压水堆核电站高强高韧厚规格安全壳用钢板及其生产方法
阅读：281发布：2020-05-08
专利汇可以提供压水堆核电站高强高韧厚规格安全壳用钢板及其生产方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种压 水 堆核电站高强高韧 安全壳 用 钢 板及其生产方法，钢中化学成分按重量百分比计含有：C 0.13％-0.19％、Si 0.10％-0.30％、Mn1.30％-1.70％、P≤0.012％、S≤0.005％、Ni0.75％-0.95％、Cr 0.40％-0.60％、Mo 0.30％-0.60％、Al 0.015％-0.040％、Nb 0.010％-0.030％；其余含量为Fe和不可避免的杂质。本 发明 通过化学成分优化和工艺参数的合理设计，具有优良的低温韧性指标。本发明的钢板具有成本优势，在满足综合 力 学性能要求的 基础 上，钢板内部 质量 进一步提升，满足GB/T 2970标准Ⅰ要求。，下面是压水堆核电站高强高韧厚规格安全壳用钢板及其生产方法专利的具体信息内容。
1.压水堆核电站高强高韧厚规格安全壳用钢板，其特征在于，钢中化学成分按重量百分比计含有：C 0.13％-0.19％、Si 0.10％-0.30％、Mn 1.30％-1.70％、P≤0.012％、S≤
0.005％、Ni 0.75％-0.95％、Cr 0.40％-0.60％、Mo 0.30％-0.60％、Al 0.015％-
0.040％、Nb 0.010％-0.030％；其余含量为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的压水堆核电站高强高韧厚规格安全壳用钢板，其特征在于，成品钢板厚度为91-120mm。
3.如权利要求1或2所述的压水堆核电站高强高韧厚规格安全壳用钢板的生产方法，采用铁水深脱硫、转炉冶炼、炉外精炼、真空处理和连铸工艺进行生产；其特征在于：
冶炼确保钢中的P、S分别不大于0.012％和0.005％；连铸坯厚度≥250mm；
连铸坯加热温度1230℃以上，保温时间18h以上，锻造后钢坯最小断面厚度290mm；开轧温度≥1150℃，轧制辊速要求不大于2.0m/s，连续三道次压下率≥20％，终轧温度≥880℃，轧后自然冷却；
调质处理工艺，淬火温度930±10℃、保温时间1.5～4.5min/mm；回火：620±20℃、保温时间3～8min/mm。
压水堆核电站高强高韧厚规格安全壳用钢板及其生产方法
技术领域
[0001] 本发明属于黑色金属材料技术领域，尤其涉及一种压水堆核电站高强高韧厚规格安全壳用钢板及其生产方法。
背景技术
[0002] 随着全球首台AP1000核电机组三门一号并网发电，以及我国“华龙一号”具有完整知识产权的三代核电技术日趋成熟，我国将迎来三代压水堆核电站建设的高峰期。核反应堆安全壳作为三代大型先进压水堆最后一道安全屏障，在核电站的安全运行过程中发挥着较大的作用。
[0003] 但随着三代压水堆核电站建设的大型化、模块化，现有的核反应堆安全壳用钢SA-738Gr.B、Q265HR以及P265GH等钢种从强度及减量化等方面已难以满足要求。原因主要集中在以下两个方面，一是由于核电装备的大型化需求，造成制造装备的钢铁材料厚度较大和用量较多，致使大型装备的制造、安装以及调试等阶段施工困难；二是由于随着材料用量的增加，制造、焊接成本不断增加，增加了整个装备的制造成本，并影响整个工程的进度。
[0004] 正是核反应堆安全壳对于核电机组安全的重要性以及其复杂的服役环境，对安全壳钢板的综合指标提出了更高的要求：一是钢板调质处理加模拟焊后热处理室温抗拉强度达到655MPa以上；二是对钢板内部质量提出了更高的要求，超声波探伤检测等级为Ⅰ级；三是在提升钢板抗拉强度的同时，钢板-45℃(厚度80mm以下)或-7℃(厚度80mm及以上)夏比冲击功到达68J以上。
[0006] “一种核电站压力容器用钢板及其制造方法”的专利文件，专利申请号为201410098857.1，公开号为CN 103911559 A，C：0.10-0.20％，Si：0.15-0.40％，Mn：0.60-
1.40％，P≤0.020％，S≤0.010％，Ni≤0.30％，Cu≤0.18％，，Cr≤0.30％，Mo≤0.08％，V≤
