FR2461761A1 - Acier notamment pour la fabrication des structures soudees fonctionnant sous pression dans les installations de production d'energie - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE LA METALLURGIE. L'ACIER FAISANT L'OBJET DE L'INVENTION, EST DU TYPE CONSTITUE PAR DU CARBONE, DU SILICIUM, DU MANGANESE, DU NICKEL, DU POLYBDENE, DU VANADIUM, DE L'ALUMINIUM, DE L'AZOTE, DU PHOSPHORE, DU FER. L'ACIER EN QUESTION PEUT ETRE UTILISE NOTAMMENT POUR LA FABRICATION DE STRUCTURES SOUDEES TRAVAILLANT SOUS PRESSION PAR EXEMPLE DE GENERATEURS DE VAPEUR ET DE COMPENSATEURS DE VOLUME.

Description

La présente invention concerne le domaine de la métallurgie et a notamment une composition d'acier.

Les aciers ont reçu une très grande extension dans les constructions mécaniques, notamment dans la construction des matériels pour la production d'énergie, pour la fabrication de structures soudées travaillant sous pression, par exemple de générateurs de vapeur et de compensateurs de volume, ainsi que d'autres récipients sous pression, des unités nucléaires de production d'énergie d'une puissance allant jusqu'à 2 millions de kw.

Pour garantir l'exploitation sans risque du matériel des centrales nucléaires, les aciers destinés à la fabrication des récipients sous pression doivent satisfaire à une série de prescriptions : les valeurs de la charge de rupture, de la plasticité, de la résilience, de la résistance à la rupture fragile, de la résistance à la fragilisation lors des actions thermiques doivent être élevées.

On connaît un acier ayant la composition pondérale suivante
carbone 0,02 à 0,15%,
manganèse 0,1 à 2,5%,
molybdène
aluminium 0,01 à 2,0%,
silicium 0,1 à 1,0%,
nickel
vanadium 0,01 à 0,2%,
azote 0,002 à 0,02%,
fer le solde (cf. brevet R.F.A. nO 2 239 092).

Quand les pourcentages d'éléments d'alliage sont suffisants, cet acier peut assurer le niveau requis des propriétés de résistance mécanique pour lafabrication de récipients sous pression destinés aux unités nucléaires de production d'énergie d'une puissance de 1 million de kW et au-dessus. Toutefois, par suite de sa haute teneur en manganèse et en nickel, il a une tendance accrue à la fragilité de revenu, se développant pendant le refroidisse ment de la pièce après un revenu poussé.

On connaît un autre acier qui est utilisé pour la fabrication de récipients sous pression employés dans les installations nucléaires de production d'énergie. Cet acier a la composition pondérale suivante
carbone 0,08 à 0,11%,
silicium 0,17 à 0,37%,
manganèse 0,6 à 1,4%,
nickel 1,7 à 2,7%,
molybdène 0,35 à 0,6%,
vanadium 0,03 à 0,07%,
aluminium 0,02 à 0,07%,
azote 0,005 à 0,012%,
fer le solde.

Cet acier peut aussi contenir, sous forme d'impuretés, jusqu'à 0,3% en poids de chrome, jusqu'à 0,2% en poids de cuivre, jusqu'à 0,02% en poids de soufre, jusqu'à 0,018% en poids de phosphore (certificat d'auteur
URSS nO 554 702).

Pour assurer le niveau des caractéristiques de résistance mécanique exigé pour les récipients sous pression des unités nucléaires de production d'énergie d'une puissance de I million de kW et au-dessus, cet acier est d'ordinaire soumis à un traitement thermique, consistant en une trempe dans l'eau, suivie d'un revenu poussé.

