P235GH鋼板的試制和力學性能研究

歐陽鑫 胡昕明 王 儲 胡海洋 顏秉宇 金耀輝

(鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009)

核電站設備主要由核島和常規島兩大部分組成，核電站使用的鋼材，其安全等級分為核級和非核級。核級材料又分為核一級、核二級和核三級。核島也就是核反應堆，所用鋼材屬核級材料，必須持證生產。常規島的二回路系統用鋼均為非核級材料，大多是碳鋼和碳錳鋼。常規島的二回路系統用鋼在滿足核電的耐高溫耐高壓要求的前提下，要盡量降低生產成本，提高經濟效益。因此，研發成分簡單、易于制造、成本低、性能滿足使用要求的常規島核電用鋼是非常有意義的[1]。歐標EN 10028- 2：2009中P235GH鋼在滿足上述要求的同時，還具有良好的塑性、韌性、冷彎性能和焊接性能，適合制造核島的鋼質安全殼、壓力容器等設備構件。

鞍鋼利用工藝和裝備優勢，研制了壓力容器制管用P235GH低合金鋼板，隨后投入試生產，包括鋼的冶煉、鋼板的軋制和熱處理，鋼板產品的各項性能符合標準要求和與用戶達成的技術協議要求，已順利供貨。

1 鋼板交貨技術條件

P235GH鋼板的交貨技術條件完全符合標準EN 10028- 2：2009的要求，其要求的化學成分如表1所示，力學性能要求如表2所示。鋼板出廠前應全部進行超聲波探傷，探傷方法和質量標準按JB 4730.3執行，鋼板應符合I級要求。

表1 P235GH鋼板的化學成分要求(質量分數) Table 1 Chemical composition requirements for the P235GH steel plate (mass fraction) %

表2 P235GH鋼板的力學性能要求Table 2 Desirable mechanical properties for the P235GH steel plate

2 鋼板成分設計

P235GH鋼板的成分設計原則為：

(1)在保證鋼板強度的同時盡可能降低碳當量，以使鋼板具有優異的焊接性能；

(2)在性能滿足使用要求的同時盡可能降低合金元素的含量，以使鋼板的成分簡單、易于制造、成本低；

(3)盡可能降低鋼中有害元素的含量，減少夾雜物的形成，進一步提高鋼板的低溫沖擊韌性。

3 工藝設計

鞍鋼P235GH鋼板的生產工藝流程為：高爐鐵水—鐵水預處理—轉爐冶煉—LF爐精煉—板坯連鑄(電磁攪拌或輕壓下)—坯料加熱—軋制—矯直—切邊—探傷—檢驗—入庫。

3.1 煉鋼工藝

P235GH鋼的合理的煉鋼、連鑄工序要求為：鐵水進行脫硫預處理；合金與廢鋼清潔干燥；轉爐擋渣出鋼，渣層厚度≤100 mm；LF精煉時按目標成分控制；上機前鋼包靜吹氬時間≥3 min，中間包目標過熱度控制在25 ℃以下；全程保護澆注，并采用電磁攪拌或輕壓下技術。

3.2 軋制工藝

軋制- 正火工藝是終軋溫度為鋼板的正火溫度的一種軋制工藝。經正火軋制的鋼板的顯微組織與軋制后補充正火的相同，鋼板的力學性能也可滿足標準要求[2]。

式中,rk是指爆轟產物壓力為特征壓力pk時相應的爆轟產物半徑。考慮爆轟產物膨脹過程中多方指數k將發生變化，這里，作簡化處理，取兩個值，分別為k1和k2。特征壓力pk定義為多方指數發生突變時的壓力[10]。假定爆轟產物初始壓力p0為爆轟產物壓力的一半，聯立式(13)和式(14)，通過半徑r將爆轟產物壓力p表示為