0.020％，Nb≤0.020％，Ti：0.008-0.030％，Alt：0.020-0.050％，N≤0.012％，Ni+Cu+Cr+Mo≤0.70％，Cu+6Sn≤0.33％，Alt：N≥2，余量为Fe和不可避免杂质。该发明的方法制造的钢板，具有良好的低温韧性和耐高温性能，焊接性能、冷热加工性能优良稳定，抗辐照脆化性能良好，成本低。但是该对比文件权利要求书中钢板的最大厚度为100mm，并且说明书中
100mm钢板室温拉伸强度仅为430MPa，300℃高温拉伸屈服强度仅为199MPa。
1.40％，P≤0.020％，S≤0.010％，Ni≤0.30％，Cu≤0.18％，，Cr≤0.30％，Mo≤0.08％，V≤
0.020％，Nb≤0.020％，Ti：0.008-0.030％，Alt：0.020-0.050％，N≤0.012％，Ni+Cu+Cr+Mo≤0.70％，Cu+6Sn≤0.33％，Alt：N≥2，余量为Fe和不可避免杂质。该发明的方法制造的钢板，具有良好的低温韧性和耐高温性能，焊接性能、冷热加工性能优良稳定，抗辐照脆化性能良好，成本低。但是该对比文件权利要求书中钢板的最大厚度为100mm，并且说明书中
100mm钢板室温拉伸强度仅为430MPa，300℃高温拉伸屈服强度仅为199MPa。
[0007] “核电站安全壳用厚钢板及其制造方法”的专利文件，专利申请号为201210269122.1，公开号为CN 102766805 A，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％，Alt：0.015-0.050％，Ni：0.20-0.50％；
以及V≤0.050％，Ti≤0.030％，Cr≤0.25％，Nb≤0.030％，Ca：0.0005-0.0050％中的至少一种；余量为Fe和不可避免杂质。该发明的方法所述的核电站安全壳用厚钢板具有高强度，高韧性度，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。但是该对比文件权利要求书中钢板的最大厚度为60mm，说明书中没有提供150℃或200℃高温拉伸指标，并且没有提供钢板模拟焊后热处理后力学性能情况。
1.5％，Mo：0.10-0.30％，P≤0.012％，S≤0.003％，Alt：0.015-0.050％，Ni：0.20-0.50％；
以及V≤0.050％，Ti≤0.030％，Cr≤0.25％，Nb≤0.030％，Ca：0.0005-0.0050％中的至少一种；余量为Fe和不可避免杂质。该发明的方法所述的核电站安全壳用厚钢板具有高强度，高韧性度，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。但是该对比文件权利要求书中钢板的最大厚度为60mm，说明书中没有提供150℃或200℃高温拉伸指标，并且没有提供钢板模拟焊后热处理后力学性能情况。
[0008] “用于核反应堆安全壳的高强度钢板及其制造方法”的专利文件，专利申请号为200980152846.4，公开号为CN 102264936 A，该钢板以重量计包含：0.03％～0.20％的C、
0.15％～0.55％的Si、0.9％～1.5％的Mn、0.001％～0.05％的Al、0.030％或更少的P、
0.030％或更少的S、0.30％或更少的Cr、0.2％或更少的Mo、0.6％或更少的Ni、0.07％或更少的V、0.04％或更少的Nb、5ppm-50ppm的Ca、0.005％-0.025％的Ti、0.0020％-0.0060％的N、0.0005％-0.0020％的B，余量的Fe和不可避免的杂质。所述钢板可由回火马氏体构成，并对冷却和再结晶控轧的条件进行最优化，以控制微结构的平均粒度和结构晶粒的长宽比，生产的钢板生产的钢板拉伸强度≥650MPa，-50℃的冲击韧性为至少200J，因而可用于核电站。但从该发明采用的钢锭轧制生产方式，成本大大提高，制造钢板的最大厚度仅为80mm，说明书中没有提供150℃或200℃高温拉伸指标，并且没有提供钢板模拟焊后热处理后力学性能情况。
0.15％～0.55％的Si、0.9％～1.5％的Mn、0.001％～0.05％的Al、0.030％或更少的P、