Toutefois, pour les récipients sous pression massifs, de grandes dimensions, à épaisseur de paroi de 200 à 300 mm, ce traitement thermique peut provoquer, par suite du refrUdissement rapide dans l'eau lors de la trempe, l'apparition de contraintes résiduelles, le développement de microfissures et le gondolage. C'est pourquoi le traitement thermique optimal pour de telles pièces consiste en une normalisation avec refroidissement dans l'air, suivie d'un revenu pousse. Un tel traitement ne provoque ni fissuration, ni gondolage.Toutefois, l'acier connue permet d'obtenir le haut niveau requis des propriétés mécaniques, après un tel traitement thermique, que si sa teneur en nickel est proche de la limite supérieure de la composition de cette nuance, car, pour des teneurs en nickel plus faibles, la trempabilité de l'acier dans les sections de 200 à 300 mm est insuffisante pour atteindre les propriétés requises avec les petites vitesses de refroidissement propres à la normalisation de pièces d'une telle section à l'air. Un inconvénient des aciers indiqués consiste en ce que l'accroissement de leur pourcentage de nickel jusqu'à un niveau proche de la limite supérieure de la composition de cette nuance, accroît notablement la tendance des pièces à la fragilisation au cours du refroidissement lent exécuté lors des revenus complémentaires technologiques (après soudage, lors des réparations).Il s'ensuit que les aciers connus à forte teneur en nickel, dans le cas d'une normalisation avec revenu poussé, n'ont pas un haut niveau de caractéristiques mécaniques de pair avec une bonne résistance à la fragilisation lors des revenus technologiques. Pour les pourcentages de nickel proches de la limite inférieure de la composition de cette nuance, l'acier, quoique doué d'une grande résistance à la fragilisation, a un niveau insuffisant des caractéristiques mécaniques obtenues après la normalisation et un revenu poussé.

On s'est donc proposé de créer un acier qui aurait une résistance accrue à la fragilisation lors des revenus technologiques, tout en assurant un haut niveau des propriétés mécaniques après normalisation avec revenu poussé des éléments de grandes dimensions pour les récipients sous pression à épaisseur de paroi de 200 à 300 mm.

La solution consiste en un acier constitué par du carbone, du silicium, du manganèse, du nickel, du molybdène, du vanadium, de l'aluminium, de l'azote, du phosphore, du fer, dans lequel, d'après l'invention, il y a aussi du cérium et de l'antimoine, sa composition pondérale étant la suivante
carbone 0,08 à 0,14%,
silicium 0,10 à 0,37%,
manganèse 0,8 à 1,4%,
nickel 2,3 à 2,7%,
molybdène 0,5 à 0,7%,
vanadium 0,03 à 0,07%,
aluminium 0,02 à 0,07%,
azote 0,005 à 0,012%,
phosphore 0,003 à 0,012%,
cérium 0,03 à 0,12%,
antimoine 0,001 à 0,006%,
fer le solde.

La somme des pourcentages d'antimoine et de phosphore étant liée au pourcentage de manganèse dans l'acier par la relation 0.0011
(Sb + P) < Mn-0,2
Les constituants et leurs pourcentages indiqués assurent à l'acier la combinaison de propriétés nécessaires. Ainsi, la limite supérieure choisie pour le carbone, égale à 0,14% en poids, est liée au fait que l'augmentation de la teneur en carbone au-dessus de cette valeur dans l'acier Mn-Ni-Mo-V altère la soudabilité et accroît la tendance à la rupture fragile. Une teneur en carbone inférieure à 0,08% en-poids n'assure pas le niveau requis des caractéristiques de résistance mécanique quand les sections sont fortes.

Une teneur en silicium inférieure à 0,10% en poids ne permet pas d'assurer une bonne désoxydation de l'acier, ce qui nuit à sa qualité. L'augmentation de la teneur en silicium au-dessus de 0,37% en poids entraîne une diminution de la ténacité de l'acier et un accroissement de sa tendance à la fragilité de revenu.

Une teneur en manganèse inférieure à 0,8% en poids n'assure pas le niveau requis des caractéristiques de résistance de l'acier quand les sections sont fortes.

L'augmentation de la teneur en manganèse au-dessus de 1,4% en poids, en présence de 2,3 à 2,7% en poids de nickel, provoque un accroissement de la tendance de l'acier à la rupture fragile, augmente sa tendance à la fragilité de revenu.