為進一步降低成本，簡化生產工藝流程，縮短供貨周期，將鋼板在軋制- 正火態而非在軋制后正火處理態交貨。正火軋制后，檢驗鋼板的力學性能，需達到技術協議要求。為此，確定的P235GH鋼板的軋制工藝為：板坯充分均勻加熱，出爐至除磷機去除氧化鐵皮，板坯出爐溫度1 210～1 230 ℃；板坯開軋溫度控制在≥1 050 ℃，在軋制過程中用高壓水充分除磷；粗軋采用高溫大壓下量、快速軋制，中間坯厚度(2.5～3.0)×hmm，h為目標厚度；精軋仍采用大壓下量、快速軋制，始軋溫度910～970 ℃，終軋溫度790～850 ℃；二階段變形率為65%。

兩階段軋制均采用“高溫、快速、 大壓下量”軋制，增大鋼板厚度方向的滲透力，使鋼板內部缺陷充分焊合[3]；單道次大壓下充分破碎連鑄坯中的枝晶，變形程度越大，形核區密度和驅動力越大，反復再結晶后晶粒越細小[4]，軋制態的原始晶粒就越細小，對優化最終組織就越有利。鋼板軋制后堆垛緩冷是消除鋼板中殘余應力和防止氫致裂紋及氣泡等缺陷的關鍵工序，緩冷工藝是否合理直接關系到鋼板的內部質量和探傷的合格率，因此鋼板軋后須充分緩冷，緩冷溫度高于400 ℃，緩冷時間24 h[5]。

軋制- 正火的鋼板的組織和性能與軋后補充正火處理的鋼板是相同的，就鋼板的生產和加工而言，如果不通過軋后爐內補充正火處理，而是在軋制過程中直接達到正火處理的狀態，將有更多的優越性。采用軋制- 正火工藝可節約能源、降低成本、縮短生產周期和改善環境，而且有利于用戶直接進行鋼板的深加工[6]。

正火處理時，鋼板要加熱到稍高于Ac3的溫度，在此溫度短時間停留，然后在靜止空氣中冷卻，達到細化鋼板組織的目的，提高鋼板強度，同時降低加工難度。軋制- 正火實際是通過更準確的控溫軋制，主要是控制終軋溫度來達到正火處理的效果，同時消除帶狀組織，使鋼板性能滿足要求[7]。工業生產中，適當提高鋼坯加熱溫度、始軋溫度，提高軋制速度和增加單道次壓下量都是為實現鋼板以軋制- 正火態而非另行正火處理態交貨做鋪墊。

3.3 熱處理工藝

根據技術協議要求，需在交貨態鋼板上取樣，在罩式熱處理爐中進行正火處理后，檢驗熱處理態鋼板的力學性能，需同樣滿足標準要求，以此方法模擬檢驗鋼板批量正火處理后的性能。具體的熱處理工藝為：正火溫度(900±10)℃，保溫時間(1.5±0.5)min/mm。

4 試制鋼板的力學性能

對工業試制的6～16 mm厚度P235GH鋼板進行超聲波探傷，結果符合JB 4730.3《承壓設備無損檢測第三部分：超聲檢測》I級要求；在鋼板1/4寬度處、1/2厚度處橫向取樣進行拉伸、沖擊等試驗，結果表明，工業試制鋼板的力學性能良好，均達到了技術協議的要求。

4.1 拉伸性能

不同厚度P235GH鋼板分別加工橫向全厚度拉伸試樣。拉伸試驗結果如表3所示。表中數據表明，P235GH鋼板室溫拉伸性能不僅符合標準要求，還有較大的富余量，鋼板頭尾性能的差異小，頭部性能略優于尾部，性能均勻性良好。

表3 P235GH鋼板供貨態力學性能Table 3 Mechanical properties of the as- received P235GH steel plates

