠放板坯，每块板坯的对角线尺寸偏差小于2mm，叠放板坯间的最大间隙不大于0.5mm；

S4、将组坯后的复合板放置于真空室内，真空度小于10^-2Pa，采用真空电子束焊接方式对相邻板坯的四边进行焊接；

S5、复合板轧制：将焊接好的复合板送至加热炉内，加热温度为1200℃～1230℃，净保温时间为5～14h，依据成品复合板的板厚设置不同轧制道次，总压下率为60％～80％，保证其中至少三道次压下率≥20％；

S6、调质处理，具体包括以下内容：

淬火工艺：温度控制在910～940℃，净保温时间2～3min/mm；

回火工艺：温度控制在610～660℃，净保温时间1.0～2.5min/mm。

步骤S3中，双面异质复合基板的厚度为180～500mm，双面异质复合复板的厚度为10～30mm。

步骤S4中，真空电子束焊接方式为：焊接熔深大于40mm，焊液流淌处不得出现大于10mm的凹坑。

步骤S2中，低速小压下方式：轧制速度为0.5m/s；前两道次压下率均≤15％

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、采用非对称双面异质复合钢板，最大厚度达129mm，应用于制备小型核电机组安全壳，可解决热电联供一体化供热堆的顶封头及筒体关键材料“卡脖子”难题，推进我国核电机组关键材料国产化；

2、非对称双面异质复合钢板所采用的工艺流程较少，与其他制备过程中需制备侧板或镶嵌凹槽相比，生产成本低、成材率高；

3、采用双面异质复合板，能够实现上下复材厚度的差异性，应用非对称双面异质复合钢板能够替代同等厚度不锈钢，节约制备成本；

4、提出了一种非对称“不锈钢+碳钢+不锈钢”双面异质复合钢板的制备方法，从材料相容性角度考虑，选取316L不锈钢为复材，AG728钢板为基材，复合后钢板平均结合强度均超过410MPa，大幅度高于国标GB/T8165-2008《不锈钢复合板和钢带》中规定值(≥210MPa)。

附图说明

图1是46mm复合厚钢板上结合面金相组织图。

图2是46mm复合厚钢板下结合面金相组织图。

图3是69mm复合厚钢板上结合面金相组织图。

图4是69mm复合厚钢板下结合面金相组织图。

图5是129mm复合厚钢板上结合面金相组织图。

图6是129mm复合厚钢板下结合面金相组织图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明进行详细地描述，但是应该指出本发明的实施不限于以下的实施方式。

一种核电用非对称双面异质复合钢板，复合钢板的基材为鞍钢自主研发的AG728钢板，其成分按质量百分含量为C：0.10％～0.30％；Si：0.10％～0.40％；Mn：1.30％～1.70％；P≤0.01％；S≤0.002％；Cr：0.10％～0.30％；Mo：0.20％～0.60％；Ni：0.40％～1.00％；N≤0.01％；V：0.01％～0.05％；Cu≤0.03％，余量为Fe和不可避免杂质元素；

复合钢板的复材为316L不锈钢，其成分按质量百分含量为C≤0.03％；Si：0.40-0.70％；Mn：1.40-1.55％；P≤0.02％；S≤0.004％；Cr：15.85-17.15％；Mo：1.95-3.00％；Ni：10.00-11.05％；N≤0.15％；Co≤0.08％，余量为Fe和不可避免杂质元素。

一种核电用非对称双面异质复合钢板的制备方法，具体包括以下步骤：

S1、制备双面异质复合钢板的基板：按照复合钢板的基材成分制备连铸坯，为了提高连铸坯的均质性及纯净度，以连铸坯为电极利用电渣重熔技术制备电渣锭，经过锻造+轧制，进一步改善钢板心部显微组织及基础性能，制备双面异质复合基板备用；

S2、制备双面异质复合钢板的复板：按照复合钢板的复材成分制成不锈钢钢锭，将不锈钢钢锭按照所需厚度以低速小压下方式(即为轧制速度为0.5m/s；前两道次压下率均≤15％)热轧成不同厚度的复板，经过固溶处理和酸洗钝化后作为双面异质复合复板备用；