0.030％或更少的S、0.30％或更少的Cr、0.2％或更少的Mo、0.6％或更少的Ni、0.07％或更少的V、0.04％或更少的Nb、5ppm-50ppm的Ca、0.005％-0.025％的Ti、0.0020％-0.0060％的N、0.0005％-0.0020％的B，余量的Fe和不可避免的杂质。所述钢板可由回火马氏体构成，并对冷却和再结晶控轧的条件进行最优化，以控制微结构的平均粒度和结构晶粒的长宽比，生产的钢板生产的钢板拉伸强度≥650MPa，-50℃的冲击韧性为至少200J，因而可用于核电站。但从该发明采用的钢锭轧制生产方式，成本大大提高，制造钢板的最大厚度仅为80mm，说明书中没有提供150℃或200℃高温拉伸指标，并且没有提供钢板模拟焊后热处理后力学性能情况。
发明内容
[0009] 本发明提供了一种压水堆核电站高强高韧厚规格安全壳用钢板及其生产方法，生产的钢板厚度为91-120mm，本发明通过化学成分优化和工艺参数的合理设计，具有优良的低温韧性指标，通过提高成材率显著降低生产成本，并在满足综合力学性能要求的基础上，钢板内部质量进一步提升，完全能够满足GB/T 2970标准Ⅰ要求。
[0010] 为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
[0011] 压水堆核电站高强高韧厚规格安全壳用钢板，钢中化学成分按重量百分比计含有：C 0.13％-0.19％、Si 0.10％-0.30％、Mn 1.30％-1.70％、P≤0.012％、S≤0.005％、Ni 0.75％-0.95％、Cr 0.40％-0.60％、Mo 0.30％-0.60％、Al 0.015％-0.040％、Nb
0.010％-0.030％；其余含量为Fe和不可避免的杂质。
0.010％-0.030％；其余含量为Fe和不可避免的杂质。
[0012] 成品钢板厚度为91-120mm。
[0013] 采用上述成分设计理由如下：
[0014] C：钢中C是保证钢板强度的主要元素，C含量偏低，强度可能满足不了要求，尤其经过长时间模拟焊后热处理后强度会得到一定程度的下降。但C含量较高直接会带来韧塑性的下降及焊接焊接性能的恶化。为使钢板经过长时间模拟焊后热处理及在200℃高温下，强度和韧性达到良好的匹配，因此本发明要求钢中C含量宜控制0.13％-0.19％范围内。
[0015] Si：Si是有效的强化元素，同时也是廉价的元素，但含量较高同样也会带来韧塑性下降，并降低钢的焊接性能。因此从保证钢板不同状态强韧性考虑，本发明Si含量优选控制范围为0.10％-0.30％。
[0016] 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，考虑到本发明钢板厚度≥91mm，因此实际生产中Mn含量宜控制在1.30％-1.70％范围内。
[0017] 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会具有较高的韧性，满足指标的要求。考虑到本发明涉及的钢种厚度≥91mm，厚规格钢板经过长时间模拟焊后热处理后强度及韧性均有不同程度地下降。为确保钢板在具有足够强度的同时还具有较高的韧性，本发明要求钢中Ni含量控制为0.75％-0.95％。
[0018] 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含量优选控制范围为0.40％-0.60％。
[0019] 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；同时Mo较强地提高了固溶体原子间结合力，提高钢的热强性；更为重要的是Mo有效地抑制钢中有害元素偏聚。由于本发明钢板相对较厚同时还要求经过长时间模拟焊后热处理后仍要保留足够的强度及韧性，同时考虑本发明中Ni、Cr等元素的加入，本发明要求钢中Mo含量控制为0.30％-0.60％。
[0020] Al：Al是细化钢的晶粒和提高钢晶粒开始粗化温度的有效元素，Al与钢中其他元素化合形成细小弥散分布的难熔化合物进而起到阻抑晶粒长大作用。通常情况下Al含量在20％以上时晶粒显著细化，但Al含量过多对晶粒度的变化影响不大。因此本发明要求钢中Al含量控制为0.015％-0.040％。
