一种先进核电机组堆芯壳筒体用钢板及其制造方法技术

本发明专利技术提供一种先进核电机组堆芯壳筒体用钢板及其制造方法。本发明专利技术组分及质量百分比含量为：C：0.10％～0.14％、Si：0.20％～0.30％、Mn：0.30％～0.60％、P≤0.006％、S≤0.002％、Cr：1.65％～1.95％、Mo：0.80％～1.20％、Ni：0.80％～1.20％、Nb：0.04％～0.08％、V：0.10％～0.20％、Ti：0％～0.03％、Alt：0％～0.02％、Ca：0.001％～0.004％、N：0.01％～0.03％、Sn≤0.001％、H≤0.0001％、O≤0.0020％，余量为Fe及不可避免夹杂，抗高温回火脆化系数J＝(Si+Mn)

【技术实现步骤摘要】
一种先进核电机组堆芯壳筒体用钢板及其制造方法


[0001]本专利技术涉及金属材料领域，尤其涉及一种先进核电机组堆芯壳筒体用钢板及其制造方法。

技术介绍

[0002]核能作为世界上清洁高效的能源之一，已经被人类利用了70余年。进入二十一世纪以来，人类频繁的活动和全球经济的发展与能源短缺和极端气候的矛盾日益凸显，在这样全球一体化的背景下，核能的优势显得更加突出。因此和平发展更先进核能仍是时代所趋。目前，核能技术在经历了第一代试验性原型堆、第二代压水堆、第三代先进轻水堆的发展后，包含钠液冷却快堆、气冷快堆、铅液冷却快堆、超高温气冷堆、熔盐反应堆和超临界水冷堆等第四代先进核技术被全球核能专家提出，成为未来核电技术的发展方向。
[0003]第四代核能技术的主要特点是安全性更好、经济性更好、核废物量少，同时能有效防止核扩散。因此对核技术和核设备提出了非常高的要求，例如核一级部位的堆芯支承用的结构钢，不仅处于高温和氢环境状态，而且受到快中子的强烈辐照，基体脆化和分解水致氢腐蚀的风险是前几代核电机组的数倍，对关键材料提出了非常高的技术指标要求。因此开发满足第四代先进核电站需求的关键核设备、关键核材料已成为当今世界核能大国迫切需要解决的核心难题。
[0004]本专利技术之前，公开的专利技术专利“核电反应堆压力容器堆芯筒体锻件热处理工艺方法”(公开号CN2009100557359.1)，从公开的成分、生产方法和有益效果来看，该专利明确牌号为16MND5，该牌号被广泛用于三代核电设备的制造，使用温度为350℃，对于使用温度和技术要求更高的四代核电设备不适用。
[0005]上述公开的专利技术专利主要涉及第三代核电设备所需的金属材料，相对于第四代核电技术所需的关键材料，其特点为高温使用温度相对低、接触环境无氢，焊后热处理时间短、材料力学性能指标相对单一。因此急需开发满足第四代核电站关键设备所需的关键材料。
[0006]为此，本专利技术针对第四代核电装备堆芯壳筒体对钢材纯净度要求高、500℃的高温热强性和断裂韧度、低的NDT温度、优异的抗氢致开裂性能及高温长时间焊后热处理后的组织性能稳定和加工成型好等技术特点，专利技术满足先进核电机组关键设备所需的新材料和新工艺。