La limite inférieure de la teneur en nickel, égale à 2,3% en poids, assure une trempabilité de l'acier suffisante pour obtenir le niveau requis des propriétés de résistance mécanique dans le cas de normalisation à l'air de gros éléments pour les récipients sous pression à épaisseur de paroi de 200 à 300 mm. L'augmentation de la teneur en nickel au-dessus de 2,7% en poids accroît notablement la tendance de l'acier à la fragilité de revenu, altère sa soudabilité.

Si la teneur en molybdène est inférieure à 0,5% en poids, la tendance de l'acier à la fragilité de revenu réversible et à l'adoucissement lors du revenu s'accroissent.

Si la teneur en molybdène est supérieure à 0,7% en poids, la ténacité et la soudabilité de l'acier s'altèrent.

La limite inférieure de la teneur en vanadium, égale à 0,03% en poids, assure une désoxydation et un dégazage suffisants de l'acier, ainsi qu'une structure fine. Si la teneur en vanadium dépasse 0,07% en poids, la soudabilité de l'acier s'altère.

La diminution de la teneur en aluminium au-dessous de 0,02% en poids ne permet pas d'atteindre une désoxydation complète et une fixation complète de l'azote dans les nitrures d'aluminium. Si la teneur en aluminium est supérieure à 0,07% en poids, l'acier se trouve encrassé par des oxydes d'aluminium, ce qui nuit à sa ténacité et à sa plasticite.

Si la teneur en azote n'est pas inférieure à 0,005% en poids, il se forme dans l'acier une quantité suffisante de nitrures d'aluminium, assurant l'obtention d'une structure à grains fins. Si la teneur en azote dépasse 0,012% en poids, l'acier et les soudures réalisées sur un tel acier peuvent être enclins au vieillissement de déformation ou thermique.

L'acier faisant l'objet de l'invention contient du cérium, à un taux pondéral de 0,03 à 0,12% en poids, ce qui exclut la formation de sulfures pelliculaires, diminue l'anisotropie des propriétés mécaniques, la tendance à la fragilisation lors des revenus technologiques, grâce à la fixation du cérium dans des composés chimiques, c'est-à-dire à lEélBLkation des impuretés nuisibles se trouvant dans la solution solide et dont la ségrégation aux joints des grains est la cause directe de la fragilisation, s'intensifiant quand le pourcentage de nickel est élevé.

La présence d'antimoine à un taux de 0,001 à 0,006% en poids dans l'acier faisant l'objet de l'invention, en présence d'un taux de phosphore à la limite supérieure, égale à 0,012% en poids, contribue aussi à l'accroissement de la résistance de l'acier à la fragilisation lors des revenus technologiques, grâce à la diminution de la ségrégation d'équilibre des atomes horophiles de substitution du type phosphore aux joints des grains.

En outre, pour conférer à l'acier une grande résistance à la fragilisation, la somme des pourcentages d'antimoine et de phosphore ne doit pas dépasser une valeur déterminée, dépendant du pourcentage de manganèse dans l'acier, conformément à la relation
(Sb + P) 0.011
Mn-0,2
Cela est dû au fait que la réaction chimique du manganèse avec l'antimoine et le phosphore peut, pour des rapports déterminés de leurs pourcentages, être la cause de leur ségrégation commune aux joints des grains dans l'acier, lors du refroidissement après les revenus technologiques, ce qui-provoque l'affaiblissement de la cohésion intergranulaire, c'est-à-dire la fragilisation de l'acier.La somme limite des pourcentages d'antimoine et de phosphore doit être d'autant plus petite que le pourcentage de manganèse dans l'acier est élevé, ce qui est assuré par la relation indiquée. Ainsi, il découle de cette relation que lorsque le pourcentage de manganèse est à la limite inférieure de la composition de la nuance, la somme des pourcentages d'antimoine et de phosphore peut aller jusqu'à 0,018% en poids, et lorsque le pourcentage de manganèse est à la limite supérieure, ladite somme ne peut dépasser 0,009% en poids.

Le procédé d'élaboration de l'acier conforme à l'invention est simple au point de vue technologique.

il consiste en ce qui suit.

L'acier est élaboré au four à arc basique. En tant que matières de départ, on utilise des matières pures quant au phosphore et à l'antimoine; riblons, fonte spéciale, ferroalliages (ferrovanadium, ferromolybdène, ferrosilicium, ferrocérium) et métaux purs (manganèse, nickel et aluminium).