S3、钢板组坯，具体包括以下内容：

1)、对双面异质复合基板和双面异质复合复板进行铣磨，使得碳钢和不锈钢的表面无残留氧化铁皮、油污、灰尘等缺陷存在；

2)、为保证钢板的结合强度，分别将双面异质复合基板和双面异质复合复板待复合面进行机加工修磨，表面粗糙度为0.3～0.6μm；

3)、根据成品复合板的规格，选择厚度为180～500mm的双面异质复合基板和厚度为10～30mm的双面异质复合复板，其中不锈钢及碳钢的厚度百分比为12～67；按轧制压下方向将不锈钢/碳钢/不锈钢顺序叠放板坯，每块板坯的对角线尺寸偏差小于2mm，叠放板坯间的最大间隙不大于0.5mm；

S4、将组坯后的复合板放置于真空室内，真空度小于10^-2Pa，采用真空电子束焊接方式对相邻板坯的四边进行焊接；焊接熔深要求40mm以上，焊缝饱满，焊液流淌处不得出现大于10mm凹坑，焊缝起弧和收弧区域须一致且连续，消除焊缝间断区域，焊接表面成形良好，无裂纹、夹杂、气孔和表面凹陷存在；

S5、复合板轧制：将焊接好的复合板送至加热炉内，加热温度为1200℃～1230℃，净保温时间为5～14h，依据成品复合板的板厚设置不同轧制道次，总压下率为60％～80％，保证其中至少三道次压下率≥20％；

S6、调质处理，具体包括以下内容：

淬火工艺：温度控制在910～940℃，净保温时间2～3min/mm；

回火工艺：温度控制在610～660℃，净保温时间1.0～2.5min/mm。

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1】

一种核电用非对称双面异质复合钢板，该复合钢板的制备方法按照以下步骤进行：

S1、对基板及复板进行铣磨，保证不锈钢与碳钢表面无残留氧化铁皮、油污、灰尘等缺陷存在，且钢板结合面的粗糙度为0.3～0.6μm。碳钢钢板规格为500×450×180mm，不锈钢钢板规格分别为为500×450×10mm、500×450×20mm，按轧制压下方向将不锈钢/碳钢/不锈钢顺序叠放板坯，要求每块坯料的对角线尺寸偏差控制在2mm内，组坯间的最大间隙不大于0.5mm。

S2、将复合板坯放置于真空室内，保证真空度在10-2Pa以下，采用真空电子束焊接方式对相邻钢板的四边进行焊接。焊接熔深要求40mm以上，焊缝饱满，焊液流淌处不得出现大于10mm凹坑，焊缝起弧和收弧区域须一致且连续，消除焊缝间断区域，焊接表面成形良好，无裂纹、夹杂、气孔和表面凹陷存在。

S3、将组坯后的复合坯送至加热炉内，加热温度为1200℃-1230℃，净保温时间为5.5h，分8道次将复合钢板厚度轧制为46mm，轧制温度为1050±10℃，总压下率为78％，其中四道次压下率≥20％，成品复合板沿轧制压下方向各层厚度分别为3、37、6mm。

S4、将制得钢板依次进行920℃淬火、净保温时间1.6min/mm；620℃回火、净保温时间1.5min/mm处理。

本实施例制备的非对称双面异质复合板上下结合面处金相组织，见图1和图2，不锈钢基体组织为含有大量孪晶的奥氏体，碳钢的显微组织为贝氏体。本实施例获得的非对称双面异质复合板基材力学性、结合强度分别如表1～3所示。

表1：46mm厚复合钢板基材拉伸性能表

表2：46mm厚复合钢板基材冲击性能表

表3：46mm厚复合钢板上下结合面剪切性能表

【实施例2】

一种核电用非对称双面异质复合钢板，该复合钢板的制备方法按照以下步骤进行：

S1、对基板及复板进行铣磨，保证不锈钢与碳钢表面无残留氧化铁皮、油污、灰尘等缺陷存在，且钢板结合面的粗糙度为0.3～0.6μm。碳钢钢板规格为500×450×180mm，不锈钢钢板规格分别为500×450×10mm、500×450×20mm，按轧制压下方向将不锈钢/碳钢/不锈钢顺序叠放板坯，要求每块坯料的对角线尺寸偏差控制在2mm内，组坯间的最大间隙不大于0.5mm。

