專利名稱：一種核反應堆安全殼封頭及筒體用鋼的制作方法
技術領域：
本發明屬于黑色金屬材料，特別涉及核電站設備的鋼制安全殼封頭及筒體用鋼。
背景技術：
核能作為一種經濟、安全、清潔、高效能源，已逐漸為世界各國所接受并大力開發。 我國從2005年開始更是加快了核電開發的力度，到目前為止在建的各類百萬千瓦級核電機組已達觀座，成為世界上在建核電機組最多的國家。在眾多的百萬千瓦級核電機組中， 我國從美國西屋公司引進的非能動第三代核電技術——AP1000大型先進壓水堆，不僅是當前世界上較為先進的核電技術，同時也是我國未來核電機組建造和發展的趨勢。反應堆鋼制安全殼是AP1000技術獨有的安全防護設施。主要作用包括兩個方面 一是作為包容帶放射性物質的主要設備，能夠防止放射性物質向外擴散；二是屬于AP1000 非能動安全殼冷卻系統的主要設備，是控制核島內溫度的重要保證。與發達國家相比，我國核電發展過程雖然相對緩慢，但在AP1000先進壓水堆的引進及建造方面已走到世界前列，因此在其特有的反應堆安全殼封頭及筒體用鋼的生產及制造技術方面沒有任何經驗可循。同時該鋼種性能要求不僅全面而且嚴格既有常溫、低溫性能要求，還要進行高溫性能檢驗；既要檢驗鋼板調質處理后的性能，還要保證長時間消應力處理后性能保持穩定；另外在兼顧鋼板強度、韌性同時，還要具有良好的焊接性能，這也是反應堆安全殼封頭及筒體用鋼最為關鍵也是難度較大的控制環節。同時從實際生產技術來看，國內外目前尚未見到同類研究的相關報道。核反應堆安全殼封頭及筒體用鋼目前在國內只有少數鋼廠能夠生產，而實際生產過程中主要存在以下兩個方面問題一是經過長達10小時以上的消應力處理后，鋼板強度明顯下降，尤其抗拉強度已低于指標要求；二是鋼板的沖擊韌性不均勻，沖擊值離散、波動大，從而造成鋼板最終性能合格率下降。產生上述問題的主要原因一是在生產過程中，由于過分地追求鋼板的焊接性能而將碳當量控制在0. 39%以下；二是實際生產過程中，鋼中氣體及非金屬夾雜物含量并沒有得到充分地降低，從而使鋼板的沖擊韌性發生離散。
發明內容
本發明提供了一種核反應堆安全殼封頭及筒體用鋼，通過合理地控制鋼中的碳當量、降低鋼中氣體及非金屬夾雜物含量，可有效地保證鋼板具有較高強度同時，還具有均勻、穩定的韌性，尤其在經過長時間消應力處理后，鋼板的強度不會得到明顯下降，仍然可以滿足指標要求。本發明的目的是這樣實現的，一種核反應堆安全殼封頭及筒體用鋼，其化學成分重量百分比為彡 0. 20% 的 C ；0. 15% -0. 55% 的 Si ；0. 90%-1. 60% 的Mn ；彡 0. 025% 的 P ； 彡 0. 025% 的 S ；彡 0. 60% 的Ni ；彡 0. 30% 的 Cr ；彡 0. 30% 的Mo ；彡 0. 04% 的Nb ；彡 0. 07% 的V ；< 0. 35%的Cu，同時要求V+Nb ^ 0. 08%,其余含量為!^e及不可避免雜質。上述成分中重點控制鋼中碳當量為0. 40% -0. 44%。
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碳當量計算公式CE = C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15，下同。同時控制鋼中非金屬夾雜物，保證A、B、C、D類夾雜彡1.5級(按ASTME45方法A 進行檢驗，下同)。采用上述成分設計理由如下(I)C 鋼中C含量是保證鋼板強度的主要元素，C含量偏低，強度滿足不了要求，C 含量大于0.20%會降低鋼的可焊性，同時會提高輻照脆化性。因此本發明要求鋼中C含量彡0. 20%，最佳控制范圍為0. 07% -0. 14%。(2) Si =Si是強化元素，但Si高增加輻照脆性，所以應把Si含量控制在低限為好。 本發明要求鋼中Si含量彡0. 55%，最佳控制范圍為0. 20% -0. 40%。(3) Mn:鋼中Mn元素除了起強化基體作用外，還能有效地提高鋼的淬透性，但Mn含量較高時，有使鋼的晶粒粗化傾向，并增加回火脆化敏感性。