[0021] Nb：Nb能提高钢的屈服强度，降低脆性转变温度，对钢的焊接性能有益，同时Nb对辐照脆化敏感性差，因此本发明要求钢Nb含量控制为0.010％-0.030％。
[0022] P：P是一种有害元素，造成钢的脆性加剧，也使屈服点和屈强比显著提高，塑性和韧性恶化，对焊接有不利影响。同时辐照试验表明，P对辐照脆化亦非常敏感，因此要求钢中的P含量越低越好，本发明要求低于0.012％。
[0024] 气体H、O、N：钢中过量的H、O、N对钢的性能产生不利的影响，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。本发明要求钢中H≤2ppm、O≤30ppm、N≤50ppm。
[0027] 钢板采用锻造、轧制结合方式进行生产，连铸坯首先经过高温长时间保温后进行锻造，锻造方式为：纵锻+横锻，连铸坯加热温度1230℃以上，保温时间18h以上，锻造后钢坯最小断面厚度290mm；锻造钢坯表面经过清理后采用高温、慢辊速、大压下方式进行轧制生产，其中开轧温度≥1150℃，终轧温度≥880℃，轧后自然冷却；轧制辊速要求不大于2.0m/s；连续三道次压下率≥20％；
[0028] 钢板轧后采用调质处理工艺，淬火温度930±10℃、保温时间1.5～4.5min/mm；回火：620±20℃、保温时间3～8min/mm。
[0029] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0030] 1)本发明工艺技术生产的钢板，通过化学成分优化和工艺参数的合理设计，具有较高强度同时还具有优良的低温韧性指标。钢板经锻造+轧制+调质处理+模拟焊后热处理后-50℃冲击吸收能量保持在170J以上。
[0031] 2)本发明采用的工艺技术生产的钢板具有成本优势，与模铸生产的产品相比，主要通过提高成材率显著降低生产成本，并在满足综合力学性能要求的基础上，钢板内部质量进一步提升，完全能够满足GB/T 2970标准Ⅰ要求。
具体实施方式
[0032] 下面结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步说明：
[0033] 一种压水堆核电站高强高韧厚规格安全壳用钢板，钢中化学成分按重量百分比计含有：C 0.13％-0.19％、Si 0.10％-0.30％、Mn 1.30％-1.70％、P≤0.012％、S≤0.005％、Ni 0.75％-0.95％、Cr 0.40％-0.60％、Mo 0.30％-0.60％、Al 0.015％-0.040％、Nb 0.010％-0.030％；其余含量为Fe和不可避免的杂质。
[0034] 成品钢板厚度为91-120mm。
[0035] 一种压水堆核电站高强高韧厚规格安全壳用钢板的生产方法，采用铁水深脱硫、转炉冶炼、炉外精炼、真空处理和连铸工艺进行生产；
[0036] 冶炼采用双联法或双渣法进行生产，经过炉外精炼及真空处理后，确保钢中的P、S分别不大于0.012％和0.005％；采用立弯式连铸机进行生产，，连铸坯厚度≥250mm；
[0037] 钢板采用锻造、轧制结合方式进行生产，连铸坯首先经过高温长时间保温后进行锻造，锻造方式为：纵锻+横锻，连铸坯加热温度1230℃以上，保温时间18h以上，锻造后钢坯最小断面厚度290mm；最大程度地消除中心疏松，减轻中心偏析，形成锻造钢坯，然后进行表面清理。锻造钢坯表面经过清理后采用高温、慢辊速、大压下方式进行轧制生产，其中开轧温度≥1150℃，终轧温度≥880℃，轧后自然冷却；轧制辊速要求不大于2.0m/s；连续三道次压下率≥20％；通过动态再结晶使奥氏体晶粒得到充分细化的同时，提高生产效率。
[0038] 钢板轧后采用调质处理工艺，得到细致、均匀的回火索体组织，并使钢板具有良好的综合力学性能，与正火相比，钢板综合力学性能更为优良，与TMCP+回火工艺相比，钢板性能更为均匀。为充分发挥钢中Ni、Cr、Mo等合金元素作用，同时结合其他元素及轧制工艺特点，通过淬火使轧制后的组织充分奥氏体化后迅速冷却获得淬火马氏体组织，再通过高温回火，钢中合金碳化物析出充分、均匀，以保证钢板最终性能。针对不同厚度钢板特点，确定调质处理工艺如下：淬火温度930±10℃、保温时间1.5～4.5min/mm；回火：620±20℃、保温时间3～8min/mm。
