高韧性高延性低辐照脆化核电承压设备用钢及其制造方法

技术领域

本发明属于低碳微合金钢技术领域，具体地涉及一种高韧性高延性低辐照脆化核电承压设备用钢及其制造方法。

背景技术

核电承压设备用钢适用于制造核反应堆的安全壳、压力容器、压力管道等支撑反应堆基础结构的材料，同时还起到保护核电设备运行、防止放射性射线扩散的作用，是反应堆的最后一道安全屏障。根据反应堆类型的不同和基础结构材料作用的不同，核电承压设备用钢的安全级别要求也是不同的。目前在核电安全壳、支架、牛腿、二级管道等承压设备中多采用如A42、A52、P265GH、P295GH、P355GH等抗拉强度400～550MPa级钢，但这些钢种的韧性、延性以及强度控制水平不高，只能适用于第二代核电工程中的核安全2、3级承压设备。随着第三代核电技术的发展，原有的承压设备用钢不能完全满足核电工程对钢板的强度、韧性、焊接性等性能要求。为了提高核电站运行中的安全性和可靠性，承压设备用钢需要进一步提高其韧性、延性、高温拉伸性能、焊接性能，降低辐照脆化效应，减少钢板性能波动，从而实现降低核电承压设备的制造成本和施工难度，提高工程寿命和安全性。

在本发明以前，国内有关第三代核电技术核电承压设备用钢的技术文献和专利文献较少。如《大型铸锻件》2008，(1)：1-3中“核反应堆压力容器锻件用SA508系列钢的比较和分析”一文以及《大型铸锻件》2002，(1)：5-9中“1000MW核电蒸发器管板炼钢工艺研究”一文分别对A508-3和18MND5核电承压设备用钢的技术问题进行了探讨。这两种钢的优点是均具有高强度和高韧性，但其化学成分中添加了辐照脆化敏感元素Cu、V，并且对钢板中残余元素如P、S、Sn、Sb、As等的控制水平不高，加重了钢板的辐照脆化效应。同时，为了提高钢材的强度，这些钢成份中添加了较多合金元素，致使钢的纯净度有一定程度降低，偏析程度也增大，因而钢的强度太高致使延性下降，不适合制造对强度、延性、韧性、焊接性等综合性能要求较高的核电安全壳、支架、牛腿、二级管道等承压设备。因而不适合制造第二代改进型和第三代核电承压设备。

另外，实际生产过程中，核电承压设备中也采用过很多不锈钢如Z2CN18-10等，这些不锈钢有较高的强度和低的屈强比、有良好的抗疲劳性能和断裂韧性，同时具有较好的耐腐蚀性和低温韧性，但是这些不锈钢的不足之处在于它们的化学成分中贵重合金元素Ni、Mo、Cr等含量均较高，使钢材制造成本较高，同时不锈钢钢板的生产厚度也有限制，对后期钢板焊接工艺要求也很严格，因而导致整个核岛建设工程成本增高。

发明内容

本发明的目的是要提供一种高韧性高延性低辐照脆化核电承压设备用钢及其制造方法，该钢具有良好的冷热加工性能及优异的焊接性能，该制造方法能精确控制在正火态或控轧态等不同交货状态下钢板的强度范围。

为实现上述目的，本发明所设计的高韧性高延性低辐照脆化核电承压设备用钢，其化学成分按重量百分数计为：C：0.08～0.15、Si：0.20～0.35、Mn：0.80～1.60、P≤0.012、S≤0.005、Alt：0.01～0.05、Ti：0.008～0.015、N≤0.010，其余为Fe及不可避免的杂质；该钢的化学成分还满足以下关系式：

(1)Ni+Cr+Mo+Cu≤0.70；

(2)Alt/N≥2.0；

(3)Cu+6Sn≤0.30；

(4)Sn+Sb+As+Pb≤0.020。

该钢的优选化学成分按重量百分数计为：C：0.10～0.15、Si：0.20～0.35、Mn：0.90～1.50、P≤0.012、S≤0.003、Alt：0.02～0.04、Ti：0.008～0.015、N≤0.010，其余为Fe及不可避免的杂质；

本发明高韧性高延性低辐照脆化核电承压设备用钢加工成厚度为4～10mm控轧态钢板的制造方法包括以下步骤：铁水脱硫、转炉冶炼、真空处理、连铸、板坯加热、热连轧、冷却、卷取、开平等，所述板坯加热温度制为1100～1250℃，所述热连轧开轧温度控制为1000～1150℃，终轧温度控制为800～900℃，卷取温度控制为60～680℃。

进一步地，所述板坯加热温度控制为1180～1250℃；所述热连轧开轧温度控制为1040～1100℃，终轧温度控制为840～860℃。

更进一步地，对CE≤0.30的钢产品，所述卷取温度控制为620～650℃；对CE＞0.30的钢产品所述卷取温度控制为650～680；其中，所述CE＝C+Mn/6+(Cu+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15。

