一種-50℃核電承壓設備用鋼及生產方法

專利名稱：一種-50℃核電承壓設備用鋼及生產方法
技術領域：
本發明涉及低合金高強鋼制造領域，具體屬于一種-50°c條件下的高韌性、低輻照脆化核電承壓設備用鋼及其制造方法。
背景技術：
核電承壓用鋼用于制造核島壓力容器、壓力管道、安全殼等承壓設備，其作用是保護核電設備運行、防止放射性射線擴散和支撐反應堆基礎結構，是反應堆的重要安全屏障。 我國正在大力發展核電，每年不斷新增核電機組項目。目前我國核電布局廣泛，不同地區氣溫差異較大，而現有核電承壓設備用鋼低溫韌性不高，適應地區范圍窄，不能滿足核電建設快速發展的需求。在本發明以前，中國專利號200710039741. 0公布了“低屈強比可大線能量焊接高強高韌性鋼板及其制造方法”，其化學成分按重量百分比為c :0. 025 0. 055、Si 彡 0. 20, Mn 1. 40 1. 75, P ^ 0. 013, S 彡 0. 002, Cu 0. 25 0. 55, Ni 0. 40 0. 80, Mo 0. 10 0. 40,Nb 0. 02 0. 04,Als :0. 04 0. 06,Ti :0. 007 0. 013,Ca :0. 001 0. 005、 B^O. 0003，其余為Fe及不可避免的雜質。該專利技術不足之處在于沒有針對核電站承壓設備用鋼的使用要求進行設計，添加了較多的Cu( > 0. 3% )，會增大輻照脆化傾向。另外，中國專利申請號200810303506. 4公開了一種核電用WB36CN1管坯鋼的生產方法，具體為轉爐冶煉、LF精煉爐精煉、圓坯連鑄機澆鑄、鑄坯表面檢查、鑄坯表面噴砂、電渣重熔鋼錠、鋼錠緩冷，制得的管坯鋼的化學成分按重量百分比計0.0. 19%, 0. 21%^ Si ^ 0. 54%,0. 1. 25%,0 0. 020%,0 < S^ 0. 006%,0. 14% ^ Cr ^ 0. 35 %, 0. 95 % ^ Ni ^ 1. 35 %, 0. 45 % ^ Cu ^ 0. 85 %, 0. 20 % ^ Mo ^ 0. 45 %, 0. 010%^ Nb 彡 0. 030%,0 < N 彡 0. 021%,0 < Al 彡 0. 055%, Fe 為余量，管坯鋼成品純凈度高、性能穩定。該專利技術不足之處在于鋼板全部采用了電渣重熔鑄坯，生產成本增加，且添加了較多的Cu( > 0. 3% )，不能適用于對輻照脆化效應要求較高的設備。此外，中國專利號200810201871公開了寶山鋼鐵股份有限公司的一種抗輻射性能優良的中高溫特厚鋼板及其制造方法，采用中C-中Mn-高N低合金鋼的成分體系作為基礎，適當控制鋼中酸溶Als含量和Als/N比范圍、控制(Mn/C)比在8 15、(Ni+Cr+Mo)復合強韌化、Ca處理且Ca/s比在1. 00 3. 00，優化控軋及后續熱處理工藝，獲得優異的強韌匹配、抗疲勞蠕變性能、抗回火脆化、焊接工藝性，尤其鋼板抗中子輻射脆化及焊接接頭抗疲勞蠕變性能優良，特別適宜于用作特殊耐熱壓力容器胴體。上述專利技術不足之處在于該鋼針對中高溫核電鋼板的使用要求進行設計，不能保證較低溫度下的使用性能，使用范圍較窄。在國外，日本公開了一種含B奧氏體不銹鋼板的生產方法，專利號JP200(^94549。 該鋼板可以吸收中子，有良好的延性和韌性，可用于核燃料運輸容器的制造。該鋼所含化學成分(質量％ ) ^ 0. 08C,彡 ISi,彡 2Mn, 16 5Cr，7 15Ni，0. 1 1. 5Μο，0· 3 1· 5Β, 0. 005 0. 3Als, ^ 0. 05N，其余為！^和不可避免的雜質。該鋼采用合金鋼的生產工藝，添加了很多Cr、Ni、Mo等貴重金屬元素，使得冶煉、軋制過程中難度較大，生產成本較高。

發明內容
