一种550MPa级核电稳压器设备用钢及其制造方法与流程

本发明属于黑色金属材料领域，尤其涉及特别涉及550mpa级核电稳压器设备用钢及其制造方法。
背景技术：
：核能作为一种清洁、安全、稳定的能源，已越来越受到世界各国的重视，安全利用核能、大力发展核电已成为一种趋势。我国目前已经成为世界上在建核电机组最多的国家，同时作为核电技术输出国，已先后与南非、巴基斯坦、土耳其等国家签订相关协议，为其建设先进核电机组。其中在核岛设备中稳压器属于核一级装备，由于需要与具有放射性的高温、高压的水相接触，因此应用位置极为关键。同时为保证安全、减少焊缝，通常情况下，稳压器筒体是由上、中、下三块钢板压制、焊接而成，每块钢板厚度为119mm。稳压器封头由上、下封头组成，每个封头均由一张钢板压制而成，钢板厚度为100mm，因此上述钢板不仅超厚，而且还超宽(宽度为4000mm以上)，同时在综合性能要求方面更为严格，因此从国内外现有钢铁企业装备能力来看，生产此类钢板均有较大难度。目前世界上生产该类钢板的企业主要是法国industeel，钢种是rcc-mm2126标准规定的16mnd5，生产方式是采用大型钢锭轧制而成。从其生产情况来看主要存在两个方面的问题：一是按rcc-mm2126标准进行生产，钢中的c及ni、mo等元素含量控制不尽合理，调质处理(以下简称qt)后虽然可以获得回火索氏体组织，但 再经长时间模拟焊后热处理(以下简称spwht)，钢中会析出大量合金碳化物，从而造成强度及韧性下降，难以满足要求。通常情况下，此类钢只能满足10小左右的spwht，而难以满足实际生产中长达16-16.5小时的spwht要求；二是由钢锭直接轧制成钢板，通常情况下由于轧机能力的限制，钢板中心部位不能充分参与变形，因此一些中心疏松、裂纹不能得到有效焊合，从而造成探伤不合，这对于核一级设备用钢而言是极为致命的。本发明通过实践，在合金元素方面进行了改进，引入固溶强化、析出强化及细晶强化机制，再配合适宜的轧制和热处理工艺，从而保证钢板在不同状态下的性能满足要求；同时利用水压机优势，将钢锭锻造成适宜的钢坯，确保钢坯中心部位缺陷焊合，组织致密，从根本上解决了上述问题。目前国内外对核电用钢已形成较多专利及文献《核电站安全壳用厚钢板及其制造方法》(申请号：201210269122.1)，公开了一种核电站安全壳用厚钢板，其厚度为10-60mm，其化学成分为: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％中的至少一种；余量为fe和其他不可避免的杂质。主要涉及的核电站安全壳用厚钢板具有高强度、高韧性，并且在低温情况下母材及热影响区都具有良好的冲击韧性，适合应用于核电站安全壳制造领域。《一种第三代核电站反应堆安全壳用钢板及其制造方法》(申请号：201210282831.3)，主要涉及一种第三代核电站反应堆安全壳用钢板及其制造方法，其成分范围为：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％，余量为铁和不可避免的杂质。本发明制造的钢板，抗拉强度达到600mpa以上，耐200℃高温性能，成本低廉，焊接性能优良。但检验核反应堆安全壳用钢板的一项重要技术指标是模拟焊后热处理后钢板的力学性能，该专利中未提及其模拟焊后热处理的性能。上述两项发明均涉及核反应堆安全壳的建造，而本发明主要涉及的核级设备安注箱壳体建造。《一种核电工程用复合钢板及其制备方法》(申请号：201210349026.8)，主要涉及一种核电工程用复合钢板，包含基板和复板，基板为镇静钢钢板，复板为铬镍奥氏体不锈钢钢板。基板成分为：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％，余量为铁和不可避免的杂质。该专利除公开了钢板化学成分外，重点公开了复合钢板的制备方法，虽然提到了基板与复板的成分，但对于复合钢板的轧制工艺和热处理工艺并没有提出。《一种核电站压力容器及设备闸门用钢板及其制造方法》(申请号：201310076884.4)，主要涉及一种核电站压力容器及设备闸门用钢板，钢板包括：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％，余量为铁和不可避免的杂质。该专利主要公开了在现有设备条件下采用转炉冶炼，实现了洁净钢的生产。同时钢板生产成本低，具有稳定的组织性能，低温韧性和高温性能，焊接性能、冷热加工性能优良，其韧脆转变温度tndt≤-28℃。但与本发明相比，一方面用途不同(本发明主要涉及核岛设备——安注箱壳体基板用钢)，对比专利的组织为铁素体+珠光体，并且该发明中提出热处理状态为正火。《一种核电工程设备用超大厚度钢板及生产方法》(201210309621.9)，主要涉及一种核电工程设备用超大厚度钢板及生产方法，属于炼钢生产
