本发明属于黑色金属材料领域，特别涉及核电站机械模块用钢及其制造方法。
背景技术：
：模块是指一个由材料和部件组装而成的组合件。车间预制后模块作为一个整体单元，方便和加速了现场的建造。在模块就位前对其预制和组装，避免了在其最终位置的狭窄空间进行过多的工作，这样就允许安装和土建并行作业。目前我国在建核电站以三代核电为主，其系统复杂、建造周期长、施工质量要求高，在保证质量的前提下，如何缩短工期降低工程造价是核电业主追求的目标之一，传统施工模式，核岛厂房内的大量阀门与管道的组合焊接工作均在现场进行，需投入较多焊工，且施工周期长，为减少核岛现场安装工作量，提高安装效率，借鉴国外沸水堆核电站实施管道段模块化技术的成功经验，对核电站管道段模块化施工技术进行了系统研究，制定了管道段模块的选定原则和设计流程，开发了基于三维设计平台的管道段模块设计功能，提出了实施管道段模块的技术条件，为核电站应用模块化施工技术提供了参考。国外沸水堆核电站随着应用技术的发展，开始逐步采用了模块化施工技术，并取得了良好的工程效果，随着模块化技术的日益成熟和应用经验的积累，沸水堆核电站采用模块化设计建造的范围越来越广，设计的模块也越来越大，核电机械模块的显著特点就是钢材本身具备较好的焊接性和成型性，这样需对化学成分设计有明显的严格要求，成品钢板需要较好耐疲劳性能和低温韧性，机械模块用钢在应用中多为往复循环式，并且常常处于低频高应力状态，所以一定的高屈强比有利于材料的综合性能。目前国内外对核电用钢已形成较多专利：申请号为201310083274.7，名为“一种核电站机械模块支撑件用高强韧钢板及其制造方法”，该专利主要涉及一种核电站模块支撑件用钢板的生产方法，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％，余量为铁及杂质。该专利在低碳含量设计基础上适当添加合金元素，使钢的抗拉强度达到800mpa以上。该专利的钢板厚度为6～65mm，钢板的厚度较低，不能够完全覆盖核电机械模块的厚度范围，同时该专利的热处理温度范围非常大，在该温度范围下，会造成钢板的组织不稳定。申请号为201110117614.4，名为“抗拉强度大于690mpa级的核容器用钢及生产方法”，该专利主要公开了一种核容器用钢板的生产方法，其化学元素质量百分含量为：c≤0.08％、si：0.15％～0.50％、mn：1.30％～1.60％、alt：0.01％～0.05％、ni：0.42％～0.70％、mo：0.32％～0.60％、cr：0.10％～0.30％、ti：0.01％～0.04％，控制p≤0.008％，s≤0.005％，n≤0.005％，cu≤0.03％，v≤0.007％，sn≤0.005％，sb≤0.005％，as≤0.010％，pb≤0.005％，其余为fe及不可避免的杂质。该发明的钢板屈服强度≥570mpa，抗拉强度：690～860mpa，-20℃冲击≥100j。该发明的化学成分对p、s、n、cu等元素要求非常严格，冶炼难度较大并且对原材料的要求较为严格，会较大幅度的提高成本，在该化学成分下的碳当量较高，影响钢板的焊接性，同时该发明中并没有考虑钢板模拟焊后热处理时间对力学性能的影响。申请号为201010154420.7，名为“一种压力容器用厚规格钢板的调制处理方法”，该专利主要公开了一种核电用厚规格钢板调质处理方法，它包括下述依次的步骤：ι淬火：将钢板加热到920～930℃，保温45～55分钟，再进行淬火处理；ⅱ回火处理：将淬火后的钢板加热到630～650℃，保温40～50分钟，取出钢板冷却到室温；ⅲ二次淬火：将加热钢板加热到920℃～930℃，保温50～60分钟，将钢板进行淬火处理；ⅳ二次回火：将二次淬火后的钢板在室状炉内，要求温度控制波动不大于±5℃，加热到615～625℃，保温40～50分钟，取出自然冷却到室温。