本发明属于金属材料领域，特别涉及一种低碳当量高性能核反应堆安全壳用钢及其制造方法。
背景技术：
1、ap1000、cap1000等三代压水堆核电机组采用双层安全壳设计，其中外层为钢筋混凝土结构，内层为钢制安全壳，组成整个核电机组最后一道安全防线。钢制安全壳主要采用asme sa-738gr.b建造，工程应用要求该钢种在具有中高强度的同时，具有良好的低温韧性。但随着更大功率核电技术的提出及应用，对核电站建造所需钢铁材料的要求也随之提高，不仅要求钢板具有良好的调质态性能，还必须保证在605℃下，保温长达15小时后的模焊态性能依然保持良好，而且钢板的高温拉伸试验温度也从150℃提高到了200℃，此外部分厚度钢板更是增加了应变时效敏感性要求。基于应用位置的特殊性，核反应堆安全壳用钢在具备优异强韧性的同时，还必须保持较低的碳当量和焊接裂纹敏感性系数，以保证钢板具有良好的焊接性能。
2、现有关于此类钢的发明专利中，存在着综合性能差，模焊态性能无法保证等问题。
技术实现思路
1、为了克服现有技术缺陷，本发明提供了一种不大于60mm厚低碳当量高性能核反应堆安全壳用钢及其制造方法，按照本发明制造的钢板不仅具有良好的强韧性、而且具有较低的碳当量、焊接裂纹敏感性系数、应变时效敏感性系数，而且易焊接，更重要的是钢板在长时、高温模拟焊后热处理后依然能保持良好的力学性能，完全满足更大功率核电机组对安全壳用钢高安全性能的使用要求。
2、本发明提供的是一种低碳当量高性能核反应堆安全壳用钢及其制造方法，具体技术方案如下：
3、一种低碳当量高性能核反应堆安全壳用钢，按重量百分比包含如下成分：c：0.05～0.10％；si：0.10％～0.30％；mn：0.30％～0.90％；p≤0.010％；s≤0.005％；ni：0.10％～0.35％；cu：0.15％～0.45％；mo：0.21％～0.65％；v：0.051％～0.085％；nb：0.041％～0.085％；al：0.055％～0.095％；n：0.02％～0.05％；ca：0.002％-0.005％；1＜mn/mo＜2；余量为fe和不可避免的杂质；ceq＜0.40％；pcm＜0.20％。
4、所述低碳当量高性能核反应堆安全壳用钢的厚度不大于60mm。
5、采用上述成分设计理由如下：(主要成分的机理细化)
6、(1)c：主要用于促进贝氏体的生成，并强化基体组织；与v、nb形成细小的碳化物，在加热、轧制和冷却过程中起到沉淀强化作用，从而提高钢板的强韧性。如果碳含量过低，会使碳化物等的生成量降低，影响沉淀强化效果；碳含量过高，将促进马氏体和贝氏体复相组织的形成，损坏钢板的应变冲击性能和性能稳定性。因此，本发明钢中c含量设计为0.05-0.10％。
7、(2)si：硅在本发明钢中主要用于还原剂和脱氧剂，特别是与ca联合使用，能显著提高脱氧效果，从而保证本发明钢中al的合金作用。硅含量过高，降低钢的焊接性能，且易形成粗大的硅酸盐夹杂物，损坏钢的塑韧性。因此，根据需要本发明钢中si含量控制为0.10-0.30％。
8、(3)mn：用于扩大奥氏体未再结晶区和奥氏体稳定性，提高形变位错亚结构和形变带密度。冷却过程中，细化板条贝氏体组织，提高钢板强韧性。更重要的是本发明通过mn与mo的合理搭配使用，在模拟焊后热处理过程中可以有效抑制钢中碳化物的聚集长大，保证碳化物尺寸在50nm以下，弥散分布在贝氏体板条间，从而使钢板在模拟焊后热处理后依然保持良好的力学性能。锰含量过高不仅提高碳当量，影响钢板的焊接性能，而且具有促进马氏体形成的倾向，无法保证本发明钢强韧性的良好控制，因此本发明设计mn含量为0.30～0.90％。
