一種550MPa級核電穩壓器設備用鋼及其制造方法與流程

本發明屬于黑色金屬材料領域，尤其涉及特別涉及550mpa級核電穩壓器設備用鋼及其制造方法。
背景技術：
：核能作為一種清潔、安全、穩定的能源，已越來越受到世界各國的重視，安全利用核能、大力發展核電已成為一種趨勢。我國目前已經成為世界上在建核電機組最多的國家，同時作為核電技術輸出國，已先后與南非、巴基斯坦、土耳其等國家簽訂相關協議，為其建設先進核電機組。其中在核島設備中穩壓器屬于核一級裝備，由于需要與具有放射性的高溫、高壓的水相接觸，因此應用位置極為關鍵。同時為保證安全、減少焊縫，通常情況下，穩壓器筒體是由上、中、下三塊鋼板壓制、焊接而成，每塊鋼板厚度為119mm。穩壓器封頭由上、下封頭組成，每個封頭均由一張鋼板壓制而成，鋼板厚度為100mm，因此上述鋼板不僅超厚，而且還超寬(寬度為4000mm以上)，同時在綜合性能要求方面更為嚴格，因此從國內外現有鋼鐵企業裝備能力來看，生產此類鋼板均有較大難度。目前世界上生產該類鋼板的企業主要是法國industeel，鋼種是rcc-mm2126標準規定的16mnd5，生產方式是采用大型鋼錠軋制而成。從其生產情況來看主要存在兩個方面的問題：一是按rcc-mm2126標準進行生產，鋼中的c及ni、mo等元素含量控制不盡合理，調質處理(以下簡稱qt)后雖然可以獲得回火索氏體組織，但 再經長時間模擬焊后熱處理(以下簡稱spwht)，鋼中會析出大量合金碳化物，從而造成強度及韌性下降，難以滿足要求。通常情況下，此類鋼只能滿足10小左右的spwht，而難以滿足實際生產中長達16-16.5小時的spwht要求；二是由鋼錠直接軋制成鋼板，通常情況下由于軋機能力的限制，鋼板中心部位不能充分參與變形，因此一些中心疏松、裂紋不能得到有效焊合，從而造成探傷不合，這對于核一級設備用鋼而言是極為致命的。本發明通過實踐，在合金元素方面進行了改進，引入固溶強化、析出強化及細晶強化機制，再配合適宜的軋制和熱處理工藝，從而保證鋼板在不同狀態下的性能滿足要求；同時利用水壓機優勢，將鋼錠鍛造成適宜的鋼坯，確保鋼坯中心部位缺陷焊合，組織致密，從根本上解決了上述問題。目前國內外對核電用鋼已形成較多專利及文獻《核電站安全殼用厚鋼板及其制造方法》(申請號：201210269122.1)，公開了一種核電站安全殼用厚鋼板，其厚度為10-60mm，其化學成分為:c:0.06-0.15％；si:0.10-0.40％；mn:1.0-1.5％；mo:0.10-0.30％；p≤0.012％；s≤0.003％；al:0.015-0.050；ni:0.20-0.50％；以及v≤0.05％，ti≤0.03％，cr≤0.25，nb≤0.03％，ca:0.0005-0.005％中的至少一種；余量為fe和其他不可避免的雜質。主要涉及的核電站安全殼用厚鋼板具有高強度、高韌性，并且在低溫情況下母材及熱影響區都具有良好的沖擊韌性，適合應用于核電站安全殼制造領域。《一種第三代核電站反應堆安全殼用鋼板及其制造方法》(申請號：201210282831.3)，主要涉及一種第三代核電站反應堆安全殼用鋼板及其制造方法，其成分范圍為：c:0.08-0.12％；si:0.15-0.55％；mn:0.9-1.5％；p≤0.007％；s≤0.004％；ni:0.1-0.5％；cr:0.0-0.3％； mo:0.10-0.35％；v:0.010-0.050％；nb:0.010-0.030％；ti:0.008-0.035％；al:0.020-0.050％；n≤0.006％；nb+v≤0.08％，余量為鐵和不可避免的雜質。