专利名称：：抗辐射性能优良的中高温特厚钢板及其制造方法
技术领域：
：本发明涉及中高温特厚钢板及其制造方法，特别涉及一种特殊耐热压力容器壳体用室温抗拉强度^570MPa、35(TC抗拉强度^530MPa的抗辐射性能优良的中高温特厚钢板及其制造方法。
背景技术：
：特殊耐热容器壳体用特厚钢板是一种要求综合力学性能(强韧性匹配、强塑性匹配及屈强比)、焊接性能、中高温性能尤其抗中子辐射脆化均优良的中高温结构材料，它用于制作特殊耐热压力容器关键部件——胴体；在特殊耐热压力容器服役过程中胴体钢板要承受结构承载力、热应力及其波动，因而必须不仅要求具有优异的强韧性及强塑性匹配、低屈强比；而且具有高的抗热疲劳性能、蠕变性能、抗回火脆化性能及应力腐蚀性能、氢致脆化、焊接工艺性及沿板厚方向组织性能均匀，尤其必须具有极其优良的抗中子辐射脆化性能，以提高特殊耐热压力容器安全性和服役寿命，同时还具备优良的焊接工艺性，易于加工制造。传统中高温耐热压力容器用钢一般采用含0.31.0%Mo钢、Cr-Mo系列钢、Mn-Ni-Mo钢，如(159160《回西山纪念技术讲座》，P147P164;8687《回西山纪念技术讲座》，P259P312)"，在这些钢板中不可避免地添加大量Cu、Cr、Mo、Ni等贵重合金元素；这不仅导致制造成本上升和制造难度加大(含Ni、Cr、Mo、Cu的钢板尤其Cu、Ni、Cr含量较高的钢板，其铸坯表面质量较差，一般均需要下线进行表面清理，有时还需要进行表面着色渗透PT检查、板坯表面修磨、带温切割等)；而且钢板的合金含量较高，碳当量Ceq及焊接冷裂纹敏感指数Pcm也较高，尤其C、Mn含量较高时，不仅Ceq和Pcm，而且铸坯内部偏析程度大幅度恶化；这不仅给现场焊接带来较大的困难，焊前需要预热，焊后需要热处理，现场焊接环境恶化、焊接效率降低，加工制作成本升高；且在构件制作及使用过程中易发生氢腐蚀、氢致脆化、回火脆化、焊接部层状剥落、蠕变脆化尤其中子辐射脆化等问题。同时，现有大量专利文献只是说明如何实现母材钢板的强度和低温韧性，就改善钢板焊接性能，获得优良焊接热影响区HAZ韧性说明较少，更没有涉及如何确保特厚(^60mm)钢板中心部位组织细小、沿板厚方向组织均匀，以保证钢板强度、韧性及沿钢板厚度方向强度、韧性均匀性，没有说明改善钢板内质健全性、长期服役性能，尤其抗中子辐射脆化没有涉及，如日本专利昭63-93845、昭63-79921、昭60_258410、特平开4-285119、特平开4-308035、平3-264614、平2-250917、平4-143246以及美国USPatent4855106、USPatent5183198、USPatent4137104等等。
发明内容本发明的目的在于提供一种抗辐射性能优良的中高温特厚钢板及其制造方法，通过合理的合金元素的组合设计，优化控制轧制和热处理工艺，在获得优异母材钢板强韧性、强塑性匹配及低屈强比的同时，母材钢板抗中子辐射脆化、抗疲劳蠕变性能、抗回火脆化、氢致脆化及焊接工艺性也同样优异。这不仅可以降低了钢板制造成本、縮短了钢板制造周期，也降低了钢板生产组织难度；更重要的是改善了特厚钢板的焊接工艺性，节约了用户构件制造成本，縮短了用户构件制造时间，为用户创造了巨大的价值。本发明的技术方案是，本发明采用中C-中Mn-高N低合金钢的成分体系作为基础，适当控制钢中酸溶Als含量和Als/N比范围、控制(Mn/C)比在815之间、(Ni+Cr+Mo)复合强韧化、Ca处理且Ca/S比在1.003.00之间，优化控轧及后续热处理工艺，获得优异的强顿匹配、抗疲劳蠕变性能、抗回火脆化、焊接工艺性，尤其钢板抗中子辐射脆化及焊接接头抗疲劳蠕变性能优良，特别适宜于用作特殊耐热压力容器胴体。