一种20～150mm厚核电旋塞部件碳钢钢板的生产方法

技术领域

本发明涉及中厚板生产领域，尤其涉及一种20～150mm厚核电旋塞部件碳钢钢板的生产方法。

背景技术

核电旋塞部件属于核反应堆内的换料系统，使用的碳钢钢板要求具有比较高的强度，良好的低温冲击性能、Z向性能，高温拉伸性能，比较低的无塑性转变温度，同时要求零部件在焊后热处理具有同样的力学性能指标，质量要求远远高于普通的碳钢钢板。

发明内容

为解决上述技术缺陷，本发明的目的是提供一种20～150mm厚核电旋塞部件碳钢钢板的生产方法，能满足核电旋塞部件对力学性能和质量指标的要求。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种20～150mm厚核电旋塞部件碳钢钢板的生产方法，该钢板的化学成分按照质量百分比计为：C：0.15～0.17、Si：0.30～0.35、Mn：1.0～1.1、P≤0.010、S≤0.005、Nb：0.005～0.010、Cr：0.18～0.20、V：0.018～0.020、Ni：0.26～0.29、Al：0.02～0.03，Ti≤0.010，其它为Fe和残留元素，碳当量：0.38％～0.42％，所述钢板具有均匀细小的铁素体+珠光体组织；

成品厚度＜100mm的所述钢板采用轧制+正火快冷的热处理工艺，成品厚度≥100mm的所述钢板采用轧制+正火快冷+回火的热处理工艺，获得的钢板进行600±15℃保温、30±0.5h的模拟焊后热处理：热处理温度在400℃以上时，加热和冷却速率＜50℃/h，性能满足核电旋塞部件的钢板技术要求。

需要说明的是，在成分设计方面，采用中碳的成分设计可保证钢板的抗拉强度，同时不恶化钢板的低温冲击性能；添加微合金元素Nb、Cr、V，可提高钢板模拟焊后热处理的强度；添加少量Ni元素，可降低钢板的脆性转变温度，提高厚度1/2位置的低温冲击韧性。

进一步地，所述钢板的生产方法还包括洁净钢冶炼、水冷模铸、钢锭加热、开坯轧制、大坯分割及清理、小坯加热、小坯轧制、堆冷、热处理，具体如下：

a.洁净钢冶炼：到站铁水经转炉冶炼、LF精炼及VD真空脱气，获得洁净钢水，定氢1.6PPm，离站温度1580～1600℃；

b.水冷模铸：浇铸前吹氩流量50～60NL/min，时间控制在15～18min，保证Al2O3夹杂物上浮并吸附在渣层中，浇铸温度控制在1558～1562℃之间，本体浇铸时间15～18min，冒口浇铸时间5～8min，浇铸完毕后在冒口均匀覆盖保护渣及碳化稻壳，同时在钢水中加入发热剂，提高冒口端钢水温度，提高保温效果；

c.钢锭加热：钢锭装炉温度150～200℃，装炉时炉温＜600℃，按照1240～1260℃保温，保温时间按照H×9～11min/cm计算，其中H为钢锭厚度值，以厘米计；

d.开坯轧制：轧制过程采用热轧工艺，轧制到500mm以下时采用大压下轧制工艺，末道次压下率＞15％，大坯厚度250～480mm，保证大坯轧制钢板的压缩比＞3.0；

e.大坯分割及清理：按成品要求将大坯分割成小坯，小坯表面裂纹、表面麻点、四周火切渣清理干净后再次加热；

f.小坯加热：小坯采用三阶段加热，一阶段加热温度950～1000℃，二阶段加热温度1220～1240℃，三阶段加热温度1200～1220℃，总加热时间按照H×8～10min/cm控制，其中H为小坯厚度值，以厘米计；