该专利中采用两次调质处理将钢板的抗拉强度rm提高到630mpa，延伸率a提高到20％～23％，二次调质对钢板的性能影响不大，并且多次热处理会对钢板表面质量影响较大，会导致钢板厚度不能满足公差条件，同时该热处理温度范围过低，只能针对特定钢板厚度实施。技术实现要素：本发明提供了一种高强度高屈强比核机械电站模块用钢及其制造方法，通过化学成分、轧制工艺和热处理工艺的设计，使钢板交货状态和模拟焊后热处理的强度、韧性和探伤性能得到良好的匹配，性能指标均能够满足技术指标，完全能够满足三代压水堆核电站模块用钢的要求。具体的技术方案是：一种高强度高屈强比核电站机械模块用钢，其化学成分按质量百分比计为：c：0.09％～0.12％，si：0.30％～0.40％，mn：0.50％～0.70％，p≤0.010％，s≤0.002％，cr：0.60％～0.90％，ni：0.30％～0.50％，mo：0.26％～0.45％，v：0.005％～0.030％，b：0.001％～0.005％，ti≤0.015％，al：0.010％～0.025％，其余含量为fe和不可避免的杂质。采用上述成分设计理由如下：c：是钢中主要强化元素，能够有效地提高钢的强度以及淬透性，但同时也降低钢的塑性、韧性和焊接性，c含量偏低会导致钢板的强度不足，c含量过高，脆化转变温度明显升高，焊缝热裂纹敏感性也大大提高，焊接性能差，在保证钢板所需强度和韧性的前提下，本发明要求c含量为0.09％～0.12％。si：是钢中强化元素之一，能够起到脱氧和固溶强化的作用，硅元素扩散缓慢，在钢中易产生硅酸盐类夹杂物，所以si含量不易过高，本发明将si控制为0.30％～0.40％。mn：在钢中能够通过固溶强化的方式强化铁素体，在调质钢中可以提高钢的强韧性和淬透性，因此，本发明将钢中mn含量控制在0.50％～0.70％。p、s：是钢中的有害元素，会降低钢的冲击韧性，易加剧中心形成偏析和疏松等缺陷，同时会引起辐照脆化，因此要求p、s含量越低越好，但考虑到生产成本，本发明设计p含量为≤0.010％，s含量为≤0.002％。cr：在钢中能显著改善钢的抗氧化作用，增加抗腐蚀能力。同时缩小奥氏体相区，提高钢的淬透性、强度和硬度。但cr含量过高，会增加钢的焊后裂纹敏感性，因此本发明要求钢中cr含量控制为0.60％～0.90％。ni：能够明显改善钢的低温韧性，同时提高厚截面钢板的低温韧性，使钢板在具有足够强度的同时还会具有较高的韧性，满足指标的要求，因此从实际需要出发，本发明将ni含量控制为0.30％～0.50％。mo：主要能够提高钢的淬透性和耐热性，防止钢的回火脆性，在调质钢中能够提高钢的回火稳定性，从而更有效地降低残余应力，提高塑性，因此本发明将mo含量控制在0.26％～0.45％。v：在调质钢中主要是提高钢的强度和屈强比，细化晶粒，提高强韧性的作用，但钒与碳和氧有较强的亲和力，当以碳化物形式存在时会影响淬透性，因此本发明将钢中加入v的范围控制为0.005％～0.030％。b：在钢中可适当提高钢的淬透性，从而节约其他较贵的金属，因此本发明将b的范围控制为0.001％～0.005％。ti：在普通低合金钢中能够提高塑性和韧性，由于钛固定了氮和硫形成碳化钛，提高钢的强度，因此本发明中将ti的范围控制在≤0.015％。al：在钢中主要用于炼钢时的脱氧定氮剂，并且可以细化晶粒，阻抑低碳钢的时效，提高钢的低温韧性，同时al含量不宜过多，以免产生al2o3夹杂。本发明将钢中al含量控制为0.010％～0.025％。高强度高屈强比核电站机械模块用钢的制造方法包括：转炉冶炼-真空处理-连铸-轧制-调质热处理。