S2、将复合板坯放置于真空室内，保证真空度在10-2Pa以下，采用真空电子束焊接方式对相邻钢板的四边进行焊接；焊接熔深要求40mm以上，焊缝饱满，焊液流淌处不得出现大于10mm凹坑，焊缝起弧和收弧区域须一致且连续，消除焊缝间断区域，焊接表面成形良好，无裂纹、夹杂、气孔和表面凹陷存在。

S3、将组坯后的复合坯送至加热炉内，加热温度为1200℃-1230℃，净保温时间为5.5h，分7道次将复合钢板厚度轧制为69mm，轧制温度为1050±10℃，总压下率为67％，其中三道次压下率≥20％，成品复合板沿轧制压下方向各层厚度分别为5、55、9mm。

S4、将制得钢板依次进行940℃淬火、净保温时间2min/mm；640℃回火、净保温时间2.2min/mm处理。

本实施例制备的非对称双面异质复合板上下结合面处金相组织，见图3和图4，不锈钢基体组织为含有大量孪晶的奥氏体，碳钢的显微组织为贝氏体，结合面处含有少量析出物。本实施例获得的非对称双面异质复合板基材力学性、结合强度分别如表4～6所示。

表4：69mm厚复合钢板基材拉伸性能表

表5：69mm厚复合钢板基材冲击性能表

表6：69mm厚复合钢板上下结合面剪切性能表

【实施例3】

一种核电用非对称双面异质复合钢板，该复合钢板的制备方法按照以下步骤进行：

步骤1：对基板及复板进行铣磨，保证不锈钢与碳钢表面无残留氧化铁皮、油污、灰尘等缺陷存在，且钢板结合面的粗糙度为0.3～0.6μm；碳钢钢板规格为2000×2200×490mm，不锈钢钢板规格分别为为2000×2200×15mm、2000×2200×25mm，按轧制压下方向将不锈钢/碳钢/不锈钢顺序叠放板坯，要求每块坯料的对角线尺寸偏差控制在2mm内，组坯间的最大间隙不大于0.5mm。

步骤2：将复合板坯放置于真空室内，保证真空度在10-2Pa以下，采用真空电子束焊接方式对相邻钢板的四边进行焊接；焊接熔深要求40mm以上，焊缝饱满，焊液流淌处不得出现大于10mm凹坑，焊缝起弧和收弧区域须一致且连续，消除焊缝间断区域，焊接表面成形良好，无裂纹、夹杂、气孔和表面凹陷存在。

步骤3：将组坯后的复合坯送至加热炉内，加热温度为1200℃-1230℃，净保温时间为14h，分7道次将复合钢板厚度轧制为129mm，轧制温度为1050±10℃，总压下率为76％，其中四道次压下率≥20％，成品复合板沿轧制压下方向各层厚度分别为3、120、6mm。

步骤4：将制得钢板依次进行940℃淬火、净保温时间2.8min/mm；660℃回火、净保温时间2.5min/mm处理。

本实施例制备的非对称双面异质复合板上下结合面处金相组织，见图5和图6，不锈钢基体组织为含有大量孪晶的奥氏体，碳钢的显微组织为贝氏体，结合面处含有大量析出物。本实施例获得的非对称双面异质复合板基材力学性、结合强度分别如表7～9所示。