g.小坯轧制：①成品厚度＞100mm采用一次正火轧制，终轧温度880～920℃，轧制完毕后进行水冷，冷却速度5～7℃/S，返红温度700～740℃；②厚度≤100mm采用两阶段轧制，第一阶段终轧温度900～950℃，中间坯厚度在80～140mm，采用IC冷却至800～840℃时开始二阶段轧制，IC冷却速度4～6℃/S，二阶段终轧温度780～820℃，轧制完毕后进行水冷，冷却速度7～12℃/S，返红温度660～700℃；

h.堆冷：空冷至400～450℃堆垛，以＜10℃/h的速度缓慢冷却至常温；

i.热处理：①成品厚度＜100mm的钢板采用正火快冷的热处理工艺，为保证温度均匀性及板型，在辊底式淬火炉进行正火，保温段温度890～910℃，总加热时间t＝2.2～2.4min/mm，出炉温度880～900℃，入水温度≥780℃，冷却速度4～6℃/S，水冷后返红温度660～680℃，空冷至常温；②成品厚度≥100mm的钢板采用正火快冷+回火的热处理工艺，保温温度900～920℃，保温时间2.2～2.4min/mm，入水温度≥760℃，冷却速度2～4℃/S，水冷后返红温度620～660℃，回火温度660～680℃，回火保温时间4.0～4.2min/mm，出炉后空冷至常温。

与现有技术相比，本发明的有益效果主要表现在：

采用开坯生产，经过钢锭加热、钢锭轧制、小坯加热、小坯轧制，充分均匀细化了原始奥氏体晶粒；

小坯轧制时厚度＞100mm的钢板采用正火轧制，使钢板在AC3点进行了充分相变，使钢板热轧态的组织接近热处理态；厚度≤100mm的钢板采用二阶段轧制，中间坯采用IC加快冷却，防止晶粒长大，通过控制终轧温度、返红温度细化了厚度不同位置的铁素体晶粒；

钢板堆垛缓慢冷却充分释放了轧后形成的内应力，避免了热处理过程钢板内部应力裂纹；

热处理过程中采用正火快冷(正火快冷+回火)的工艺，通过控制温度均匀性、保温时间及冷却速度、返红温度等，使钢板不同厚度位置的晶粒更加均匀、细小，进而确保获得的成品钢板经模拟焊后热处理工艺，仍然满足零部件焊后热处理的技术要求。

本发明通过对钢板成分的合理设计，以及生产方法的改进、参数精准控制等，生产出的厚度达20～150mm的核电旋塞部件碳钢钢板，得到了如表1所示的质量指标和力学性能：

表1

低倍组织无连续性偏析，无裂纹、白点等缺陷，无塑性转变温度TNDT为-50～-60℃，综合性能良好，满足核电旋塞部件碳钢钢板的质量要求。

附图说明

图1为本发明实施实例获得的75mm厚核电旋塞部件碳钢钢板表层位置金相组织。

图2为本发明实施实例获得的75mm厚核电旋塞部件碳钢钢板1/4位置金相组织。

图3为本发明实施实例获得的75mm厚核电旋塞部件碳钢钢板1/2位置金相组织。

图4为本发明实施实例获得的75mm厚核电旋塞部件碳钢钢板热处理态低倍组织。

图5为本发明实施实例获得的75mm厚核电旋塞部件碳钢钢板模拟焊后热处理态低倍组织。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步清楚阐述本发明的内容，但本发明的保护内容不仅仅局限于下面的实施例。在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。

实施例：生产75mm厚核电旋塞部件碳钢钢板

a.熔炼成分：C：0.16、Si：0.32、Mn：1.04、P：0.010、S：0.002、Cr：0.18、V：0.018、Ni：0.26、Nb：0.008、Al：0.025、Ti：0.005，其余为Fe和残留元素。