本發明制造的鋼板，抗拉強度達到600mpa以上，耐200℃高溫性能，成本低廉，焊接性能優良。但檢驗核反應堆安全殼用鋼板的一項重要技術指標是模擬焊后熱處理后鋼板的力學性能，該專利中未提及其模擬焊后熱處理的性能。上述兩項發明均涉及核反應堆安全殼的建造，而本發明主要涉及的核級設備安注箱殼體建造。《一種核電工程用復合鋼板及其制備方法》(申請號：201210349026.8)，主要涉及一種核電工程用復合鋼板，包含基板和復板，基板為鎮靜鋼鋼板，復板為鉻鎳奧氏體不銹鋼鋼板。基板成分為：c≤0.025％；si:0.10-0.50％；mn:1.00-1.80％；p≤0.015％；s≤0.015％；ni:0.30-0.80％；cr≤0.25％；mo:0.35-0.70％；cu≤0.12％；v≤0.06％；nb≤0.02％；ti≤0.03％；co≤0.25％；al≥0.02％，余量為鐵和不可避免的雜質。該專利除公開了鋼板化學成分外，重點公開了復合鋼板的制備方法，雖然提到了基板與復板的成分，但對于復合鋼板的軋制工藝和熱處理工藝并沒有提出。《一種核電站壓力容器及設備閘門用鋼板及其制造方法》(申請號：201310076884.4)，主要涉及一種核電站壓力容器及設備閘門用鋼板，鋼板包括：c:0.10-0.20％；si:0.15-0.35％；mn:1.00-1.65％；p≤0.015％；s≤0.005％；ni:0.50-0.85％；cr≤0.15％；cu≤0.06％；mo≤0.05％；v≤0.020％；nb≤0.040％；ti≤0.020％；al:0.020-0.050％； n≤0.015％；as≤0.015％；sn≤0.010％，余量為鐵和不可避免的雜質。該專利主要公開了在現有設備條件下采用轉爐冶煉，實現了潔凈鋼的生產。同時鋼板生產成本低，具有穩定的組織性能，低溫韌性和高溫性能，焊接性能、冷熱加工性能優良，其韌脆轉變溫度tndt≤-28℃。但與本發明相比，一方面用途不同(本發明主要涉及核島設備——安注箱殼體基板用鋼)，對比專利的組織為鐵素體+珠光體，并且該發明中提出熱處理狀態為正火。《一種核電工程設備用超大厚度鋼板及生產方法》(201210309621.9)，主要涉及一種核電工程設備用超大厚度鋼板及生產方法，屬于煉鋼生產
技術領域：
。化學成分包括：c≤0.020％；si:0.10-0.30％；mn:1.15-1.60％；p≤0.012％；s≤0.010％；ni:0.50-0.80％；cr≤0.20％；mo:0.45-0.55％；cu≤0.18％；v≤0.01％；nb≤0.02％；ti≤0.03％；al總≥0.020％；cu+6sn≤0.33％，余量為鐵和不可避免的雜質。該專利主要應用于核電站蒸發器、高壓封頭及壓力容器等關鍵設備的制造。與本發明涉及的鋼板雖同樣屬于特厚板(厚度≥100mm)，但在成分設計、生產工藝及性能方面存在明顯不同。《一種核電站機械模塊支撐件用高強韌鋼板及其制造方法》(申請號：201310083274.7)，主要涉及一種核電站模塊支撐件用鋼板，成分包括：c:0.08-0.22％；si:0.15-0.45％；mn:0.60-1.10％；p≤0.020％；s≤0.015％；ni:0.60-1.00％；cr:0.40-0.70％；cu:0.15-0.55％；mo:0.40-0.60％；v:0.020-0.080％；ti:0.008-0.030％；b:0.0005-0.005％； al:0.020-0.050％，余量為鐵及雜質。該專利在低碳含量設計基礎上適當添加合金元素，使鋼的抗拉強度達到800mpa以上。