本发明高韧性高延性低辐照脆化核电承压设备用钢加工成厚度为10～60mm正火态钢板制造方法包括以下步骤：铁水脱硫、转炉冶炼、真空处理、连铸、板坯加热、热连轧、冷却、正火处理等，其中，所述热连轧时开轧温度控制为1100～1280，终轧温度控制在800～900℃，轧制总压下率≥60％，所述正火热处理温度为870～930℃；正火后空冷至室温。

进一步地，所述开轧温度控制为1180～1240℃；所述终轧温度控制为800～860℃；所述轧制总压下率≥70％；

更进一步地，对CE≤0.36的钢产品，所述正火热处理温度控制为870～900℃；对CE＞0.36的钢产品所述正火热处理温度控制为900～930℃；其中，所述CE＝C+Mn/6+(Cu+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15。

本发明钢成分中主要合金元素的设定及制造方法原理如下：

设计发明本钢种时，考虑该钢主要是要保证钢板的韧性、延性水平和控制好强度范围。因此，低碳微合金钢可以达到设计要求。炼钢时要控制钢水的纯净度，防止杂质元素和残余元素对钢板辐照脆化性能的影响。C、Si、Mn、Alt的设计成分要保证钢板的强度范围符合核电承压设备用钢如：核电安全壳、支架、牛腿、管道等设备的要求。微量Ti的添加提高了钢板的延性和韧性水平，保证了钢板的使用安全。

(1)碳

碳属于对辐照有害的间隙元素，辐照硬化与钢中间隙元素的数量密切相关。随着碳含量增加，钢材的延伸率和冲击韧性下降，尤其是低温韧性下降的幅度更大，而且在钢材的焊接热影响区还会出现淬硬现象，导致焊接冷裂纹的产生。本发明钢设计成分时在保证合适强度前提下，应适当减小碳的重量百分含量。因此，本发明中碳重量百分含量应控制在0.08～0.15％范围，优选0.10～0.15％范围以便获得优良的综合性能。

(3)硅

核电承压设备用钢中的硅含量不是有意添加的合金元素，而是冶炼时从废钢和生铁原料中带来的。硅有稳定辐照缺陷的作用，使恢复效应不明显。硅含量过高对辐照有害，应严格控制核电承压设备用钢中硅的含量，其重量百分含量一般应小于0.35％。但硅能降低钢中碳的石墨化倾向，并以固溶强化形式提高钢的强度，所以本发明中硅控制在0.20～0.35％。

(4)锰

锰是扩大γ相、细化晶粒、球化碳化物和保证综合性能以及提高淬透性的有效元素，但实验表明它有增大辐照脆化的趋势。这是因为锰造成Ac3温度降低，使钢板在辐照下钢中满足奥氏体化温度的热峰数量增加，即类似于被淬火的微区增多。因此，在保证核电承压设备用钢一定强度的情况下要控制锰的重量百分含量在0.80～1.60％，优选0.90～1.50％范围，同时能保证钢材的强度和低辐照脆化性能。

(5)铝

铝是钢中的主要脱氧元素，铝在γ相中的最大溶解度大约0.6％，它溶入奥氏体后仅微弱地增大淬透性，所以认为全铝(Alt)对焊接氢致裂纹基本没有影响。但是，当Alt含量过高时，易导致钢中夹杂增多，对钢的韧性不利，所以本发明将铝重量百分含量控制在0.01～0.05％，优选0.02～0.04％范围。

(6)氮

固溶氮的多少对氮与辐照缺陷以及影响其他元素同辐照点缺陷或缺陷团形成复杂缺陷的数量、稳定性有关。如德国电站联盟卡威屋公司(KWU)对核电承压设备用钢中规定含N＜0.013％，在本发明中要求N重量百分含量≤0.010％。

本发明的核电承压设备用钢中，为了脱氧和细化晶粒而控制的铝含量与N含量有关，对Alt/N有要求。钢材中若Alt/N比例合理，可以改善钢的韧性、减少辐照敏感性。本发明在限定Alt含量范围同时限定了Alt/N≥2.0％有利于改善钢板韧性，减少辐照敏感性，同时降低钢板应变时效敏感性。

(7)钛

钛是一种强烈的碳化物和氮化物形成元素，形成的TiN、Ti(CN)等粒子非常稳定，能有效地钉扎晶界，阻止γ晶粒长大，因而起到细化晶粒的作用。钛能在一定程度上抑制辐照空洞的产生，但过多的钛会造成钛的析出物增多。同时，微量的钛可提善钢的高温强度和韧性，故将钛的重量百分含量控制在0.008～0.015％。