具体地，本发明的抗辐射性能优良的中高温特厚钢板，其成分重量百分比为C:0.14%0.19%Si:《0.25%Mn:1.15%1.55%P:《0.010%S:《0.002%Als:0.010%0.025%Cu:《0.05%Ni:0.50%0.80%Cr:0.05%0.20%Mo:0.35%0.60%V:《0.010%N:0.0070%0.012%Ca:0.0010%0.0040%其余为Fe和不可避免夹杂；且上述元素含量必须同时满足如下关系C、Mn当量之间的关系8《(Mn/C)《15，以保证特厚钢板同时具有优良的低温塑韧性；CuXNi《0.025，以防止中子辐射脆化；VX(Cr+Mo)《0.006且3.3Mo+Cr+8.1V-2《0，以防止钢板焊接接头再热脆化;Als/N《2.0，确保在热处理过程中，细化特厚钢板晶粒尺寸；CX(Cr+Mo)>0.09，以确保钢板的高温强度和中高温疲劳蠕变强度；Ca/S在1.003.00且2.0X10K(Ca)(S)0.18《2.0X10-3，以改善钢板低温韧性、焊接性、抗再热脆化、抗层状撕裂性能及模铸坯内部偏析。根据本发明具有综合性能优异的钢板组织是均匀细小的铁素体+回火粒状贝氏体+少量板条贝氏体。众所周知，提高碳含量可以大幅度地提高钢板的室温强度、高温强度及抗中高温疲劳蠕变性能，但是C含量过高不仅损害钢板的塑韧性、抗回火脆化、氢致脆化及疲劳性能，更重要的是严重损害钢板的焊接性；因此，钢中的C含量不宜过高，并避开包晶区凝固收縮峰值C含量区间，综合以上的因素，C的含量控制在0.14%0.19%之间。Si促进钢水脱氧并能够提高钢板的室温强度和高温强度；但是采用Al脱氧的钢水，Si的脱氧作用不大，Si虽然能够提高钢板的室温强度和高温强度，但是Si严重损害钢板的塑韧性、抗回火脆化及氢致脆化性能，更重要的是Si严重损害钢板的焊接性、焊接接头的疲劳性能、抗中子辐射脆化，尤其Si加重模铸坯内部偏析程度，恶化特殊中高温容器长期服役性能，因此钢中的Si含量应尽可能控制得低，考虑到炼钢过程的经济性和可操作性，Si含量控制在《0.25%。Mn作为重要的合金元素在钢板中除提高强度和改善韧性之外，还具有扩大奥氏体相区，降低ACl、Ac3、A巧、Ar3点温度，细化铁素体晶粒之作用；加入过多Mn会增加铸坯内部的偏析程度和偏析区间(Mn与P、S、C产生共轭偏析)和表面裂纹，损害铸坯的冶金质量，进而影响钢板的内质健全性、表面质量和力学性能；同时，加入过多的Mn损害钢板的焊接性，易形成脆硬组织如岛状马氏体，综合考虑上述因素，Mn含量控制在1.15%1.55%之间。P作为钢中有害夹杂对钢板的塑韧性、抗疲劳蠕变性能，尤其对钢板的抗中子辐射脆化、抗氢致脆化、抗回火脆性及焊接性具有巨大的损害作用，理论上要求越低越好；但考虑到炼钢条件、炼钢成本、炼钢厂的物流顺畅及特殊耐热容器胴体长期服役性能要求，要求P含量控制在《0.010%。S作为钢中有害夹杂对钢板的塑韧性、抗疲劳蠕变性能，尤其对钢板的抗中子辐射脆化、抗氢致脆化、抗回火脆性及焊接性具有巨大的损害作用；更重要的是S在钢中与Mn结合，形成MnS夹杂物，在热轧过程中，MnS的可塑性使MnS沿轧向延伸，形成沿轧向MnS夹杂物带，严重损害钢板的横向冲击韧性、Z向性能和焊接性，同时S还是热轧过程中产生热脆性的主要元素，理论上要求越低越好；但考虑到炼钢条件、炼钢成本、炼钢厂的物流顺畅及特殊耐热容器胴体长期服役性能要求，要求S含量控制在《0.002%。