表7：129mm厚复合钢板基材拉伸性能表

表8：129mm厚复合钢板基材冲击性能表

表9：129mm厚复合钢板上下结合面剪切性能表

本发明采用非对称双面异质复合钢板，最大厚度达129mm，应用于制备小型核电机组安全壳，可解决热电联供一体化供热堆的顶封头及筒体关键材料“卡脖子”难题，推进我国核电机组关键材料国产化；非对称双面异质复合钢板所采用的工艺流程较少，与其他制备过程中需制备侧板或镶嵌凹槽相比，生产成本低、成材率高；采用双面异质复合板，能够实现上下复材厚度的差异性，应用非对称双面异质复合钢板能够替代同等厚度不锈钢，节约制备成本；提出了一种非对称“不锈钢+碳钢+不锈钢”双面异质复合钢板的制备方法，从材料相容性角度考虑，选取316L不锈钢为复材，AG728钢板为基材，复合后钢板平均结合强度均超过410MPa，大幅度高于国标GB/T8165-2008《不锈钢复合板和钢带》中规定值(≥210MPa)。

Claims (5)

1.一种核电用非对称双面异质复合钢板，其特征在于，复合钢板的基材为碳钢，其成分按质量百分含量为C：0.10％～0.30％；Si：0.10％～0.40％；Mn：1.30％～1.70％；P≤0.01％；S≤0.002％；Cr：0.10％～0.30％；Mo：0.20％～0.60％；Ni：0.40％～1.00％；N≤0.01％；V：0.01％～0.05％；Cu≤0.03％，余量为Fe和不可避免杂质元素；

复合钢板的复材为不锈钢，其成分按质量百分含量为C≤0.03％；Si：0.40-0.70％；Mn：1.40-1.55％；P≤0.02％；S≤0.004％；Cr：15.85-17.15％；Mo：1.95-3.00％；Ni：10.00-11.05％；N≤0.15％；Co≤0.08％，余量为Fe和不可避免杂质元素。

2.根据权利要求1所述的一种核电用非对称双面异质复合钢板的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

S1、制备双面异质复合钢板的基板：按照复合钢板的基材成分制备连铸坯，以连铸坯为电极利用电渣重熔技术制备电渣锭，经过锻造+轧制后，制备双面异质复合基板备用；

S2、制备双面异质复合钢板的复板：按照复合钢板的复材成分制成不锈钢钢锭，将不锈钢钢锭按照所需厚度以低速小压下方式热轧成不同厚度的复板，经过固溶处理和酸洗钝化后作为双面异质复合复板备用；

S3、钢板组坯，具体包括以下内容：

1)、对双面异质复合基板和双面异质复合复板进行铣磨；

2)、分别将双面异质复合基板和双面异质复合复板待复合面进行机加工修磨，表面粗糙度为0.3～0.6μm；

3)、根据成品复合板的规格，选择厚度为180～500mm的双面异质复合基板和厚度为10～30mm的双面异质复合复板，其中不锈钢及碳钢的厚度百分比为12～67；按轧制压下方向将不锈钢/碳钢/不锈钢顺序叠放板坯，每块板坯的对角线尺寸偏差小于2mm，叠放板坯间的最大间隙不大于0.5mm；

S4、将组坯后的复合板放置于真空室内，真空度小于10^-2Pa，采用真空电子束焊接方式对相邻板坯的四边进行焊接；

S5、复合板轧制：将焊接好的复合板送至加热炉内，加热温度为1200℃～1230℃，净保温时间为5～14h，依据成品复合板的板厚设置不同轧制道次，总压下率为60％～80％，保证其中至少三道次压下率≥20％；

S6、调质处理，具体包括以下内容：

淬火工艺：温度控制在910～940℃，净保温时间2～3min/mm；

回火工艺：温度控制在610～660℃，净保温时间1.0～2.5min/mm。

3.根据权利要求2所述的一种核电用非对称双面异质复合钢板的制备方法，其特征在于，步骤S3中，所述的双面异质复合基板的厚度为180～500mm，所述的双面异质复合复板的厚度为10～30mm。

4.根据权利要求2所述的一种核电用非对称双面异质复合钢板的制备方法，其特征在于，步骤S4中，所述的真空电子束焊接方式为：焊接熔深大于40mm，焊液流淌处不得出现大于10mm的凹坑。

5.根据权利要求2所述的一种核电用非对称双面异质复合钢板的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述的低速小压下方式：轧制速度为0.5m/s；前两道次压下率均≤15％。