注：T/2表示鋼板厚度1/2處

4.2 沖擊韌性

在不同厚度的P235GH鋼板上按標準EN 10028- 1橫向取樣，制備相應規格的試樣進行0 ℃沖擊試驗。具體要求：厚度小于12 mm的鋼板，沖擊試樣為小比例試樣；8 mm<厚度<12 mm的鋼板，輔助試樣尺寸為10 mm×7.5 mm×55 mm，試驗結果不小于規定值的75%；厚度為6～8 mm的鋼板，輔助試樣尺寸為10 mm×5 mm×55 mm，試驗結果不小于規定值的50%。試驗結果如表4所示。從表4中可以看出，不同規格鋼板的0 ℃沖擊吸收能量均滿足P235GH鋼板的技術要求，鋼板韌性有較大的富裕量，且頭尾性能差異較小。

表4 P235GH鋼板供貨態的沖擊韌性Table 4 Impact toughness of the as- received P235GH steel plates

5 試制鋼板的顯微組織

在10 mm厚軋制態和熱處理態P235GH鋼板上取樣進行金相檢驗，結果見圖1。從圖中可看出，熱軋態和正火態鋼板的組織均為鐵素體加珠光體，且晶粒度均為9級左右，正火后晶粒有所長大，帶狀組織得到一定程度的消除。原因是，在正火溫度保溫一段時間后，鋼板充分奧氏體化，隨后在室溫冷卻的過程中，由于冷速較慢，奧氏體晶粒有足夠的時間形核和長大，大部分鐵素體變為等軸晶，組織趨于均勻；鋼板的冷卻速度較慢，珠光體轉變速度也較慢，珠光體帶狀組織逐漸消除呈團塊分布，緩解了成分的偏析[8]。

6 正火后鋼板的力學性能

從不同厚度鋼板頭部制取試樣，按照標準及技術協議的規定進行正火處理。正火溫度(900±10) ℃，保溫時間(1.5±0.5) min/mm。正火態鋼板的力學性能如表5所示。鋼板正火后的力學性能符合技術協議要求，且富余量較大，保證了鋼板的順利供貨。

由表5可知，正火處理后，鋼板強度下降，沖擊性能得到改善。有研究表明，在一定的溫度正火后，鋼板的強度隨晶粒細化而增加。此外，珠光體的體積分數對抗拉強度有較大影響[9]，鋼板正火后晶粒變粗，珠光體較少，故鋼板的抗拉強度有所降低。

圖1 10 mm厚(a)軋制態和(b)正火態P235GH鋼板的顯微組織Fig.1 Microstructures of the 10- mm- thick P235GH steel plate in (a) hot- rolled and (b) normalized state

表5 P235GH鋼板正火態的力學性能Table 5 Mechanical properties of the as- normalized P235GH steel plate

另外，鋼板在熱軋后空冷，冷卻速度較低，碳的擴散變得更加容易，導致在晶界析出大量碳化物。正火加熱時，鋼中組織再次奧氏體化，大量的碳化物隨之又重新溶于奧氏體并均勻擴散，在隨后的冷卻過程中彌散析出，在晶界上析出的碳化物相對減少。許多研究表明，晶界碳化物的析出對鋼的低溫韌性影響不利[10]。正火后，晶界碳化物數量減少，因此其低溫韌性得到明顯改善。

7 結論

(1)鞍鋼結合自身的工藝裝備條件，通過合理的成分設計、冶煉、加熱、軋制，成功開發出了厚度6～10 mm的壓力容器制管用P235GH鋼板。

(2)采用軋制- 正火工藝替代傳統的TMCP+離線正火的工藝，生產了力學性能優異的P235GH鋼板，其屈服強度富余量為100 MPa左右，抗拉強度富余量為80 MPa以上，斷后伸長率富余量為10%以上，沖擊吸收能量富余量為50 J以上，且鋼板頭、尾部性能均勻，經超聲波檢測，鋼板均為JB/T 4730.3—2005 I級。

(3)P235GH鋼板正火處理后的力學性能優異，強度下降30 MPa，沖擊性能得到改善，沖擊吸收能量提高了60 J，晶粒有所長大，帶狀組織得到一定程度的消除。

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