因此本發明要求鋼中Mn含量控制在0. 80% _1.50%，最佳控制范圍為1. 20% -1.50%。(4)Ni =Ni能夠明顯改善鋼的低溫韌性，同時提高厚截面鋼板的淬透性，但由于Ni 是擴大Y相的元素，降低鋼的A3溫度，因此在熱應力作用下使晶格畸變增多，輻照效應較大，因此本發明要求鋼中Ni含量< 0. 60%，最佳控制范圍為0. 35% -0. 55%。(5)Cr :Cr在鋼中能顯著改善鋼的抗氧化作用，增加抗腐蝕能力。同時縮小奧氏體相區，提高鋼的淬透性能。但Cr還會顯著提高鋼的脆性轉變溫度，促進回火脆性，因此本發明要求鋼中Cr含量彡0. 35%，最佳控制范圍為0. 10% -0. 20%。(6) Mo 主要作用是提高耐熱性和減少回火脆性，本發明要求鋼中Mo含量彡0. 30， 最佳控制范圍為0. 10% -0. 30%。(7)V、Nb 核電用鋼要求是細晶粒鋼。細晶粒鋼比粗晶粒鋼輻照脆性小，鋼中加入 V或Nb均有細化晶粒、提高晶粒粗化溫度，因此本發明要求鋼中V含量< 0. 07%、Nb含量 (0. 05%，最佳控制范圍分別為0. 02% -0. 06%和0.01% -0. 03%。(8)Cu =Cu是對輻照脆化最有害的元素，本發明要求鋼中的Cu含量< 0. 10%。(9)P:輻照試驗表明，P對輻照脆化亦非常敏感，同時P含量較高，也易于在鋼中加劇中心偏析及中心疏松的產生，因此要求鋼中的P含量越低越好，本發明要求P含量 ^ 0. 012%。(IO)S=S在鋼中形成S化物夾雜，降低了鋼的沖擊韌性，影響焊接性能，同時加劇中心偏析、疏松等缺陷的產生，因此本發明要求鋼中S含量< 0. 003%。(11)氣體N、H、0 總體來講，它們對鋼的性能均有害，同時還會增加輻照脆化效應，因此希望把它們的含量降低到最低水平。本發明要求鋼中HSl. 5ppm、0 ( 30ppm、 N 彡 60ppm。本發明提供的一種核反應堆安全殼封頭及筒體用鋼板，厚度在40_50mm，寬度及長度可根據實際需求進行生產。與現有技術相比，有益效果如下一是控制鋼中碳當量在0. 40% -0. 44%，可有效地保證鋼板調質處理后屈服強度在480-M0MPa、抗拉強度在620-670MPa(按ASTM A370檢驗，下同)；調質處理后的鋼板再經過593-620°C、長達10小時的消應力處理后，其強度略有下降，但平均屈服強度在 470MPa、平均抗拉強度在600MPa左右，完全滿足核反應堆安全殼封頭及筒體用鋼的要求。二是經調質處理后，鋼板沖擊吸收能量(_45°C )基本控制在270-380J(按ASTM
4A370檢驗，下同)，較為均勻、穩定，同樣滿足核反應堆安全殼封頭及筒體用鋼的要求。
具體實施例方式實施例一本實施例的核反應堆安全殼封頭及筒體用鋼，按重量百分比包含以下組分 0. 07% 的 C ;0· 45% 的 Si ；1. 50% 的 Mn ；0. 010% 的 P ；0. 0015% 的 S :0. 45% 的 Ni ；0. 17% 的 Cr 0. 16%的Mo ；0. 02%的Nb ；0. 04%的V ;0. 01 %的Cu，其余含量為！^e及不可避免雜質。 連鑄成厚度為300mm鑄坯，最終軋制成42mm厚鋼板。按上述成分，碳當量(CE)為0· 42%同時鋼水經過轉爐冶煉、爐外精煉(LF、VD)處理，鋼中氣體含量[H]1.0ppm、
25ppm、 [N]55ppm。鋼中非金屬夾雜物為A類<0.5級、B類<0.5級、C類0.5級、D類1.0級。本實施例的核反應堆安全殼封頭及筒體用鋼板經調質處理后，進行拉伸及沖擊性能檢驗，鋼板的平均屈服強度為515MPa、平均抗拉強度為635MPa、沖擊吸收能量(_45°C ) 控制在290-320J，平均為308J ；鋼板再經620°C、保溫10小時的消應力處理后，其屈服強度及抗拉強度略有所下降，平均屈服強度在480MPa、平均抗拉強度在605MPa、沖擊吸收能量 (-450C )略有提高，基本在305-350J，平均為339J，完全滿足核反應堆安全殼封頭及筒體用鋼的要求。