不足之處在于，厚度規格僅限于6-65mm、沖擊功平均值為160mpa，不適于安注箱基板的制造。文獻“核電壓力容器用厚鋼板sa533b的組織及力學性能，《材料熱處理學報》，2012，第33卷，第8期”報道了一種620mpa級核電壓力容器用鋼，其經模擬焊后熱處理后板材組織中有鉬的析出，使板材的韌性降低；文獻“核電壓力容器鍛件用16mnd5鋼的熱處理工藝，《鋼鐵研究學報》，2012，第21卷，第1期”報道了采用鍛造工藝生產16mnd5鋼的方法，與本發明采用鍛造、軋制結合工藝生產存在生產成本高、周期長等問題，同時二者在成分控制、其他生產工藝方面存在較大區別；“核電先進堆型與我國核電發展，《中國工程科學》，2005，第7卷，第11期”主要介紹的是核電機組堆型以及我國核電技術的發展，并沒有涉及具體裝備及鋼種，與本發明有較大差別。從上述專利及文獻對比來看，均與本發明提到的550mpa級核電穩壓器設備用鋼存在較大的區別，均不能用于制造核電穩壓器封頭、筒體等設備。技術實現要素：本實用發明的目的在于克服上述問題和不足而提供一種550mpa級核電穩壓器設備用鋼及其制造方法，鋼板在調質態(qt)、模擬焊后熱處理態(spwht)兩種狀態的力學性能均保持較高水平，鋼板 厚度1/4處、1/2處的強度及韌性匹配良好、組織穩定，完全滿足核電機組穩壓器封頭、筒體等設備建造的需求。本發明的目的是這樣實現的：一種550mpa級核電穩壓器設備用鋼，該鋼板的成分按重量百分比計如下：c：0.10％～0.20％、si：0.10％～0.40％、mn：1.30％～1.60％、mo：0.40～0.60％、ni：0.60％～0.80％、cr：0.25％～0.45％、v：0.02％～0.05％，余量為fe及不可避免的雜質。鋼中的雜質元素控制：p≤0.012％、s≤0.008％，[h]≤2.0ppm、[o]≤30ppm。成分設計理由如下：c：鋼中c是保證鋼板強度的主要元素，在本技術方案中，c含量低于0.10％，抗拉強度通常會滿足不了要求，尤其經過16小時長時間spwht后強度會進一步下降。主要表現為厚規格鋼板厚度1/2及1/4處難以獲得理想的回火索氏體組織，基體固溶強化作用不足；相反，c含量大于0.20％，會直接引起韌塑性的下降。因此本發明要求鋼中c含量范圍為0.10％～0.20％，優選控制范圍為0.10％-0.16％。si：si是有效的強化元素，起到脫氧作用，在本技術方案中要求si含量不小于0.10％；但含量較高會帶來韌塑性下降，并惡化焊接性能，因此控制si含量上限為0.40％。而從保證鋼板不同狀態強韌性能方面考慮，將si含量控制在中限為好，即優選控制范圍為0.20％-0.30％。mn：鋼中mn元素除了起強化基體作用外，還能有效地提高鋼的淬透性，同樣有助于提高強度卻降低韌、塑性，因此本技術方案 mn含量控制為1.30％～1.60％。在實際生產鋼中mn含量宜控制在中上限，即優選控制范圍為1.40％-1.60％。mo：mo的作用是提高淬透性、耐熱性，并與cr、mn共同作用減少或抑制回火脆性。當鋼中mo含量控制在0.5％左右時，幾乎可以完全消除回火脆性；但當mo含量小于0.20％或大于0.80％時，則對鋼的低溫回火脆性的作用效果不大，因此確定mo成分范圍內為0.40～0.60％，優選控制mo含量為0.45％-0.55％。ni：ni能夠明顯改善鋼的低溫韌性，同時提高厚截面鋼板的低溫韌性，使鋼板在具有足夠強度的同時還具有較高的韌性，滿足指標的要求。考慮到本發明涉及的鋼板厚度≥100mm，為確保強度及韌、塑性達到較好匹配，因此本發明ni含量確定為：0.60％～0.80％。cr：cr在鋼中能顯著改善鋼的抗氧化作用，增加抗腐蝕能力。