[0039] 本发明在化学成分设计方面，通过添加更高含量的Ni(0.75wt％-0.95wt％)Ni由于降低临界转变温度和降低钢中各元素扩散速度，因而可提高淬透性能；同时还能够有效地降低钢的脆性转变温度，进而能够明显地改善钢的低温韧性，尤其是厚规格钢板，同时经过长时间模拟焊后热处理之后的低温韧性。使钢板在具有足够强度的同时还会具有较高的韧性。通过添加更高含量的Cr(0.40wt％-0.60wt％)钢中Cr元素可以提高淬透性、耐蚀性和抗氧，并增强固溶体中原子间结合力，提高热强性。同时具有减少间隙元素对辐照有害作用；通过添加微量元素Nb(0.010wt％-0.030wt％)，达到细化晶粒，提高热强性和改善焊接性的作用，由于V元素对辐照比较敏感，因此通过添加Nb元素达到上述目的，此外，Nb的碳氮化物可以“钉扎”晶界作用以及固溶Nb具有强烈的拖曳晶界移动的能力，提高钢的强度。
[0040] 通过化学成分的优化设计和生产工艺的合理制定，钢板经锻造+轧制+调质处理后-50℃冲击吸收能量同样保持在较高的水平，并且有效地提高了钢板内部质量。采用本发明制造的钢板能够满足在经过保温温度610℃，保温时间长达10小时模拟焊后热处理后的室温和200℃高温拉伸性能要求，并且各项指标优于现有技术制造的钢板性能指标(经过保温温度610℃，保温时间10小时模拟焊后热处理后)。
[0041] 实施例1-4的化学成分如表1所示：
[0042] 表1实施例1-4钢的化学成分(wt％)
[0043]
[0044] 实施例1-4的锻造工艺参数如表2所示：
[0045] 表2实施例1-4锻造工艺
[0046]
[0047] 实施例1-4的轧制及热处理工艺如表3所示：
[0048] 表3实施例1-4轧制及热处理工艺
[0049]
[0050] 实施例1：
[0051] 本实施例的生产方法，钢水经转炉冶炼、炉外精炼、真空处理，浇铸成连铸坯(厚度300mm)，连铸坯经过纵锻+横锻，锻造成钢坯厚度290mm。锻造钢坯经过再次加热轧制轧制，成品钢板厚度为91mm。其成分见表1中例1，锻造、轧制及热处理工艺分别见表2和表3中例1，力学性能见表4。
[0052] 表4实施例1的力学性能结果
[0053]
[0054] 91mm厚钢板经过调质处理，各项性能指标完全满足要求，同时钢板具有良好综合力学性能和焊接性能，并且完全GB/T 2970标准Ⅰ级超声波探伤要求。
[0055] 实施例2：
[0056] 本实施例的生产方法，钢水经转炉冶炼、炉外精炼、真空处理，浇铸成连铸坯(厚度300mm)；连铸坯经过纵锻+横锻，锻造成钢坯厚度300mm。锻造钢坯经过再次加热轧制，成品钢板厚度为100mm。其成分见表1中例2，锻造、轧制及热处理工艺分别见表2和表3中例2，力学性能见表5。
[0057] 表5实施例2力学性能结果
[0058]
[0059] 100mm厚钢板经过调质处理，各项性能指标完全满足要求，同时钢板具有良好综合力学性能和焊接性能，并且完全GB/T 2970标准Ⅰ级超声波探伤要求。
[0060] 实施例3：
[0061] 本实施例的生产方法，钢水经转炉冶炼、炉外精炼、真空处理，浇铸成连铸坯(厚度300mm)；连铸坯经过纵锻+横锻，锻造成钢坯厚度330mm。锻造钢坯经过再次加热轧制，成品钢板规格为110mm。其成分见表1中例3，锻造、轧制及热处理工艺分别见表2和表3中例3，力学性能见表6。
[0062] 表6实施例3力学性能结果
[0063]
[0064] 110mm厚钢板经过调质处理，各项性能指标完全满足要求，同时钢板具有良好综合力学性能和焊接性能，并且完全GB/T 2970标准Ⅰ级超声波探伤要求。
[0065] 实施例4：
[0066] 本实施例的生产方法，钢水经转炉冶炼、炉外精炼、真空处理，浇铸成连铸坯(厚度330mm)；连铸坯经过纵锻+横锻，锻造成钢坯厚度330mm。锻造钢坯经过再次加热轧制，成品钢板规格为120mm。其成分见表1中例4，锻造、轧制及热处理工艺分别见表2和表3中例4，力学性能见表7。
[0067] 表7实施例4力学性能结果
[0068]
[0069]
[0070] 120mm厚钢板经过调质处理，各项性能指标完全满足要求，同时钢板具有良好综合力学性能和焊接性能，并且完全GB/T 2970标准Ⅰ级超声波探伤要求。
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