技术领域：
。化学成分包括：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总≥0.020％；cu+6sn≤0.33％，余量为铁和不可避免的杂质。该专利主要应用于核电站蒸发器、高压封头及压力容器等关键设备的制造。与本发明涉及的钢板虽同样属于特厚板(厚度≥100mm)，但在成分设计、生产工艺及性能方面存在明显不同。《一种核电站机械模块支撑件用高强韧钢板及其制造方法》(申请号：201310083274.7)，主要涉及一种核电站模块支撑件用钢板，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。不足之处在于，厚度规格仅限于6-65mm、冲击功平均值为160mpa，不适于安注箱基板的制造。文献“核电压力容器用厚钢板sa533b的组织及力学性能，《材料热处理学报》，2012，第33卷，第8期”报道了一种620mpa级核电压力容器用钢，其经模拟焊后热处理后板材组织中有钼的析出，使板材的韧性降低；文献“核电压力容器锻件用16mnd5钢的热处理工艺，《钢铁研究学报》，2012，第21卷，第1期”报道了采用锻造工艺生产16mnd5钢的方法，与本发明采用锻造、轧制结合工艺生产存在生产成本高、周期长等问题，同时二者在成分控制、其他生产工艺方面存在较大区别；“核电先进堆型与我国核电发展，《中国工程科学》，2005，第7卷，第11期”主要介绍的是核电机组堆型以及我国核电技术的发展，并没有涉及具体装备及钢种，与本发明有较大差别。从上述专利及文献对比来看，均与本发明提到的550mpa级核电稳压器设备用钢存在较大的区别，均不能用于制造核电稳压器封头、筒体等设备。技术实现要素：本实用发明的目的在于克服上述问题和不足而提供一种550mpa级核电稳压器设备用钢及其制造方法，钢板在调质态(qt)、模拟焊后热处理态(spwht)两种状态的力学性能均保持较高水平，钢板 厚度1/4处、1/2处的强度及韧性匹配良好、组织稳定，完全满足核电机组稳压器封头、筒体等设备建造的需求。本发明的目的是这样实现的：一种550mpa级核电稳压器设备用钢，该钢板的成分按重量百分比计如下：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％，余量为fe及不可避免的杂质。钢中的杂质元素控制：p≤0.012％、s≤0.008％，[h]≤2.0ppm、[o]≤30ppm。成分设计理由如下：c：钢中c是保证钢板强度的主要元素，在本技术方案中，c含量低于0.10％，抗拉强度通常会满足不了要求，尤其经过16小时长时间spwht后强度会进一步下降。主要表现为厚规格钢板厚度1/2及1/4处难以获得理想的回火索氏体组织，基体固溶强化作用不足；相反，c含量大于0.20％，会直接引起韧塑性的下降。因此本发明要求钢中c含量范围为0.10％～0.20％，优选控制范围为0.10％-0.16％。si：si是有效的强化元素，起到脱氧作用，在本技术方案中要求si含量不小于0.10％；但含量较高会带来韧塑性下降，并恶化焊接性能，因此控制si含量上限为0.40％。而从保证钢板不同状态强韧性能方面考虑，将si含量控制在中限为好，即优选控制范围为0.20％-0.30％。mn：钢中mn元素除了起强化基体作用外，还能有效地提高钢的淬透性，同样有助于提高强度却降低韧、塑性，因此本技术方案 mn含量控制为1.30％～1.60％。在实际生产钢中mn含量宜控制在中上限，即优选控制范围为1.40％-1.60％。mo：mo的作用是提高淬透性、耐热性，并与cr、mn共同作用减少或抑制回火脆性。