Le processus d'élaboration de l'acier comprend les opérations suivantes
enfournement de la charge (riblons et débris d'électrodes et fusions
addition de chaux, de fluorine et de minerai de fer;
effervescence, déphosphoration et chauffage du métal;
renouvellement du laitier oxydant;
désoxydation de l'acier liquide et du laitier au ferrosilicium et au ferromanganèse;
introduction des éléments d'alliage;
désoxydation définitive de l'acier à l'aluminium et modification au calcium.

Pour fixer les idées, plusieurs exemples concrets, mais non limitatifs de compositions d'aciers conformes à l'invention sont décrits ci-après
Exemple 1.

On élabore unacier ayant la composition pondérale suivante
carbone 0,08% ,
silicium 0,10% ,
manganèse 0,80 ,
nickel 2,3%
molybdène 0,5%
vanadium 0,03%
aluminium 0,02%
azote 0,005%,
phosphore 0,02% ,
cérium 0,03% ,
antimoine 0,006%,
L'acier est élaboré au four à arc basique. Pour la composition de la charge on utilise des matières pures quant au phosphore, à l'arsenic et à l'étain: fer de la marque connue sous la dénomination " Armco ", débris d'électrode, fonte spéciale, ferroalliages, silicocalcium à 15-30 % de calcium, manganèse métal pur, nickel métal pur et aluminium métal pur. On enfourne la charge, on la fait fondre et on la chauffe jusqu'à une température de 1530 à 1580 C.Après lafusion on ajoute du minerai de fer et de la chaux. On brasse soigneusement le lattier oxydant obtenu avec l'acier liquide. Ensuite on évacue le laitier et on rajoute au bain du minerai de fer et de la chaux, après quoi on additionne du nickel et du ferromolybdène.

On tient en effervescence jusqu'à ce que la teneur de l'acier en carbone atteigne 0,08% en poids. Ensuite on évacue le laitier oxydant du four, on ajoute dela chaux, de la fluorine, de l'aluminium du ferrosilicium, du manganèse, du ferrovanadium. On chauffe l'acier liquide jusqu'à une température de 1620 à 16400C et on procède à la coulée.

On ajoute à l'acier se trouvant dans la poche du ferrocérium.

Exemples2 à 6.

Le tableau 1 donne les compositions d'aciers élaborées par un procédé analogue à celui décrit dans-l'exemple 1.

Le tableau 2 indique les propriétés mécaniques de l'acier conforme à l'invention (exemples 1 à 6) et celles de acier connu (à teneur en nickel de 1,7 à 2,7% en poids) après normalisation à l'air, suivie d'un revenu poussé
Le tableau 2 montre que l'acier conforme à l'invention tout en ayant le même haut niveau de propriétés mécaniques que l'acier connu, a unebien plus faible tendance à la fragilisation lors du refroidissement lent après les revenus complémentaires. Ainsi, la température critique de fragilité de l'acier connu augmente de 30 à 500C par suite de la fragilisation conditionnée par le refroidissement de l'acier après un revenu poussé complémantaire à une vitesse de 10 C/h, alors que pour l'acier conforme à l'invention la valeur de A Tc n'est que de 10 à 200C. Pour une vitesse
de refroidissement de 5 C/h, cette différence est encore
plus grande : a T c s'élève à 40-700C pour l'acier connu
et n'est que de 20-30 OC pour l'acier conforme à l'invention.