9、(4)p、s：在本发明钢中均为有害元素，控制含量越低越好，但考虑到炼钢条件和成本，本发明要求控制钢中的p≤0.010％，s≤0.005％。
10、(5)ni：本发明钢中通过添加适量的ni用于扩大奥氏体相区，提高控轧变形效果，促进细小形变组织的生成。ni还可以提高钢的疲劳抗力，减小钢的时效敏感性，对提高钢的时效冲击性能具有积极的作用。镍含量增加，不利于焊接性能的提高，且镍为贵金属，应用成本较高，所以本发明ni含量为0.10％～0.35％。
11、(6)cu：用于抑制γ→α转变，避免先共析铁素体的产生。用于扩大奥氏体未再结晶区以细化晶粒和提高钢板淬透性、提高析出强化效果。提高钢板的高温拉伸性能，降低钢板经模拟焊后热处理后强度的损失。铜含量过高易产生脆化现象，因此本发明设计cu：0.15-0.45％。
12、(8)mo：mo与mn的合理搭配使用，在模拟焊后热处理过程中可以有效抑制钢中碳化物的聚集长大，保证碳化物尺寸在50nm以下，弥散分布在板条贝氏体间，从而使钢板在模拟焊后热处理后依然具有良好的强韧性。可降低贝氏体转变的临界冷速，有利于在较宽的冷速范围内促进贝氏体转变，使较厚的钢板具有较好的工艺适应性。当钼与铌同时加入时，钼在控轧过程中可提高nb的碳氮化物对奥氏体再结晶的抑制作用，进而促使奥氏体的细化。过多的钼会损害焊接时形成的热影响区的韧性，降低钢的焊接性，因此本发明设计mo含量为0.21％～0.65％。
13、(9)v：在富氮条件下，用于形成稳定的氮化物，用于轧制变形和冷却中弥散析出，从而钉扎晶界，细化晶粒。在回火和模拟焊后热处理过程中形成大量稳定的碳氮复合析出物，提高钢板的耐回火和模拟焊后热处理性能。本发明钢中v含量控制为0.051％～0.085％。
14、(10)nb：高含量的铌在钢坯加热中可阻止奥氏体晶粒的粗化，使钢板具有较小的原始晶粒度。用于抑制高温变形过程中的再结晶，扩大奥氏体未再结晶区范围，从而有利于奥氏体未再结晶区的多道次轧制，起到很好的晶粒细化效果。在焊接时，可以抑制先共析铁素体的生成，提高热影响区的低温韧性。本发明钢中nb含量为0.041％～0.085％。
15、(11)al：在本发明钢中，al作为合金元素加入，主要作用有：1)固溶强化；2)减轻钢板的时效敏感性，改善钢板的低温韧性；3)提高钢板的高温抗氧化性，使钢板在模拟焊后热处理后依然保持良好的高温拉伸性能。本发明钢中al含量控制在0.055％～0.095％。
16、(12)n：用于扩大奥氏体相区，提高控轧变形效果，促进细小形变组织的生成。用于形成氮化物，提高v、nb等的强化效果，改善钢板的综合性能。起到一定的固溶强化作用。提高钢板的高温强度。氮含量过高增加钢板时效倾向以及冷脆性和热脆性，损坏钢板的焊接性能，因此本发明设计n含量为0.02％～0.05％。
17、(13)ca：用于球化夹杂物，脱氧、去硫，并改善钢水的流动性，降低成分偏析，提高钢板组织和性能均匀性。与si联合使用，能显著提高脱氧效果，降低al的损耗，从而保证本发明钢中al的合金作用得以充分发挥。因此根据需要，本发明钢中ca含量设计为0.002％-0.005％。
18、本发明还提供上述低碳当量高性能核反应堆安全壳用钢的制造方法，所述钢板的生产工艺为：冶炼—连铸—加热—控轧控冷—缓冷—离线回火热处理-探伤-性能检验。
19、本发明钢采用转炉+炉外精炼(lf+rh)的方式冶炼，lf精炼后期喂si-ca线，si-ca线直径为12mm，喂线速度为150～260m/min，喂完si-ca线进行软吹，软吹5～10min，促使钢液中的非金属夹杂物变性后上浮。rh真空循环脱气时间为17～26min，在降低钢中气体含量的同时，进一步降低钙处理后钢中夹杂物含量，提高钢液纯净度，使钢中非金属夹杂物尺寸≤1.0级，从而有利于改善钢板的强韧性。