本發明的目的在于克服上述不足，提供一種能提高核電站運行中的安全性和可靠性，高韌性、高強度、低輻照脆化效應、優良的高溫拉伸性能和焊接性能，厚度50mm以上鋼板焊前預熱溫度不高于100°C，焊后熱處理適應溫度范圍大，抗拉強度大于585MPa級的核電承壓設備用鋼及生產方法。實現上述目的的技術措施一種-50°C核電承壓設備用鋼，其化學組分及重量百分比為C :0. 05 0. 15%, Si 0. 25 0. 50 %、Mn :1. 00 1. 28 Alt :0. 02 0. 04 %、Ni :0. 40 0. 80 %、Cu 0. 10 0. 24%,Mo 0. 10 0. 20%、V :0. 02 0. 05%，其余為Fe及不可避免的雜質；控制元素P彡 0. 008%,S^O. 005%,N^O. 005%, Sn^O. 005%, Sb^O. 005%, As ( 0. 010%, Pb ( 0. 005% ；CE ( 0. 48，其中，CE = C+Mn/6+ (Cr+Mo+V)/5+ (Ni+Cu)/15( % )；并滿足關系式Alt/N 在 8. 0 15. 0，Sn+Sb+As+Pb ^ 0. 02% ；技術要求RpO.2 彡 415MPa, Rm :585 705MPa，A ^ 20 %, -50 °C KV2 彡 100J, 3500C Rm 彡 525MPa, RTndt ^ _50°C，上平臺能量彡 150J。生產權一種_50°C核電承壓設備用鋼的方法，鋼板厚度為10 150毫米，其步驟1)采用潔凈鋼的冶煉工藝進行冶煉；2)軋制鋼板厚度10 100毫米時，進行連鑄，控制連鑄鑄坯厚度在250 300毫米，壓縮比至少為3 ；軋制鋼板厚度100 150毫米需采用電渣重熔坯，電渣重熔鑄坯厚度在200 320毫米，壓縮比至少為2 ；3)將鑄坯冷卻之室溫，控制冷卻速度在10 30°C /小時；4)對鑄坯進行加熱，加熱溫度控制在1180 1220°C，并在此溫度下保溫240 300分鐘；5)進行粗軋，控制開軋溫度在1100 1200°C，并控制鋼板中間軋制厚度在80 250毫米；6)進行精軋，控制開軋溫度840 920°C，終軋溫度在700 820°C，總壓下率在 50 96%，最后三道次總壓下率至少為30% ；7)進行常規淬火和回火熱處理；8)自然冷卻至室溫。各合金元素的作用及機理設計發明本鋼種時，考慮該鋼主要是要保證鋼板的韌性、延性水平，控制好強度范圍。因此，低碳微合金鋼可以達到設計要求。煉鋼時要控制鋼水的純凈度，防止雜質元素和殘余元素對鋼板輻照脆化性能的影響。C、Si、Mn的設計成分保證了鋼板的強度范圍符合核電承壓設備用鋼(核電鋼制安全殼、蒸發器、穩壓器等設備)的要求。微量Cu的添加提高了鋼板的耐蝕性和韌性水平，微量V的添加保證較厚鋼板的強度水平，保證了鋼板的使用安全。設置Alt/N ^ 2. 0是為了改善鋼板韌性，減少輻照敏感性，同時降低鋼板應變時效敏感性；設置Sn+Sb+As+Pb ^ 0. 020%主要是考慮到這幾個元素對鋼板高溫下的輻照脆化效應影響較大，要嚴格限制其含量。
從化學成分上，該鋼主要是提高其韌性，保證鋼板的強度并獲得良好的延性和抗輻照脆化性能。因此要致力于提高鋼的冶金質量，要控制鋼中的微量雜質，特別是S、P含量，從而提高核承壓設備的安全可靠性。在微合金元素的利用上，主要是利用Mo來提高鋼板的淬透性，其中特別注意Ni、Cu、V的利用。總的說來，采用Ni、Mo、Cu、V及其他元素的復合微合金化上，要充分發揮各元素的特點。(1)合金元素對核電承壓設備用鋼輻照脆化的影響C是提高鋼材強度最有效的元素，隨著C含量的增加，鋼中增加，淬硬性也增加，鋼的抗拉強度和屈服強度提高。但是，隨著C含量增加，鋼材的延伸率和沖擊韌性下降， 尤其是會提高輻照脆化傾向。而且，鋼材的焊接熱影響區還會出現淬硬現象，導致焊接冷裂紋的產生。因此，結合武鋼現有的590MI^級以上調質鋼的化學成分統計規律，本發明鋼的 C含量應控制在0. 20%以內，以便獲得優良的綜合性能。Si含量不是有意添加的合金元素，而是冶煉時從廢鋼和生鐵原料中帶來的。根據一股規律，隨著輻照溫度升高，點缺陷及其衍生的輻照缺陷恢復能力增強，輻照效應隨之減小，但鋼中添加0. 5% Si后，鋼的輻照缺陷恢復能力降低。這表明含Si高有穩定輻照缺陷的作用，故使恢復效應不明顯。可見，Si對輻照有害，本發明鋼的Si含量應控制在低限，一股認為Si在0. 