同時縮小奧氏體相區，提高鋼的淬透性能。但cr還會顯著提高鋼的脆性轉變溫度，促進回火脆性。為進一步保證鋼板不同狀態時強度的穩定性，本發明cr含量控制范圍為：0.25％～0.45％，優選范圍為0.30％-0.40％。v：核電用鋼要求是細晶粒鋼，比粗晶粒鋼輻照脆性小。鋼中加入v有細化晶粒、提高晶粒粗化溫度作用。同時更為主要的是鋼中加v后，析出第二相粒子在長時間spwht過程中可以起到有效地晶界“釘軋”作用，延緩強度的下降。因此本發明v含量范圍為0.02％-0.05％，優選控制范圍為0.02％-0.04％。p：輻照試驗表明，p對輻照脆化非常敏感，同時p含量較高， 也易于加劇中心偏析及中心疏松的產生，因此要求鋼中p含量越低越好，本發明p含量控制范圍為≤0.012％。s：s在鋼中易形成s化物夾雜，降低沖擊韌性，影響焊接性能，同時加劇中心偏析、疏松等缺陷的產生，因此本發明s含量控制范圍為≤0.008％，優選控制為≤0.002％。氣體[h]、[o]：總體來講，它們對鋼的性能均有害，同時還會增加輻照脆化效應，因此希望把它們的含量要降低到最低水平。本發明[h]、[o]含量控制范圍為[h]≤2.0ppm、[o]≤30ppm。一種550mpa級核電穩壓器設備用鋼的制造方法，包括冶煉、鍛造、軋制、熱處理，冶煉：采用電爐、模鑄工藝進行生產，冶煉過程中采用lf爐外精煉和vd真空處理，合格鋼水澆鑄成多角鋼錠；鍛造：多角鋼錠經過多火次燉粗、拔長，最終生產出的鋼坯厚度330-450mm，整個過程始鍛溫度≥1180℃，終鍛溫度≥800℃，鍛造比≥6.0；軋制：鋼坯加熱溫度≥1100℃，軋制鋼板厚度≥100mm，總壓下比≥2.5，平均軋制道次變形量≥10％；熱處理：鋼板軋后需要進行調質處理，確保組織均勻、晶粒細小、性能穩定。調質工藝為：淬火：900℃±15℃，保溫時間：2-4min/mm，充分保溫以保證形成均勻的奧氏體組織，然后立即進行水淬直到鋼板表面溫度降至 100℃以下。回火：645℃±15℃，保溫時間：1-3min/mm，充分保溫以保證鋼中碳化物析出，并形成穩定的回火索氏體組織。本發明的有益效果在于：鋼板厚度≥100mm，寬度及長度可根據實際需求進行生產。與現有技術相比，有益效果如下(以119mm板為例)：⑴本發明鋼板經qt后，不同狀態下均具有較好的強度水平：從qt和spwht兩種狀態來看，鋼板厚度1/4處及1/2處的強度下降幅度均較小且可控，完全可以滿足指標要求。⑵本發明鋼板經qt后，不同狀態下的-20℃沖擊吸收能量同樣保持在較高的水平，不僅滿足指標的要求，而且具有較大的余量：附圖說明圖1為本發明實施例1調質態厚度1/4處顯微組織圖。圖2為本發明實施例1模擬焊后熱處理厚度1/4處顯微組織圖。圖3為本發明實施例2調質態厚度1/2處顯微組織圖。圖4為本發明實施例2模擬焊后熱處理態厚度1/2處顯微組織圖。具體實施方式下面通過實施例對本發明作進一步的說明。本發明實施例根據技術方案的組分配比，進行冶煉、鍛造、軋制、熱處理。本發明實施例鋼的成分見表1。本發明實施例鋼的鍛造工藝參數見表2。本發明實施例鋼的軋制和熱處理見表3。本發明實施例鋼性能見表4。表1本發明實施例鋼的成分見表2本發明實施例鋼的鍛造工藝參數實施例始鍛溫度/℃終鍛溫度/℃終鍛尺寸(厚度)/mm鍛造比112008403509.44212208503509.44312509104008.26412609204008.26512309204207.86612008904207.86712509304506.86812609404506.86表3本發明實施例鋼的軋制和熱處理表4本發明實施例鋼性能當前第1頁12