当钢中mo含量控制在0.5％左右时，几乎可以完全消除回火脆性；但当mo含量小于0.20％或大于0.80％时，则对钢的低温回火脆性的作用效果不大，因此确定mo成分范围内为0.40～0.60％，优选控制mo含量为0.45％-0.55％。ni：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具有较高的韧性，满足指标的要求。考虑到本发明涉及的钢板厚度≥100mm，为确保强度及韧、塑性达到较好匹配，因此本发明ni含量确定为：0.60％～0.80％。cr：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，提高钢的淬透性能。但cr还会显著提高钢的脆性转变温度，促进回火脆性。为进一步保证钢板不同状态时强度的稳定性，本发明cr含量控制范围为：0.25％～0.45％，优选范围为0.30％-0.40％。v：核电用钢要求是细晶粒钢，比粗晶粒钢辐照脆性小。钢中加入v有细化晶粒、提高晶粒粗化温度作用。同时更为主要的是钢中加v后，析出第二相粒子在长时间spwht过程中可以起到有效地晶界“钉轧”作用，延缓强度的下降。因此本发明v含量范围为0.02％-0.05％，优选控制范围为0.02％-0.04％。p：辐照试验表明，p对辐照脆化非常敏感，同时p含量较高， 也易于加剧中心偏析及中心疏松的产生，因此要求钢中p含量越低越好，本发明p含量控制范围为≤0.012％。s：s在钢中易形成s化物夹杂，降低冲击韧性，影响焊接性能，同时加剧中心偏析、疏松等缺陷的产生，因此本发明s含量控制范围为≤0.008％，优选控制为≤0.002％。气体[h]、[o]：总体来讲，它们对钢的性能均有害，同时还会增加辐照脆化效应，因此希望把它们的含量要降低到最低水平。本发明[h]、[o]含量控制范围为[h]≤2.0ppm、[o]≤30ppm。一种550mpa级核电稳压器设备用钢的制造方法，包括冶炼、锻造、轧制、热处理，冶炼：采用电炉、模铸工艺进行生产，冶炼过程中采用lf炉外精炼和vd真空处理，合格钢水浇铸成多角钢锭；锻造：多角钢锭经过多火次燉粗、拔长，最终生产出的钢坯厚度330-450mm，整个过程始锻温度≥1180℃，终锻温度≥800℃，锻造比≥6.0；轧制：钢坯加热温度≥1100℃，轧制钢板厚度≥100mm，总压下比≥2.5，平均轧制道次变形量≥10％；热处理：钢板轧后需要进行调质处理，确保组织均匀、晶粒细小、性能稳定。调质工艺为：淬火：900℃±15℃，保温时间：2-4min/mm，充分保温以保证形成均匀的奥氏体组织，然后立即进行水淬直到钢板表面温度降至 100℃以下。回火：645℃±15℃，保温时间：1-3min/mm，充分保温以保证钢中碳化物析出，并形成稳定的回火索氏体组织。本发明的有益效果在于：钢板厚度≥100mm，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(以119mm板为例)：⑴本发明钢板经qt后，不同状态下均具有较好的强度水平：从qt和spwht两种状态来看，钢板厚度1/4处及1/2处的强度下降幅度均较小且可控，完全可以满足指标要求。⑵本发明钢板经qt后，不同状态下的-20℃冲击吸收能量同样保持在较高的水平，不仅满足指标的要求，而且具有较大的余量：附图说明图1为本发明实施例1调质态厚度1/4处显微组织图。图2为本发明实施例1模拟焊后热处理厚度1/4处显微组织图。图3为本发明实施例2调质态厚度1/2处显微组织图。图4为本发明实施例2模拟焊后热处理态厚度1/2处显微组织图。具体实施方式下面通过实施例对本发明作进一步的说明。本发明实施例根据技术方案的组分配比，进行冶炼、锻造、轧制、热处理。本发明实施例钢的成分见表1。本发明实施例钢的锻造工艺参数见表2。本发明实施例钢的轧制和热处理见表3。本发明实施例钢性能见表4。表1本发明实施例钢的成分见表2本发明实施例钢的锻造工艺参数实施例始锻温度/℃终锻温度/℃终锻尺寸(厚度)/mm锻造比112008403509.44212208503509.44312509104008.26412609204008.26512309204207.86612008904207.86712509304506.86812609404506.86表3本发明实施例钢的轧制和热处理表4本发明实施例钢性能当前第1页12