Tableau 1
Composition de l'acier conforme à l'invention N de C Mn Si Ni Mo V Al l'exemple
I 0,08 0,80 0,10 2,3 0,50 0,03 0,02
2 0,10 1,13 0,28 2,5 0,63 0,06 0,04
3 0,14 1,40 0,37 2,7 0,70 0,07 0,07
4 0,13 0,87 0,31 2,33 0,65 0,03 0,03
5 0,09 1,26 0,34 2,49 0,54 0,04 0,06
6 0,10 1,05 0,30 2,56 0,58 0,04 0,05
N P Ce Sb Sb+P 0,11
Mn-0,2
0,005 0,012 0,03 0,006 0,018 0,0183
0,009 0,010 0,08 0,002 0,012 0,0122
0,012 0,008 0,12 0,001 0,009 0,0092
0,008 0,011 0,05 0,003 0,014 0,016
0,007 0,008 0,07 0,002 0,010 0,0104
0,008 0,010 0,04 0,001 0,011 0,013
Tableau 2
Propriétés de l'acier conforme à l'invention et de l'acier connu
Acier Section Régime Tempé- Propriétés mécaniques
de de rature l'ébau- traite- de # 0,2 #r A
che ment l'essai kg/mm kg/mm % forgée thermi- 0C C
mm que
1 2 3 4 5 6 7
N de 300 Norma- 20 37 1 56 9 23 8 l'exem- lisa- 38,6 60,8 25,4 ple 1 tion à
partir 350 33,3 51,0 22,2
de 920 C 35,2 54,1 24,8
+ revenu
à 6500C
2 300 -""- 20 39,5/40,8 60,2/61,5 19,2/21,2
350 36,8 47,0 18 5
38,0 48,4 20,8
3 300 -""- 20 46,2/48,3 86,0/67,4 16,3/19.2
350 43,7/45,1 59,1/60,8 15,0/21,0
4 300 -""- 20 38/41 59/62 18/22
350 35/39 50/53 18/20 5 - "- -""- 20 37 58 19
40
350 35 50 18
37 54 21
6 -"- -""- 20 37/41 59/61 18/23
350 35/38 51/54 17/21
connu 300 -""- 20 35/45 55/65 16/35
350 30 50 14
43
Tableau 2 (suite)
Tc, C #T ( C) après revenu com
Pissement
-------- après re- Vref. =5 C/h Vref. =10 C/h
kg.m/cm venu dans l'eau)
8 9 10 11 12 68,2/71,0 5,0/18,2 -20/-25 20/25 10/15 66,4/67,8 12,9/20,5 61,8/63,1 76,0/20,8 -25/-30 25/30 15/20 59,6/61,9 13,5/22,4 55,0/58,3 7,5/22,8 -30/-35 25/30 15/20
52,4/54,0 13,4/23,7 60 7 -20 20 15 -30 59 14 61 8 -25 15 10 64 20 -35 20 15 59/62 13/21 59/63 8/23 -20/-25 20/30 10/20 58/62 12/21 55/70 4,0/20,0 -10/+15 40/70 30/50 50 12
Nota.Pour l'acier conforme à l'invention, on donne au numérateur et au dénominateur, respectivement, la valeur minimale et la valeur maximale des propriétés, déterminées d'après les résultats des essais de différentes éprouvettes de la composition donnée; pour l'acier connu, on donne au numérateur et au dénominateur, respectivement, la valeur minimale et la valeur maximale des propriétés, déterminées d'après les résultats des essais d'éprouvettes à teneurs limites en constituants dans les plages de la composition de la nuance.

La température de la transition ductile-fragile est déterminée d'après le niveau de la composante ductile de 50% dans la cassure.

Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits, ainsi que leurs combinaisons si cellesci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre-de la protection comme revendiquée.

Claims (1)

1. REVENDICATION

   Acier du type constitué par du carbone, du silicium, du manganèse, du nickel, du molybdène, du vanadium, de l'aluminium, de l'azote, du phosphore, du fer, caractérisé en ce qu'il contient aussi du cérium et de l'antimoine, sa composition pondérale étant la suivante

   carbone 0,08 à 0,14%,

   silicium 0,10 à 0,37%,

   manganèse 0,8 à 1,4%,

   nickel 2,3 à 2,7%,

   molybdène 0,5 à 0,7%,

   vanadium 0,03 à 0,07%,

   aluminium 0,Q2 à 0,07%,

   azote 0,005 à 0,012%,

   phosphore 0,003 à 0,012%,

   cérium 0,03 à 0,12% ,

   antimoine 0,001 à 0,006%,

   fer le solde, la somme des pourcentages d'antimoine et de phosphore étant liée au pourcentage de manganèse dans l'acier par la relation

   (Sb + P) < 0,011 Mn-0,2