Cr作为弱碳化物形成元素，添加Cr在提高钢板室温强度、高温强度的同时，具有一定的改善钢板抗疲劳蠕变性能之作用；但是当Cr添加量过多时，严重损害钢板的焊接性和抗回火脆性，尤其焊接接头PWHT性能(HAZ脆化和再热脆化)；因此Cr含量控制在0.05%0.20%之间。添加Mo提高钢板的淬透性，促进空冷过程时中低温相变组织形成，因此Mo在大幅度提高钢板室温强度、高温强度、抗疲劳蠕变性能及氢致脆化的同时，尤其Mo可以改善模铸坯内部偏析，降低钢板的塑韧性和抗回火脆性；但是，当Mo添加过多时，不仅严重损害钢板的延伸率、焊接性及焊接接头PWHT性能(HAZ脆化和再热脆化)，而且增加钢板的生产成本。因此综合考虑Mo的相变强化、提高抗疲劳蠕变之作用及对母材钢板塑韧性、回火脆化和焊接性的影响，Mo含量控制在0.35%0.60%之间。添加Ni不仅可以提高铁素体相中位错可动性，促进位错交滑移；Ni作为奥氏体稳定化元素，降低Ar3点温度，细化晶粒尺寸；因此Ni具有同时提高钢板强度、延伸率和低温韧性的功能；钢中加Ni还可以提高钢板的耐大气腐蚀性。因此从理论上讲，钢中Ni含量在一定范围内越高越好，但是过高的Ni含量会硬化焊接热影响区，对钢板的焊接性、焊接接头SSC性能及抗蠕变性能不利；同时Ni是一种很贵重元素，从性能价格比考虑，Ni含量控制在0.50%0.80%之间，以确保钢板的综合力学性能而不损害钢板的焊接性。Cu造成严重的中子辐射脆化，因此本发明钢要求钢中残余Cu含量《0.05%，且CuXNi《0.025。对于本发明钢成分体系，V可造成严重的再热脆化，并与Cr、Mo产生共轭再热脆化，因此本发明钢要求钢中残余V含量《0.01X，且VX(Cr+Mo)《0.006。Als与钢中N形成A1N，阻碍热处理过程中奥氏体晶粒长大，细化特厚钢板晶粒尺寸，改善特厚钢板强度、塑性和低温韧性；其次，钢中的Als能够固定钢中的自由[N]，降低焊接热影响区(HAZ)自由[N]，改善焊接HAZ的低温韧性作用；但是如Als含量过高，钢中形成的Als粒子尺寸粗大，对阻碍热处理过程中奥氏体晶粒长大不仅所起作用很小，而且粗大六方形A1N粒子可能成为热疲劳蠕变的裂纹形核点；此外，钢中Als含量过高会造成浇铸困难并在钢中形成大量弥散的针状八1203夹杂物，损害特厚钢板内质健全性、塑韧性、抗疲劳蠕变性能及焊接性；因此适宜Als含量控制在0.010%0.025%之间。采用模铸浇注时，钢中的N含量控制难度较大，为最大程度析出细小弥散的A1N粒子，控制N含量在O.0070.012%，iAls/N《2.0。对钢进行Ca处理，一方面可以进一步纯洁钢液，另一方面对钢中硫化物进行变性处理，使之变成不可变形的、稳定细小的球状硫化物、抑制S的热脆性、提高钢板的塑韧性、抗疲劳蠕变性能及Z向性能、改善钢板韧性的各向异性、尤其Ca可以强化晶界，改善抗中子辐射脆化；Ca加入量的多少，取决于钢中S含量的高低，Ca加入量过低，处理效果不大；Ca加入量过高，形成Ca(O，S)尺寸过大，脆性也增大，可成为断裂裂纹起始点，降低钢的塑韧性和抗疲劳蠕变性能，同时还降低钢质纯净度、污染钢液。一般控制Ca含量按ESSP=(wt%Ca)[1-1.24(wt%0)]/1.25(wt%S)，其中ESSP为硫化物夹杂形状控制指数，取值范围0.55之间为宜，因此Ca含量的合适范围为0.0010%0.0040%。