20、本发明钢采用浇铸的方式连铸，浇铸时，控制中间包过热度为17～25℃，在连铸末端投入压下装置，压下量为12-20mm，并控制拉坯速度为0.7～1.2m/min。通过连铸末端压下和拉坯速度的控制，有效细化铸态组织，降低中心偏析和中心疏松不大于1.0级。
21、为保证足够的压下量，提高轧制渗透和生产效率，连铸坯优选厚度为200～300mm。
22、为确保合金元素充分固溶，并有效控制原始奥氏体晶粒的长大，加热温度为1140～1210℃，保温时间为1～5h。
23、钢板轧制采用两阶段控制轧制，第一阶段奥氏体再结晶区轧制，开轧温度为1070～1120℃，单道次压下率控制在12～17％，道次间隔4～8s，轧制中间坯厚度＞3t(t：成品钢板厚度)。再结晶区的多道次反复再结晶使奥氏体晶粒度充分细化。奥氏体再结晶区轧制后钢板采用水冷降温，冷速为3～7℃/s，在抑制奥氏体晶粒长大的同时减少待温时长，提高轧制效率。
24、第二阶段奥氏体未再结晶区轧制，开轧温度为830～870℃，总压下率大于75％，终轧温度为690-740℃。利用成分设计，扩大了奥氏体未再结晶区，从而最大限度降低终轧温度，使钢板在奥氏体未再结晶区进行多道次累积变形，促进晶粒内部产生大量的位错亚结构和形变带，从而促进贝氏体的转变和细化，而较低的终轧温度则有利于奥氏体晶粒内的位错亚结构有效遗传。轧制成品钢板厚度≤60mm，终轧后，钢板以18～33℃/s的冷速水冷到室温，从而获得全厚度细小的贝氏体组织。
25、成品钢板采用离线回火热处理，回火温度为620-670℃，保温时间为1-8min/mm，出炉后空冷至室温。由于模拟焊后热处理温度为605℃，为充分保证核设备制造过程中在模拟焊后热处理后的性能安全性，回火温度至少高于模拟焊后热处理温度15℃。高温回火使组织进一步均匀化，同时促进了贝氏体板条间碳氮化物的析出，尤其是vc、vn、v(c n)的弥散析出，有效改善了钢板的强韧性。
26、基于本发明钢的成分特点和性能要求，以上生产工艺可以充分发挥本发明钢中合金元素cu、nb、v等的作用，并促使沿钢板全厚度截面组织细化和均匀化，从而提高和均匀化钢板的强韧性，改善钢板的综合性能。
27、本发明提供的一种低碳当量高性能核反应堆安全壳用钢及其制造方法，与现有技术相比，有益效果如下：
28、1、本发明钢在具有高强韧性的同时，具有较低的碳当量(ceq＜0.40％)和焊接裂纹敏感性系数(pcm＜0.20％)，可以保证钢板具有良好的焊接性能。
29、2、本发明钢在-45℃下的应变时效敏感性系数c＜15％。
30、3、本发明30mm以上厚规格钢板厚向典型位置(t/4和t/2)处室温拉伸强度差＜15mpa，200℃高温拉伸强度差＜20mpa，-45℃冲击吸收能量均值差＜10j。
31、4、本发明通过化学成分与制造工艺的创新设计，获得了一种不大于60mm厚低碳当量高性能核反应堆安全壳用钢，钢板室温拉伸抗拉强度为640-680mpa，屈服强度为555-604mpa，断后伸长率为26-29％；200℃高温拉伸抗拉强度为569-641mpa，屈服强度为481-557mpa；-45℃冲击功＞270j，6％应变时效冲击功＞250j。而且，在经保温温度为605℃、保温时间为15h的模拟焊后热处理后，钢板各项性能依然保持良好，其中室温拉伸强度为614-674mpa，屈服强度为525-586mpa，断后伸长率为25-29％；200℃高温拉伸抗拉强度为546-619mpa，屈服强度为463-524mpa；-45℃冲击功＞270j，6％应变时效冲击功＞260j。