冶炼方面：采用转炉冶炼、炉外精炼、真空处理和连铸工艺进行生产；钢水完成转炉冶炼后进行炉外精炼，当钢水温度达到1565～1575℃时进行真空脱气，完成脱气后进入连铸，连铸成钢坯。轧制工艺：钢坯加热温度1200～1250℃，开轧温度：1100～1150℃，终轧温度≥1000℃。总变形量≥60％，任意连续3道次变形量≥15％；调质热处理：钢板轧后进行堆垛缓冷，缓冷结束后对钢板进行调质处理。淬火处理：900～920℃，保温时间2～3.5min/mm，达到钢板的完全奥氏体化温度，充分保温，出炉后立即水冷直到钢板温度至100℃以下。回火处理：625～660℃，保温时间4～6min/mm，在该温度区间充分保温，保证钢中碳化物析出，并形成高温回火索氏体组织。钢板的抗拉强度达到700mpa以上，屈强比不小于0.9。有益效果：本发明提供了一种高强度高屈强比核电站机械模块用钢及其制造方法，生产的钢板厚度为20～110mm，宽度及长度可根据实际需求进行生产。与现有技术相比，有益效果如下：(1)本发明钢种经调质和模拟焊后热处理后，两种状态下均具有较好的强韧性水平。90mm钢板经调质处理后屈服强度和抗拉强度分别为739mpa和799mpa；模拟焊后热处理后，屈服强度和抗拉强度分别为671mpa和732mpa；调质处理和模拟焊后热处理两种状态下的屈强比均为0.92，-20℃冲击功≥132j，从结果来看，钢板强韧性匹配较好，屈强比强度较高。(2)本发明钢种在不同状态下的350℃高温拉伸性能同样保持在较高的水平。90mm钢板经调质处理后350℃高温拉伸的屈服强度和抗拉强度分别为607mpa和702mpa；屈强比为0.86。(3)钢板的探伤要求完全能够满足nb/t47013中的ⅰ级验收标准。附图说明图1为实施例1的金相组织；组织为回火索氏体。具体实施方式以下实施例用于具体说明本
发明内容，这些实施例仅为本
发明内容的一般描述，并不对本
发明内容进行限制。本实施例的生产方法，钢水经过转炉冶炼、lf+vd炉外精炼、真空处理及浇注，轧制成品钢板规格为20～110mm。模拟焊后热处理工艺为温度610℃，保温时间12h，425℃以上升降温速率≤55℃/h。表1为实施例钢冶炼化学成分；表2为实施例钢板的轧制工艺；表3为实施例钢板的热处理工艺；表4为实施例钢板的拉伸性能。表5为实施例钢板的冲击性能。表1各实施例钢冶炼化学成分(wt％)实施例csimnpscrnimovbtial10.090.310.500.0050.00150.600.300.260.0050.0010.0070.01520.100.370.600.0080.00100.670.320.300.0200.0050.0060.02030.090.330.550.0070.00170.790.380.370.0170.0040.02140.110.390.650.0060.00130.850.490.450.0250.0020.0080.01950.120.350.700.0090.00090.900.500.420.0290.0030.0150.022表2各实施例钢轧制工艺表3各实施例钢调质处理工艺表4各实施例钢板拉伸性能表5各实施例钢板冲击性能由表可以看出，按照本发明生产的20～110mm规格钢板，经过调质处理及模拟焊后热处理，调质状态常温拉伸的屈服强度≥717mpa，抗拉强度≥762mpa，屈强比≥0.92；模拟焊后热处理状态常温拉伸的屈服强度≥662mpa，抗拉强度≥709mpa，屈强比≥0.92；350℃高温拉伸的屈服强度≥603mpa，抗拉强度≥679mpa，屈强比≥0.80；钢板的-20℃冲击≥123j，钢板具有良好的综合力学性能。当前第1页12