本发明的抗辐射性能优良的中高温特厚钢板的制造方法，其包括如下步骤1)其成分如上所述；2)按上述成分冶炼、铸造成板坯；3)板坯加热，加热温度1100°C120(TC，板坯出炉后采用高压水除鳞；4)轧制，第一阶段为普通轧制，确保形变金属发生动态/静态再结晶，细化奥氏体晶粒，第一阶段普通轧制累计压下率^50%;第二阶段采用控制轧制，开轧温度《87(TC，轧制道次压下率^8%，控轧总压下率>45%，终轧温度《850°C;5)淬火，淬火温度控制在88091(TC之间；淬火时间按炉内装料量而定，一般淬火时间取1.02.0min/mmXt(t为钢板厚度)，钢板出炉后，以>4°C/s冷却速度加速冷却到室温；6)回火，回火温度控制在625655t:之间；回火时间按炉内装料量而定，一般回火时间取3.04.Omin/mmXt(t为钢板厚度)，钢板出炉后，自然空冷冷却到室温。其中，第一阶段为普通轧制，确保形变金属发生动态/静态再结晶，细化奥氏体晶粒，第一阶段普通轧制累计压下率^50%。第二阶段采用控制轧制CR，控轧开轧温度《87(TC，轧制道次压下率^8%，控轧总压下率^45%，终轧温度《850°C。淬火工艺重点控制钢板淬火温度、淬火时间及淬火后冷却速度。根据上述的成分范围，确定钢板淬火温度控制在88091(TC之间；淬火时间按炉内装料量而定，一般淬火7时间取1.02.0min/mmXt(钢板厚度)，钢板出炉后，以>4°C/s冷却速度加速冷却到室温。回火工艺重点控制钢板回火温度、回火时间。钢板回火温度控制在625655t:之间；回火时间按炉内装料量而定，一般回火时间取3.04.Omin/mmXt(钢板厚度)，钢板出炉后，自然空冷冷却到室温。本发明的有益效果本发明在关键技术路线和成分工艺设计上，综合考虑了母材钢板强韧性、强塑性匹配及低屈强比的同时，钢板抗中子辐射脆化、抗疲劳蠕变性能、抗回火脆化、氢致脆化及焊接工艺性也同样优异创造性地采用中C-中Mn-高N低合金钢的成分体系作为基础，适当控制钢中酸溶Als含量和Als/N比范围、控制(Mn/C)比在815之间、(Ni+Cr+Mo)复合强韧化、Ca处理且Ca/S比在1.003.00之间，优化控轧及后续热处理工艺；在获得优异母材钢板强韧性、强塑性匹配及低屈强比的同时，母材钢板抗中子辐射脆化、抗疲劳蠕变性能、抗回火脆化、氢致脆化及焊接工艺性也同样优异。这不仅可以降低了钢板制造成本、縮短了钢板制造周期，也降低了钢板生产组织难度；更重要的是改善了特厚钢板的焊接工艺性，节约了用户构件制造成本，縮短了用户构件制造时间，为用户创造了巨大的价值，因而此类钢板不仅是高附加值、绿色环保性的产品。图1为本发明实施例4的钢板显微组织(1/4厚度)照片(X200)。具体实施例方式本发明的实施例参见表1表4及图1。根据本发明钢板技术特点，中高温容器用特厚钢板通过合理的合金元素组合设计与控轧及热处理工艺相结合，获得优异母材钢板强韧性、强塑性匹配及低屈强比的同时，钢板抗中子辐射脆化、抗疲劳蠕变性能、抗回火脆化、抗氢致脆化及焊接工艺性也同样优异；如此，不仅可以降低了钢板制造成本、縮短了钢板制造周期，也降低了钢板生产组织难度；更重要的是改善了特厚钢板的焊接工艺性，节约了用户构件制造成本，縮短了用户构件制造时间，为用户创造了巨大的价值，因而此类钢板不仅是高附加值、绿色环保性的产品。由于本发明钢板生产过程中不需要添加任何设备，制造工艺简洁、生产过程控制容易，因此制造成本低廉，具有很高性价比和市场竞争力；且技术适应性强，可以向所有具有热处理设备的中厚板生产厂家推广，具有很强的商业推广性，具有较高的技术贸易价值。