所述化学成分的碳当量为(0.39)％。(Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15)。

b.转炉冶炼：冶炼结束出钢C含量0.08％，点吹次数2次，出钢后吹氩12min；

c.LF精炼：加入铝粒及电石作为钢水脱氧剂，造渣后渣料变白，加热时间按照三次控制，一加热时间9min；加入中碳锰铁及碳粉，一加热结束钢水温度达到1585℃，二加热时间18min；二加热结束钢水温度达到1625℃；三加热时间7min，进行钢水合金成分微调；

d.VD真空脱气：要求真空度67Pa，预真空脱气时间10min，真空时间20min，真空后H值1.4PPm，离站温度1585℃；

e.水冷模铸：浇铸前吹氩流量50NL/min，时间控制在16min，浇铸温度控制在1560℃之间，本体浇铸时间16min，冒口浇铸时间6min，浇铸完毕后在冒口均匀覆盖保护渣及碳化稻壳，同时在钢水中加入发热剂；

f.钢锭加热：钢锭装炉温度200℃，装炉时炉温580℃，按照1250℃保温，保温时间按照H×10min/cm计算，其中H为钢锭厚度值，以厘米计；

g.开坯轧制：轧制过程采用热轧工艺，轧制到500mm以下时采用大压下轧制工艺，末道次压下率16％，大坯厚度300mm；

h.大坯分割及清理：按成品要求将大坯分割成小坯，小坯表面裂纹、表面麻点、四周火切渣清理干净后再次加热；

i.小坯加热：小坯采用三阶段加热，一阶段加热温度980℃，二阶段加热温度1230℃，三阶段加热温度1210℃，加热时间按照H×9min/cm计算，其中H为小坯厚度值，以厘米计；

j.小坯轧制：①成品厚度＞100mm采用正火轧制，终轧温度910℃，轧制完毕后进行水冷，冷却速度5℃/S，返红温度723℃(一次轧制)；②厚度≤100mm采用两阶段轧制，第一阶段终轧温度930℃，中间坯厚度在80～140mm，采用IC冷却至820℃时开始二阶段轧制，IC冷却速度4℃/S，二阶段终轧温度805℃，轧制完毕后进行水冷，冷却速度9℃/S，返红温度680℃.

k.堆冷：空冷至420℃堆垛，以＜10℃/h的速度缓慢冷却至常温；

l.热处理：①厚度＜100mm的钢板采用正火快冷的热处理工艺，为保证温度均匀性及板型，在辊底式淬火炉进行正火，保温段温度900℃，总加热时间t＝2.4min/mm，出炉温度880℃，入水温度792℃，冷却速度5℃/S，水冷后返红温度672℃，空冷至常温；②厚度≥100mm的钢板采用正火快冷+回火的热处理工艺，保温温度910℃，保温时间2.2min/mm，入水温度770℃，冷却速度2.5℃/S，水冷后返红温度640℃，回火温度660℃，回火保温时间4.0min/mm，出炉后空冷至常温；

m.模拟焊后热处理：取小样进行模拟焊后热处理，热处理温度600℃，保温时间30h，在400℃以上的加热和冷却速率40℃/h。

客户要求钢板的各项性能指标要优于与其成分相接近的Q245R的性能指标，而Q245R的性能指标具体如下：

无塑性转变温度TNDT≤-10℃；整个厚度截面的晶粒度≥5.0级，级差≤2.0级；要求模拟焊后热处理后的力学性能同样满足上述要求，模拟焊后热处理制度：600±15℃，保温30±0.5h。

按本方案获得的钢板，其力学性能检测如表2、表3所示：

表2热处理态力学性能

表3模拟焊后热处理态力学性能

全厚度金相检测：晶粒度为9.0～10.0级，全厚度晶粒度级差为1.0级；NDT无塑性转变温度：-55℃，其表层、1/4厚度及1/2厚度金相组织分别如图1-3所示，热处理态及模拟焊后热处理态低倍组织分别如图4、图5所示。

对比例1

本对比实施例所描述的20～150mm厚度核电旋塞部件碳钢钢板的生产工艺，与实施例基本相同，所不同的是：

成分设计：C：0.19、Si：0.27、Mn：1.09、P：0.013、S：0.002、Al：0.027、V：0.020、Cr：0.192、Ni：0.287、Nb：0.01，其余为Fe和残留元素，碳当量为0.433。