技术实现思路

[0007]根据上述提出的技术问题，而提供一种先进核电机组堆芯壳筒体用钢板及其制造方法。本专利技术旨在采用全新的化学成分设计和适宜的生产工艺，在中低C、Si、Mn成分基础上，复合添加Cr、Mo、Ni、Nb、V、Ti及N合金元素，严格控制有害元素P、S、Sn及气体O、H含量，配以独特的冶炼、轧制及热处理生产工艺，获得耐500℃高温强度、良好的高温断裂韧度、低温落锤及抗氢致开裂性能的优异钢板，满足四代核先进核电机组堆芯壳筒体制造及使用要
求。本专利技术采用的技术手段如下：
[0008]一种先进核电机组堆芯壳筒体用钢板，其组分及质量百分比含量为：C：0.10％～0.14％、Si：0.20％～0.30％、Mn：0.30％～0.60％、P≤0.006％、S≤0.002％、Cr：1.65％～1.95％、Mo：0.80％～1.20％、Ni：0.80％～1.20％、Nb：0.04％～0.08％、V：0.10％～0.20％、Ti：0％～0.03％、Alt：0％～0.02％、Ca：0.001％～0.004％、N：0.01％～0.03％、Sn≤0.001％、H≤0.0001％、O≤0.0020％，余量为Fe及不可避免夹杂，抗高温回火脆化系数J＝(Si+Mn)
×
(P+Sn)
×
104≤50。
[0009]进一步地，供货态的常温500MPa≤R
el
≤520MPa、610MPa≤R
m
≤640MPa、500℃的470MPa≤R
m
≤485MPa；700℃
×
26h焊后热处理态的450MPa≤R
m
(500℃)≤470MPa、KV2(80℃)≥420J、T
NDT
≤
‑
40℃、HIC(A溶液)的CSR为0％、280MPa
·
m
1/2
≤K
IC
≤285MPa
·
m
1/2
，获得了厚度规格40～65mm的筒体钢板。
[0010]本专利技术的各化学组分的选用原理及含量设计原因如下：
[0011]C：本专利技术中主要固溶态的C和化合态的C保证钢的热处理和焊后热处理态的高温抗拉强度，但较多的碳含量影响钢韧性和焊接性能，因此本专利技术将C含量范围设定为0.10％～0.14％。
[0012]Si：是炼钢过程中良好的还原剂和脱氧剂，特别是与Alt联合使用，能显著增加Alt的脱氧能力。Si在高温下表面形成一层致密的、抗氧化SiO2保护膜，另外，Si与Mo联合作用形成MoSi2，一种金属间化合物，其晶体结构中的原子结合呈现金属健和共价键共存的特征，具有优良的高温抗氧化性，因此作为优选的实施方式，本专利技术Mo/Si比限定为2.80～5.50之间，保证形成一定量的MoSi2结构。但在350～550℃回火脆化温度范围，过高的硅含量将导致钢的回火脆化敏感性升高，所以本专利技术不宜过多添加硅元素，因此本专利技术将Si含量范围设定为0.20％～0.30％。
[0013]Mn：本专利技术中由于Si、Alt等脱氧剂的添加量较少，Mn的添加弥补了脱氧不足的效果，另外Mn作为固溶强化能力强的合金元素，能够提高基体强度，但Mn是提高回火脆性的敏感元素，本专利技术需要严格控制，因此本专利技术将Mn含量范围设定为0.30％～0.60％。
[0014]S、P：作为钢中的有害元素，为保证钢质的纯净度、J系数和断裂韧度等综合指标必须严格控制，因此限定为S≤0.002％，P≤0.006％。
[0015]Cr：作为强碳化形物成元素，它与钢中的Fe、Mn、Mo组合生成稳定的M
23
C6结构的合金碳化物，保证长时焊后热处理态的高温性能，同时发挥Cr的高温抗氧化和氧化腐蚀作用，但Cr含量过高会提高钢的脆性转变温度，本专利技术将Cr含量范围设定在1.65％～1.95％。
[0016]Mo：提高钢的淬透性，保证钢的基体强度，同时Mo是强碳化物形成元素，与碳元素形成稳定的Mo2C热强化相，起到高温强化作用，另外本专利添加了较多的Cr元素和一定的Mn元素，它们极易与P、Sn等杂质元素在晶界处发生共偏聚现象，引起高温回火脆化，影响钢的高温性能。而Mo的作用正相反，促使P在晶内沉淀防止晶界偏聚，因此作为优选的实施方式，本专利技术限定(Cr+Mn)/Mo为1.65～2.90，以此保证堆芯壳筒体钢在500℃工作时的组织、性能稳定性，但Mo含量过高反而会导致钢的脆化，本专利技术将Mo含量范围设定在0.80％～1.20％。
[0017]Ni：在本专利技术中Ni元素主要提高钢的抗氢腐蚀性，塑韧性，降低铁素体无塑性转变温度，防止因核辐照作用引起的无延性转变温度的升高，但Ni含量过高会降低材料本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种先进核电机组堆芯壳筒体用钢板，其特征在于，其组分及质量百分比含量为：C：0.10％～0.14％、Si：0.20％～0.30％、Mn：0.30％～0.60％、P≤0.006％、S≤0.002％、Cr：1.65％～1.95％、Mo：0.80％～1.20％、Ni：0.80％～1.20％、Nb：0.04％～0.08％、V：0.10％～0.20％、Ti：0％～0.03％、Alt：0％～0.02％、Ca：0.001％～0.004％、N：0.01％～0.03％、Sn≤0.001％、H≤0.0001％、O≤0.0020％，余量为Fe及不可避免夹杂，抗高温回火脆化系数J＝(Si+Mn)
×
(P+Sn)
×
104≤50。2.根据权利要求1所述的先进核电机组堆芯壳筒体用钢板，其特征在于，钢板供货态的常温屈服强度为：500MPa≤R
el
≤520MPa、抗拉强度为：610MPa≤R
m
≤640Mpa；500℃的抗拉强度为：470MPa≤R
m
≤485Mpa。3.根据权利要求1所述的先进核电机组堆芯壳筒体用钢板，其特征在于，700℃
×
26h焊后热处理态在500℃的抗拉强度为：450MPa≤R
m
≤470MPa、80℃冲击功KV2≥420J、无延性转变温度T
NDT
≤
‑
40℃、HIC A溶液的CSR为0％、断裂韧性为：280MPa
·
m
1/2
≤K
IC
≤285MPa
·
m
1/2
。4.根据权利要求1所述的先进核电机组堆芯壳筒体用钢板，其特征在于，获得含有10％～15％未溶铁素体和回火贝氏体组织，其中贝氏体组织中包含弥散析出的M
23
C6结构的合金碳化物，其中M为Fe、Mn、Cr和Mo的组合。5.根据权利要求1所述的先进核电机组堆芯壳筒体用钢板，其特征在于，Mo/Si为2.80～5.50；(Cr+Mn)/Mo为1.65～2.90。6.一种权利要求1～5任一项所述的先进核电机组堆芯壳筒体用钢板的生产方法，其特征在于，包括冶炼工艺—浇铸工...

【专利技术属性】
技术研发人员：王储，王勇，段江涛，艾芳芳，丛津功，李新玲，孙殿东，白玉璞，方恩俊，
申请(专利权)人：鞍钢股份有限公司，
类型：发明
国别省市：