<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>表3热处理工艺<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>表4钢板性能<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>权利要求抗辐射性能优良的中高温特厚钢板，其成分重量百分比为C0.14％～0.19％Si≤0.25％Mn1.15％～1.55％P≤0.010％S≤0.002％Als0.010％～0.025％Cu≤0.05％Ni0.50％～0.80％Cr0.05％～0.20％Mo0.35％～0.60％V≤0.010％N0.0070％～0.012％Ca0.0010％～0.0040％其余为Fe和不可避免夹杂；且上述元素含量必须同时满足如下关系C、Mn当量之间的关系8≤(Mn/C)≤15；Cu×Ni≤0.025；V×(Cr+Mo)≤0.006，且，3.3Mo+Cr+8.1V-2≤0；Als/N≤2.0，C×(Cr+Mo)≥0.09；Ca/S在1.00～3.00，且2.0×10-4≤(Ca)(S)0.18≤2.0×10-3。2.如权利要求1所述的抗辐射性能优良的中高温特厚钢板的制造方法，其包括如下步骤1)其成分重量百分比为:C:0.14%0.19%、Si:《0.25%、Mn:1.15%1.55%、P《0.010%、S《0.002%、Als:0.010%0.025%、Cu《0.05%、Ni:0.50%0.80%、Cr:0.05%0.20%、Mo:0.35%0.60%、V《0.010%、N:0.0070%0.012%、Ca:0.0010%0.0040%、其余为Fe和不可避免的夹杂；且，上述元素含量必须同时满足如下关系C、Mn当量之间的关系8《(Mn/C)《15;CuXNi《0.025;VX(Cr+Mo)《0.006且3.3Mo+Cr+8.1V-2《0;Als/N《2.0;CX(Cr+Mo)09，Ca/S在1.003.OO，且2.0X10—4《(Ca)(S)。■18《2.0X10—3;2)按上述成分冶炼、铸造成板坯；3)板坯加热，加热温度1100°C120(TC，板坯出炉后采用高压水除鳞；4)轧制，第一阶段为普通轧制，确保形变金属发生动态/静态再结晶，细化奥氏体晶粒，第一阶段普通轧制累计压下率^50%;第二阶段采用控制轧制，开轧温度《87(TC，轧制道次压下率^8^，控轧总压下率>45%，终轧温度《850°C;5)淬火，淬火温度控制在88091(TC之间；淬火时间按炉内装料量而定，一般淬火时间取1.02.0min/mmXt(t为钢板厚度)，钢板出炉后，以>4°C/s冷却速度加速冷却到室温；6)回火，回火温度控制在625655t:之间；回火时间按炉内装料量而定，一般回火时间取3.04.Omin/mmXt(t为钢板厚度)，钢板出炉后，自然空冷冷却到室温。3.如权利要求2所述的抗辐射性能优良的中高温特厚钢板的制造方法，其特征是，铸造采用模铸工艺，浇铸温度1560°C1580。C，浇铸速度3.84.2吨/min。全文摘要抗辐射性能优良的中高温特厚钢板及其制造方法，采用中C-中Mn-高N低合金钢的成分体系作为基础，适当控制钢中酸溶Als含量和Als/N比范围、控制(Mn/C)比在8～15、(Ni+Cr+Mo)复合强韧化、Ca处理且Ca/S比在1.00～3.00，优化控轧及后续热处理工艺，获得优异的强韧匹配、抗疲劳蠕变性能、抗回火脆化、焊接工艺性，尤其钢板抗中子辐射脆化及焊接接头抗疲劳蠕变性能优良，特别适宜于用作特殊耐热压力容器胴体。本发明不仅可以降低钢板制造成本、缩短钢板制造周期，也降低钢板生产组织难度；更重要的是改善特厚钢板的焊接工艺性，节约用户构件制造成本，缩短了用户构件制造时间，为用户创造巨大的价值。文档编号C22C38/46GK101724791SQ20081020187公开日2010年6月9日申请日期2008年10月28日优先权日2008年10月28日发明者刘自成,施青申请人:宝山钢铁股份有限公司