通过对比例1，得到力学性能结果如表4、表5所示：

表4热处理态力学性能

表5模拟焊后热处理态力学性能

全厚度金相检测：晶粒度为8.0～9.0级，全厚度晶粒度级差为1.0级；

NDT无塑性转变温度：-35℃。

采用对比例1

生产的20～150mm厚度核电旋塞部件碳钢钢板，力学性能指标方面抗拉强度超标，经600℃，30h模拟焊后热处理抗拉强度仍然超过520MPa，不符合核电钢力学性能设计要求，-10℃冲击吸收能量有所降低，NDT无塑性转变温度升高。

对比例2

本对比实施例所描述的20～150mm厚度核电旋塞部件碳钢钢板的生产工艺，与实施例基本相同，所不同的是：

成分设计：C：0.16、Si：0.27、Mn：1.09、P：0.013、S：0.002、Al：0.027、V：0.003、Cr：0.050、Ni：0.25、Nb：0.01，其余为Fe和残留元素，碳当量为0.369。

通过对比例2，得到力学性能结果如表6、表7所示：

表6热处理态力学性能

表7模拟焊后热处理态力学性能

全厚度金相检测：晶粒度为8.0～9.0级，全厚度晶粒度级差为1.0级；

NDT无塑性转变温度：-60℃。

采用对比例2生产的20～150mm厚度核电旋塞部件碳钢钢板，由于未添加微合金元素，热处理态高温拉伸屈服强度不合格(60mm厚度钢板要求200℃屈服强度≥178MPa、250℃屈服强度≥161MPa、350℃屈服强度≥133MPa；150mm厚度钢板要求200℃屈服强度≥150MPa、250℃屈服强度≥135MPa、350℃屈服强度≥110MPa)；模拟焊后热处理态的屈服强度、抗拉强度下降非常明显，强度偏低不合格(60mm厚度钢板要求屈服强度≥245MPa、抗拉强度450～520MPa；150mm厚度钢板要求屈服强度≥235MPa、抗拉强度440～510MPa)，高温拉伸强度不合格(60mm厚度钢板要求200℃屈服强度≥178MPa、250℃屈服强度≥161MPa、350℃屈服强度≥133MPa；150mm厚度钢板要求200℃屈服强度≥150MPa、250℃屈服强度≥135MPa、350℃屈服强度≥110MPa)。

对比例3

本对比实施例所描述的20～150mm厚度核电旋塞部件碳钢钢板的生产工艺，与实施例基本相同，所不同的是：

1、步骤g：厚度＞100mm的钢板采用热轧工艺，终轧温度980℃；

2、步骤i：厚度≥100mm的钢板采用正火快冷的热处理工艺，正火温度900～920℃，保温时间2.4min/mm，水冷后返红温度680℃；

通过对比例3，得到力学性能结果如表8、表9所示：

表8热处理态力学性能

表9模拟焊后热处理态力学性能

全厚度金相检测：晶粒度为6.0～9.0级，全厚度晶粒度级差为3.0级；

NDT无塑性转变温度：-15℃。

采用对比例3生产的150mm厚度核电旋塞部件碳钢钢板，热处理态厚度1/2位置-10℃冲击吸收能量不合格(要求-10℃冲击吸收能量≥40J)，模拟焊后热处理态厚度1/2位置抗拉强度不合格(要求抗拉强度440～510MPa)，厚度1/2位置-10℃冲击吸收能量不合格(要求-10℃冲击吸收能量≥40J)。厚度1/2位置铁素体晶粒度为6.0级，厚度表层位置铁素体晶粒度为9.0级，厚度截面晶粒度级差为3.0级，不符合要求(要求全厚度晶粒度级差≤2.0级)。

综上所述，采用本发明生产方法生产20～150mm厚度核电旋塞部件碳钢钢板效果显著，各步骤相互配合，协同增效，获得了综合性能、内部质量优异的20～150mm厚度核电旋塞部件碳钢钢板。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。