25 0. 50%可滿足要求。Mn和Ni是擴大、相、細化晶粒、球化碳化物和保證綜合性能以及提高淬透性的有效元素，但實驗表明它們都有增大輻照脆化的趨勢。原因可能與Mn、Ni降低了鋼Ac3溫度，使滿足奧氏體化溫度的熱峰數量增加，即類似于被淬火的微區增多。但M對輻照的影響和Cu含量與中子注量的高低有關。當Cu含量極低時，不同含量M對輻照的影響差別不大，即無Cu存在時，M對輻照危害甚小。考慮Mn對鋼板強度的貢獻和輻照脆化的影響，實際生產中一股把Mn在1. 00 1. 38%的范圍內。考慮到本發明鋼中Cu的設計范圍，因此應控制 Ni 0. 40 0. 80%。Al是鋼中的主要脫氧元素，在Y中的最大溶解度大約0.6%，它溶入奧氏體后僅微弱地增大淬透性，所以認為Al對焊接氫致裂紋基本沒有影響。但是，當Al含量過高時， 易導致鋼中夾雜增多，對鋼的韌性不利。核電承壓設備用鋼中，為了脫氧和細化晶粒而加入的Al量與N含量有關，對A1/N有要求。鋼材中若A1/N比例合理，可以提高鋼的低溫韌性、 減少鋼的輻照脆化敏感性，所以，本發明鋼將Al控制在0. 02 0. 04%范圍內有利于改善鋼板韌性，減少輻照敏感性，同時降低鋼板應變時效敏感性。Cu在鋼中主要起沉淀強化作用，此外還能提高鋼材的抗疲勞裂紋擴展能力，但Cu 對輻照有危害。承壓設備中的殘余Cu遠大于300°C時0. 002%的溶解度，輻照能使Cu的沉淀提高幾個量級。沉淀出的自由Cu對串級碰撞產生的微空洞有穩定作用，而微空洞又造成是輻照脆化的重要原因，它們因阻礙位錯運動而引起硬化和脆化。因此，核電承壓設備中對 Cu含量有嚴格控制。綜合考慮Cu對鋼板綜合力學性能、耐蝕性和輻照脆化的影響，將Cu含量控制在0. 10 0. 24%。Mo是有效提高鋼材強度特別是高溫強度的元素，還能提高鋼材抗氫脆能力，提高鋼材回火穩定性。Mo同C、N、0的親和力很強，也能明顯抑制輻照硬化。Mo元素提高了鋼的Ac3溫度，即奧氏體化溫度升高后相應減少了能引起微區淬火的熱峰數目。參考武鋼已有同類鋼種中的Mo含量，控制Mo含量在0. 10% 0. 20%。
V是一種相當強烈的碳化物形成元素。它通過細化晶粒與碳化物的形成可提高鋼材的常溫和高溫強度，但V對輻照硬化比較敏感。這與V的二次硬化有關，即除了輻照硬化之外，還有輻照時V的碳化物析出引起的硬化。為了尋求既對輻照無害又對鋼的韌性和高溫性能有利的釩含量，國外通過對各種V含量的輻照實驗指出，推薦V 0. 02 0. 05%。(2)雜質元素對核壓力容器輻照性能的影響由上看出，合金元素或多或少地增大鋼的輻照脆化趨勢，但合金元素是細化晶粒、 提高淬透性和減少回火脆性以及保證綜合性能所必需的，即不可缺少的，而下列雜質元素不僅是鋼中多余的，且輻照效應都比較大，尤其是銅危害更大。它們都是地礦內天然存在的元素，煉鋼原料中難以避免，實際生產又不能為了減少輻照效應而不惜工本地要求高純，故只能根據輻照規律對鋼中雜質元素提出合理地限制。As、Pb、Sn、Sb盡管在鋼中含量甚少，但對輻照性影響較大，嚴格控制其含量能明顯減少輻照效應。但這些殘余元素僅對高溫輻照有影響，在低于149°C輻照時，影響不大。這可能與低溫輻照時基體中組織的影響大于成分的影響，高溫輻照時成分的影響大于組織的影響有關。P和S有加速輻照脆化的傾向。S降低輻照后試樣最大沖擊功可能與形成的熔點 FeS和MnS有關。P對輻照敏感與P在晶界偏析有關。因P原子擴散到晶界引起偏析使晶界表面能降低，所以導致ANDT增加。此外，P含量對輻照脆化的影響還與Cu含量有關。P 隨Cu含量增加，輻照效應減少。因為鋼中Cu含量低時，聚集成幾個納米大小的P原子群和磷化物沉淀比較多；隨著Cu量增加，P被結合在富Cu沉淀中，產生銅磷化物，即P的單獨影響隨著Cu增加而降低。另夕卜，由于該鋼用于核電工程，對鋼中P、S、As、Sn、Sb的控制較嚴，避免出現因這些元素造成的輻照脆化現象，如P會增強脆化效果。核電大型鍛件一股均要求PS 0.015%， S^O. 008%, Sn+Sb+As+Pb 彡 0. 020%。本發明與現有技術相比，具有如下優點1.