核電站用特寬特厚SA-516Gr.70鋼板的開發

胡海洋 孫殿東 顏秉宇 王 爽 王 勇 胡昕明

(1.海洋裝備用金屬材料及其應用國家重點實驗室，遼寧 鞍山 114009；2.鞍鋼股份有限公司，遼寧 鞍山 114009)

低合金高強度寬厚鋼板是鋼鐵產業鼓勵生產的產品，屬于資源節約型鋼材，也是比較典型的高技術含量、高附加值產品。隨著現代設備向大型化、重型化和工程施工的高效化發展，對鋼板的性能、寬度和厚度也將提出更高的要求。特寬特厚鋼板由于平面尺寸及厚度都比較大，在制作大型容器、設備和鋼結構時比其他鋼板利用率高，不僅節約焊材，減少焊接量，而且也提高了設備的安全度，廣泛應用于能源、交通、建筑、工程機械等多個領域，市場潛力很大[1-2]。

鞍鋼通過微合金化成分設計、采用控制軋制和正火處理等工藝，成功開發出了核電站用80 mm厚、5 000 mm寬的SA-516Gr.70鋼板，其力學性能達到了用戶要求。

1 試驗材料及方法

1.1 成分設計

鋼板的化學成分以碳、錳為基礎，輔以鎳、釩和鈮等微量合金元素，充分利用細晶強化和析出強化機制，保證鋼板具有優異的力學性能。鋼板的化學成分如表1所示。

1.2 工藝設計

采用高純度鐵水煉鋼，并采用爐外精煉(LF+RH)工藝和鈣處理，嚴格控制鋼中的P、S、H、O、N等有害元素含量及夾雜物形態；連鑄階段全程保護澆鑄，避免鋼水被二次氧化。將鋼水過熱度控制在30 ℃以下，以避免過大的過熱度促使柱狀晶生長而產生凝固塔橋，形成中心疏松，促使中心偏析及帶狀組織的產生。連鑄坯拉速控制在1.1 m/s。此外，為了保證連鑄坯的內在質量，連鑄末端采用了輕壓下技術[3-4]。

采用合理的熱軋加熱制度，保證鋼坯能均勻加熱，以減小熱應力。鋼坯出爐除鱗后，進行控制軋制，先寬展再縱軋。第Ⅰ階段始軋溫度為1 150 ℃，道次壓下率大于15%，總壓下率大于60%；第Ⅱ階段始軋溫度為900 ℃，終軋溫度為815 ℃，總壓下率為49%。軋制變形分別在奧氏體再結晶區和未再結晶區，軋制過程中合理設置道次壓下量及軋制速度，以獲得良好的板形。在奧氏體再結晶區軋制時，采用少道次大壓下量的軋制工藝，使形變在厚度方向充分滲透到鋼坯心部，使奧氏體充分再結晶，細化晶粒；在奧氏體未再結晶區軋制時保證一定的形變率，利用擴大的晶界面積和導入的變形帶及位錯有效增加奧氏體向鐵素體轉變的形核核心，促使相變后的鐵素體和珠光體更加細小均勻[5-7]。由于鋼板板形的要求，后幾個道次采用較小的道次變形量。鋼板下線后堆垛緩冷，以減小鋼板的熱應力。

鋼板的正火溫度為900 ℃，保溫時間1 min/mm，空冷。

1.3 組織和性能檢驗

根據ASTM A370—2003規定制備試樣，室溫拉伸試驗和沖擊試驗按ASTM A370—2003進行；高溫拉伸試驗按ASTM E21—1998進行；厚度方向拉伸試驗按ASME規范第II卷SA—20M補充要求S22進行。金相試樣采用質量分數4%硝酸酒精溶液腐蝕，在ZEISS Axiovert 200MAT金相顯微鏡下觀察試樣的顯微組織。

2 試驗結果及分析

2.1 正火態力學性能

試制正火態鋼板的力學性能列于表2。

表2 試制正火態鋼板的力學性能Table 2 Mechanical properties of the trial-produced normalized steel

由表2可見，鋼板1/4厚度處的力學性能都滿足技術要求，厚度方向的性能差異不大。0 ℃韌性良好，-20 ℃沖擊吸收能量略低，但均值也大于200 J。300 ℃抗拉強度大于520 MPa，屈服強度大于290 MPa，比室溫抗拉強度低15 MPa左右，屈服強度低55 MPa左右。厚度方向斷面收縮率為64%～65%，遠大于技術要求。

合理的控制軋制工藝使鋼板厚度方向的心部也發生了充分變形，累積形變效果均勻，在細化晶粒，提高鋼板強韌性的同時，也保證了鋼板厚度方向性能的均勻性。正火處理使組織進一步均勻，從而顯著改善了鋼板的綜合性能。

2.2 模擬焊后熱處理后鋼板的力學性能

取正火態試板進行模擬焊后熱處理，工藝為605 ℃保溫15 h，溫度超過400 ℃時，加熱速率為80 ℃/h，降溫速率為100 ℃/h。力學性能檢驗結果見表3。

由表3可見，鋼板在模擬焊后熱處理后，1/4厚度處的力學性能仍滿足技術要求。與正火態相比，鋼板不同部位的強度均有不同程度的降低，抗拉強度和屈服強度均下降了50 MPa左右；斷后伸長率則提高了5%～8%；沖擊吸收能量降低；厚度方向斷面收縮率均值61%，較正火態下降了3%。

表3 模擬焊后熱處理后試制鋼板的力學性能Table 3 Mechanical properties of the trial-produced steel after simulating post-weld heat treatment

鋼板控制軋制后，其晶粒內部有大量相互纏結的位錯。經正火處理后，位錯密度有一定程度的減小，組織均勻。再經模擬焊后熱處理，位錯密度進一步減小，位錯強化減弱；同時，鋼中固溶元素Nb、V、Ti以碳化物的形式析出，使固溶強化減弱，從而導致鋼板強度降低。此外，長時間模擬焊后熱處理易造成碳化物在晶界聚集長大，導致晶界弱化，沖擊性能下降。總體上看，組織形態改變使鋼板發生一定程度的軟化，斷后伸長率略有提高[8-9]。

2.3 顯微組織

正火態鋼板的顯微組織為塊狀鐵素體和條帶狀珠光體，晶粒度為9級，見圖1。采用兩階段控制軋制+正火處理的工藝有效細化了鐵素體晶粒，減少了珠光體量，使組織均勻，為改善鋼板的強韌性和獲得合理的綜合力學性能提供了良好的組織基礎。鋼板厚度方向不同部位的組織變化不大，帶狀組織均有一定程度的消除，表層尤為明顯[10-11]。

圖1 正火態鋼板的顯微組織Fig.1 Microstructures of the plate normalized

3 結論

(1)采用微合金化設計、控制軋制、正火處理，鞍鋼成功開發出了核電站用80 mm厚、5 000 mm寬的SA-516Gr.70鋼板。鋼板1/4厚度處的室溫抗拉強度為542 MPa，屈服強度為357 MPa，斷后伸長率為33%，0 ℃沖擊吸收能量大于270 J，厚度方向斷面收縮率為64%～65%，均滿足技術要求。經模擬焊后熱處理的鋼板仍保持良好的力學性能。

(2)SA-516Gr.70鋼板的顯微組織為塊狀鐵素體和條帶狀珠光體，晶粒度為9級。沿厚度方向不同部位的組織變化不大，帶狀組織均被一定程度消除，表層尤為明顯。