在对单个元素的含量进行限定的同时，本发明钢还用关系式Ni+Cr+Mo+Cu≤0.70％限制了Ni、Cr、Mo、Cu等元素的重量百分含量的残留量。由于镍在辐照条件下会形成不稳定的微小淬火区，增大了钢板内部脆化倾向，而在辐照下沉淀出的自由铜对串级碰撞产生的微空洞有稳定作用，增大了钢板辐照脆效应。作出上述限制不仅保证了钢板的强度范围和钢水的纯净度，又降低了核级设备在辐照下的脆化效应。

此外，痕迹元素和杂质元素都是地矿内天然存在的元素，炼钢原料中难以避免。本发明钢的痕迹元素主要是As、Pb、Sn、Sb，尽管在钢中含量甚少，但对辐照性能影响较大，严格控制其含量能明显减少辐照效应。但这些痕迹元素仅对高温辐照有影响，在低于149℃辐照时，影响不大。这与低温辐照时基体中组织的影响大于成分影响而高温辐照时成分的影响大于组织有关。因此本发明对上述各痕迹元素的重量百分含量限定了Sn+Sb+As+Pb≤0.020％和Cu+6Sn≤0.30％的要求。

在本发明钢成分中磷和硫等杂质元素有加速辐照脆化的倾向。硫能降低辐照试验后试样最大冲击功，这与形成低熔点的FeS、MnS有关。磷对辐照敏感与磷在晶界偏析有关。因磷原子扩散到晶界引起偏析使晶界表面能降低，所以导致无塑性转变温度(NDTT)增加。此外，磷含量对辐照脆化的影响还与铜含量有关。随铜含量增加，磷的辐照效应减少。因为钢中铜含量低时，聚集成儿个纳米大小的磷原子群和磷化物沉淀比较多；随着铜量增加，磷被结合在富铜沉淀中，产生铜磷化物，即磷的单独影响随着铜增加而降低。考虑实际冶金水平，本发明钢中将P和S的重量百分含量限定为P≤0.012％、S≤0.005％。

本发明高韧性高延性低辐照脆化核电承压设备用钢制造方法所依据的原理如下：

本发明钢控轧态钢板制造方法中：将终轧温度(RT7)设置在800～900℃范围，优选840～860℃范围。该温度如设置过低会造成冷却强度不足，钢板强度偏低；如设置过高会使自动冷却系统水量过大，造成钢板强度偏高。将卷取温度(CT)设置在620～680℃，是保证钢卷在设备允许的卷取温度范围内。根据不同的碳当量制定合适的卷取温度来精确控制强度范围，优选方案是对CE≤0.30的钢产品，所述卷取温度控制为620～650℃；对CE＞0.30的钢产品卷取温度控制为650～680℃；其中：CE＝C+Mn/6+(Cu+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15。

本发明控轧态钢板制造方法优选适用于生产厚度4～10mm钢板，如此限定厚度是因为控轧态钢板采用热连轧生产工艺，如生产厚度＜4mm，钢板的板形控制难度较大，且不便于运输，如厚度要求＞10mm，则可以在正火态工艺实现，钢板整体力学性能要优于控轧态。

本发明钢正火态钢板制造方法中：将热连轧开轧温度设置在1100～1280℃，优选1180～1240℃，如该温度设置过低会造成轧制应力过大，轧制时可能出现裂纹，甚至断坯而成为废品。同时，开轧温度过低也不利于钢中粗大晶粒的破碎，使钢中晶粒粗大，降低了钢板的机械性能，也增大了轧机负荷，减少了轧机的使用寿命。如开轧温度设置过高轧制时易造成混晶，使钢板组织均匀性降低，韧性下降。终轧温度控制在800～900℃，优选800～860℃也能更好保证钢材的综合力学性能。将正火温度设置在860～950℃，主要是使钢完全奥氏体化，形成均匀的奥氏体组织。为了精确控制钢板的强度范围，优选制造方案是根据不同的碳当量设置正火温度范围，对CE≤0.36的钢产品，所述正火热处理温度控制为870～900℃；对CE＞0.36的钢产品所述正火热处理温度控制为900～930℃；其中，所述CE＝C+Mn/6+(Cu+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15。

本发明正火态钢板制造方法适用于生产厚度10～60mm钢板，因为如厚度＞60mm，板厚效应加大，不同厚度钢板之间强度范围差异增大，且对于较厚钢板不同部位强度、延性和韧性差异也变大。如厚度＜10mm，钢板在轧制、热处理后板型难以达到设计要求。

本发明通过严格控制钢材化学成分的重量百分含量和采取合理的轧制和热处理工艺，能精确控制钢板在不同交货状态下的强度范围。本发明钢产品的上屈服强度(R_eH)介于300～345MPa，此强度范围下，钢板在与混凝土等材料结合时有最佳的匹配性，在冷热条件下不容易出现裂纹与间隙。同时本发明的钢板具有高韧性、高延性、低辐照脆化，良好的冷热加工性能及优异的焊接性能，能够缩短生产工艺流程和生产周期、大大减低钢的生产成本，实现钢种的国产化，结束第三代重要部位核电承压设备用钢材依赖进口的现状。