實施例二本實施例的核反應堆安全殼封頭及筒體用鋼，按重量百分比包含以下組分 0. 07% 的 C ;0. 45% 的 Si ；1. 的 Mn ；0. 010% 的 P ；0. 0015% 的 S ；0. 45% 的 Ni ；0. 18% 的 Cr ；0. 15%的Mo ；0. 02%的Nb ；0. 04%的V ;0. 01 %的Cu，其余含量為！^e及不可避免雜質。 連鑄成厚度為300mm鑄坯，最終軋制成42mm厚鋼板。按上述成分，碳當量(CE)為0· 40%同時鋼水經過轉爐冶煉、爐外精煉(LF、VD)處理，鋼中氣體含量[H]1.5ppm、
28ppm> [N]57ppm。鋼中非金屬夾雜物為A類<0.5級、B類0.5級、C類0.5級、D類1.0級。本實施例的核反應堆安全殼封頭及筒體用鋼板經調質處理后，進行拉伸及沖擊性能檢驗，鋼板的平均屈服強度為500MPa、平均抗拉強度為620MPa、沖擊吸收能量(_45°C ) 控制在310-380J，平均為350J ；鋼板再經620°C、保溫10小時的消應力處理后，其屈服強度及抗拉強度略有所下降，平均屈服強度在470MPa、平均抗拉強度在590MPa、沖擊吸收能量 (-450C )基本在320-370J，平均為345J，滿足核反應堆安全殼封頭及筒體用鋼的要求。實施例三本實施例的核反應堆安全殼封頭及筒體用鋼，按重量百分比包含以下組分 0. 10%的 C ；0. 35%的 Si ；1. 30%的 Mn ；0. 010%的 P ；0. 001%的 S ；0. 46%的 Ni ；0. 15%的 Cr ；0. 14%的Mo ；0. 02%的Nb ；0. 03%的V ;0. 015%的Cu，其余含量為!^e及不可避免雜質。 連鑄成厚度為300mm鑄坯，最終軋制成42mm厚鋼板。按上述成分，碳當量(CE)為0· 41 %同時鋼水經過轉爐冶煉、爐外精煉(LF、VD)處理，鋼中氣體含量[H]0.8ppm、
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27ppm、[N]50ppm。鋼中非金屬夾雜物為A類< 0. 5級、B類< 0. 5級、C類0. 5級、D類0. 5級。本實施例的核反應堆安全殼封頭及筒體用鋼板經調制質處理后，進行拉伸及沖擊性能檢驗，鋼板的平均屈服強度為510MPa、平均抗拉強度為640MPa、沖擊吸收能量(_45°C ) 控制在290-320J，平均為310J ；鋼板再經620°C、保溫10小時的消應力處理后，其屈服強度及抗拉強度略有所下降，平均屈服強度在470MPa、平均抗拉強度在600MPa、沖擊吸收能量 (-450C )略有提高，基本在305-350J，平均為330J，完全滿足核反應堆安全殼封頭及筒體用鋼的要求。實施例四本實施例的核反應堆安全殼封頭及筒體用鋼，按重量百分比包含以下組分 0. 14%^ C ；0. 30%的 Si ；1.20%的 Mn ；0. 008%的 P ；0. 001%的 S ；0. 44%的 Ni ；0. 15%的 Cr ；0. 15%的Mo ；0.015%的Nb ；0. 05%的V;0. 02%的Cu，其余含量為！^及不可避免雜質。 連鑄成厚度為300mm鑄坯，最終軋制成42mm厚鋼板。按上述成分，碳當量(CE)為0· 44%同時鋼水經過轉爐冶煉、爐外精煉(LF、VD)處理，鋼中氣體含量[H]0.9ppm、
20ppm、[N]48ppm。鋼中非金屬夾雜物為A類<0.5級、B類<0.5級、C類1.0級、D類0.5級。本實施例的核反應堆安全殼封頭及筒體用鋼板經調質處理后，進行拉伸及沖擊性能檢驗，鋼板的平均屈服強度為535MPa、平均抗拉強度為660MPa、沖擊吸收能量(_45°C ) 控制在280-310J，平均為；鋼板再經620°C、保溫10小時的消應力處理后，其屈服強度及抗拉強度略有所下降，平均屈服強度在500MPa、平均抗拉強度在650MPa、沖擊吸收能量 (-450C )則基本在275-305J，平均為左右，完全滿足核反應堆安全殼封頭及筒體用鋼的要求。