本發明鋼具有高韌性，即在-500C KV2彡100J, RTndt ( -50°C ；2.本發明鋼在_50°C下具有高強度和高延性，即(Rm彡585MPa, A ^ 20% )；3.本發明鋼具有優良的高溫拉伸性能(350°C Rm彡525MPa)；4.本發明鋼同時具有優良的焊接性能、低輻照脆化效應，并保證了鋼板模擬焊后熱處理后的力學性能，大大簡化焊接生產工藝，提高焊接效率。5.本發明鋼以調質狀態交貨，對軋制制度要求不高，軋制成本較低，鋼板合格率高等優點，適應大生產要求。本發明鋼可用于第三代核電站壓力容器、壓力管道和安全殼等承壓設備的制造。
具體實施例方式下面做詳盡描述表1為本發明實施例則分及重量百分比取值；表2為各實施例的工藝；表3本發明實施例與對比鋼種的力學檢驗結果；表4本發明實施例與對比鋼種SR熱處理后力學檢驗結果。
表1本發明實施例與對比鋼種化學成分)
權利要求
1.一種-50°c核電承壓設備用鋼，其化學組分及重量百分比為C 0. 05 0. 15%,Si 0. 25 0. 50%,Mn 1. 00 1. 28%, Alt 0. 02 0. 04%, Ni 0. 40 0. 80%, Cu 0. 10 0. 24%,Mo 0. 10 0. 20%,V 0. 02 0. 05%，其余為Fe及不可避免的雜質；控制元素P 彡 0. 008%, S 彡 0. 005%, N 彡 0. 005%, Sn 彡 0. 005%, Sb 彡 0. 005%, As ( 0. 010%, Pb ( 0. 005% ；CE ( 0. 48，其中，CE = C+Mn/6+ (Cr+Mo+V)/5+ (Ni+Cu)/15 ( % )；并滿足關系式Alt/N 在 8. 0 15. 0，Sn+Sb+As+Pb ^ 0. 02% ；技術要求RpO. 2 彡 415MPa, Rm 585 705MPa，A ^ 20 %, -50 "C KV2 彡 100J, 3500C Rm 彡 525MPa, RTNDT 彡 _50°C，上平臺能量彡 150J。
2.生產權利要求1所述的一種_50°C核電承壓設備用鋼的方法，鋼板厚度為10 150 毫米，其步驟1)采用潔凈鋼的冶煉工藝進行冶煉；2)軋制鋼板厚度10 100毫米時，進行連鑄，控制連鑄鑄坯厚度在250 300毫米， 壓縮比至少為3 ；軋制鋼板厚度100 150毫米需采用電渣重熔坯，電渣重熔鑄坯厚度在 200 320毫米，壓縮比至少為2 ；3)將鑄坯冷卻之室溫，控制冷卻速度在10 30°C/小時；4)對鑄坯進行加熱，加熱溫度控制在1180 1220°C，并在此溫度下保溫240 300分鐘；5)進行粗軋，控制開軋溫度在1100 1200°C，并控制鋼板中間軋制厚度在80 250毫米；6)進行精軋，控制開軋溫度840 920°C，終軋溫度在700 820°C，總壓下率在50 96%，最后三道次總壓下率至少為30% ；7)進行常規淬火和回火熱處理；8)自然冷卻至室溫。
全文摘要
本發明涉及一種-50℃條件下的高韌性、低輻照脆化核電承壓設備用鋼及其制造方法。其其化學組分及重量百分比為C0.05～0.15％、Si0.25～0.50％、Mn1.00～1.28％、Alt0.02～0.04％、Ni0.40～0.80％、Cu0.10～0.24％、Mo0.10～0.20％、V0.02～0.05％，其余為Fe及不可避免的雜質；生產步驟采用潔凈鋼的冶煉工藝；進行連鑄或電渣重熔坯；將鑄坯冷卻之室溫；鑄坯加熱并保溫；進行粗軋；進行精軋；常規淬火和回火；自然冷卻至室溫。本發明能提高核電站運行中的安全性和可靠性，-50℃條件下具有高韌性、高強度、低輻照脆化效應、優良的拉伸性能和焊接性能，抗拉強度大于585MPa級。
文檔編號C22C38/60GK102181807SQ20111011761
公開日2011年9月14日 申請日期2011年5月9日 優先權日2011年5月9日
發明者丁慶豐, 劉文斌, 張開廣, 徐進橋, 李書瑞, 童明偉, 芮曉龍, 董中波, 董漢雄, 鄒德輝, 郭斌, 駱海賀 申請人:武漢鋼鐵(集團)公司