實施例五本實施例的核反應堆安全殼封頭及筒體用鋼，按重量百分比包含以下組分 0. 12%的 C ；0. 30%的 Si ；1. 32%的 Mn ；0. 008%的 P ；0. 001%的 S ；0. 44%的 Ni ；0. 16%的 Cr ；0. 10%的Mo ；0. 015%的Nb ；0. 05%的V ；0. 005%的Cu，其余含量為！^e及不可避免雜質。連鑄成厚度為300mm鑄坯，最終軋制成42mm厚鋼板。按上述成分，碳當量(CE)為0· 43%同時鋼水經過轉爐冶煉、爐外精煉(LF、VD)處理，鋼中氣體含量[H]0.9ppm、
25ppm> [N]60ppm。鋼中非金屬夾雜物為A類<0.5級、B類<0.5級、C類0.5級、D類1.0級。本實施例的核反應堆安全殼封頭及筒體用鋼板經調質處理后，進行拉伸及沖擊性能檢驗，鋼板的平均屈服強度為530MPa、平均抗拉強度為655MPa、沖擊吸收能量(_45°C ) 控制在300-330J，平均為312J ；鋼板再經620°C、保溫10小時的消應力處理后，其屈服強度及抗拉強度略有所下降，平均屈服強度在505MPa、平均抗拉強度在625MPa、沖擊吸收能量 (-450C )則基本在295-335J，平均為300J，完全滿足核反應堆安全殼封頭及筒體用鋼的要求。
權利要求
1.一種核反應堆安全殼封頭及筒體用鋼，其特征在于鋼的化學成分重量百分比為 彡 0. 20 % 的 C ；0. 15 % -0. 55 % 的 Si ；0. 90 % -1. 60 % 的 Mn ；彡 0. 025 % 的 P ；彡 0. 025 % 的 S ；彡 0. 60 % 的 Ni ；彡 0. 30 % 的 Cr ；彡 0. 30 % 的 Mo ；彡 0. 04 % 的 Nb ；彡 0. 07 % 的 V ； ^ 0. 35%的Cu，同時要求V+Nb ^ 0. 08%，其余含量為！^及不可避免雜質，鋼中碳當量為 0. 40% -0. 44%，碳當量計算公式 CE = C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15，鋼中非金屬夾雜物A、B、C、D類夾雜< 1.5級。
2.根據權利要求1所述的一種核反應堆安全殼封頭及筒體用鋼，其特征在于鋼的化學成分為0. 07% -0. 14% 的 C ；0. 20% -0. 40 % 的 Si ；1. 20% -1. 50 % 的 Mn ；彡 0. 012% 的 P ；彡 0. 003 % 的 S ；0. 35 % -0. 55 % 的 Ni ；0. 10 % -0. 20 % 的 Cr ；0. 10 % -0. 30 % 的 Mo ； 0. 01 % -0. 03 % 的 Nb ；0. 02 % -0. 06 % 的 V ；彡 0. 10 % 的 Cu，H 彡 1. 5ppm、0 彡 30ppm、 N 彡 60ppm。
全文摘要
本發明公開一種核反應堆安全殼封頭及筒體用鋼，鋼的化學成分重量百分比為≤0.20％的C；0.15％-0.55％的Si；0.90％-1.60％的Mn；≤0.025％的P；≤0.025％的S；≤0.60％的Ni；≤0.30％的Cr；≤0.30％的Mo；≤0.04％的Nb；≤0.07％的V；≤0.35％的Cu，要求V+Nb≤0.08％，其余含量為Fe及不可避免雜質，鋼中碳當量為0.40％-0.44％，碳當量計算公式CE＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15，控制鋼中非金屬夾雜物，A、B、C、D類夾雜≤1.5級。本發明有效地保證鋼板具有較高強度同時，還具有均勻、穩定的韌性，尤其在經過長時間消應力處理后，鋼板的強度不會得到明顯下降，仍然可以滿足指標要求。
文檔編號C22C38/58GK102400058SQ20101027650
公開日2012年4月4日 申請日期2010年9月7日 優先權日2010年9月7日
發明者孫殿東, 張起生, 王勇, 臧紹雙, 蘇春霞, 董恩龍 申請人:鞍鋼股份有限公司