P235GH鋼板的試制和力學(xué)性能研究

歐陽鑫 胡昕明 王 儲(chǔ) 胡海洋 顏秉宇 金耀輝

(鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009)

核電站設(shè)備主要由核島和常規(guī)島兩大部分組成，核電站使用的鋼材，其安全等級(jí)分為核級(jí)和非核級(jí)。核級(jí)材料又分為核一級(jí)、核二級(jí)和核三級(jí)。核島也就是核反應(yīng)堆，所用鋼材屬核級(jí)材料，必須持證生產(chǎn)。常規(guī)島的二回路系統(tǒng)用鋼均為非核級(jí)材料，大多是碳鋼和碳錳鋼。常規(guī)島的二回路系統(tǒng)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(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。因此，研發(fā)成分簡(jiǎn)單、易于制造、成本低、性能滿足使用要求的常規(guī)島核電用鋼是非常有意義的[1]。歐標(biāo)EN 10028- 2：2009中P235GH鋼在滿足上述要求的同時(shí)，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(zhì)安全殼、壓力容器等設(shè)備構(gòu)件。

鞍鋼利用工藝和裝備優(yōu)勢(shì)，研制了壓力容器制管用P235GH低合金鋼板，隨后投入試生產(chǎn)，包括鋼的冶煉、鋼板的軋制和熱處理，鋼板產(chǎn)品的各項(xiàng)性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求和與用戶達(dá)成的技術(shù)協(xié)議要求，已順利供貨。

1 鋼板交貨技術(shù)條件

P235GH鋼板的交貨技術(shù)條件完全符合標(biāo)準(zhǔn)EN 10028- 2：2009的要求，其要求的化學(xué)成分如表1所示，力學(xué)性能要求如表2所示。鋼板出廠前應(yīng)全部進(jìn)行超聲波探傷，探傷方法和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)按JB 4730.3執(zhí)行，鋼板應(yīng)符合I級(jí)要求。

表1 P235GH鋼板的化學(xué)成分要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) Table 1 Chemical composition requirements for the P235GH steel plate (mass fraction) %

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

2 鋼板成分設(shè)計(jì)

P235GH鋼板的成分設(shè)計(jì)原則為：

(1)在保證鋼板強(qiáng)度的同時(shí)盡可能降低碳當(dāng)量，以使鋼板具有優(yōu)異的焊接性能；

(2)在性能滿足使用要求的同時(shí)盡可能降低合金元素的含量，以使鋼板的成分簡(jiǎn)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(jìn)一步提高鋼板的低溫沖擊韌性。

3 工藝設(shè)計(jì)

鞍鋼P(yáng)235GH鋼板的生產(chǎn)工藝流程為：高爐鐵水—鐵水預(yù)處理—轉(zhuǎn)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(yàn)—入庫(kù)。

3.1 煉鋼工藝

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

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(jīng)正火軋制的鋼板的顯微組織與軋制后補(bǔ)充正火的相同，鋼板的力學(xué)性能也可滿足標(biāo)準(zhǔn)要求[2]。

式中,rk是指爆轟產(chǎn)物壓力為特征壓力pk時(shí)相應(yīng)的爆轟產(chǎn)物半徑?？紤]爆轟產(chǎn)物膨脹過程中多方指數(shù)k將發(fā)生變化，這里，作簡(jiǎn)化處理，取兩個(gè)值，分別為k1和k2。特征壓力pk定義為多方指數(shù)發(fā)生突變時(shí)的壓力[10]。假定爆轟產(chǎn)物初始?jí)毫0為爆轟產(chǎn)物壓力的一半，聯(lián)立式(13)和式(14)，通過半徑r將爆轟產(chǎn)物壓力p表示為

為進(jìn)一步降低成本，簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝流程，縮短供貨周期，將鋼板在軋制- 正火態(tài)而非在軋制后正火處理態(tài)交貨。正火軋制后，檢驗(yàn)鋼板的力學(xué)性能，需達(dá)到技術(shù)協(xié)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(jī)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(biāo)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(nèi)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(qū)密度和驅(qū)動(dòng)力越大，反復(fù)再結(jié)晶后晶粒越細(xì)小[4]，軋制態(tài)的原始晶粒就越細(xì)小，對(duì)優(yōu)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(yīng)力和防止氫致裂紋及氣泡等缺陷的關(guān)鍵工序，緩冷工藝是否合理直接關(guān)系到鋼板的內(nèi)部質(zhì)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(shí)間24 h[5]。

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

正火處理時(shí)，鋼板要加熱到稍高于Ac3的溫度，在此溫度短時(shí)間停留，然后在靜止空氣中冷卻，達(dá)到細(xì)化鋼板組織的目的，提高鋼板強(qiáng)度，同時(shí)降低加工難度。軋制- 正火實(shí)際是通過更準(zhǔn)確的控溫軋制，主要是控制終軋溫度來達(dá)到正火處理的效果，同時(shí)消除帶狀組織，使鋼板性能滿足要求[7]。工業(yè)生產(chǎn)中，適當(dāng)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(shí)現(xiàn)鋼板以軋制- 正火態(tài)而非另行正火處理態(tài)交貨做鋪墊。

3.3 熱處理工藝

根據(jù)技術(shù)協(xié)議要求，需在交貨態(tài)鋼板上取樣，在罩式熱處理爐中進(jìn)行正火處理后，檢驗(yàn)熱處理態(tài)鋼板的力學(xué)性能，需同樣滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，以此方法模擬檢驗(yàn)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(shí)間(1.5±0.5)min/mm。

4 試制鋼板的力學(xué)性能

對(duì)工業(yè)試制的6～16 mm厚度P235GH鋼板進(jìn)行超聲波探傷，結(jié)果符合JB 4730.3《承壓設(shè)備無損檢測(cè)第三部分：超聲檢測(cè)》I級(jí)要求；在鋼板1/4寬度處、1/2厚度處橫向取樣進(jìn)行拉伸、沖擊等試驗(yàn)，結(jié)果表明，工業(yè)試制鋼板的力學(xué)性能良好，均達(dá)到了技術(shù)協(xié)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(yàn)結(jié)果如表3所示。表中數(shù)據(jù)表明，P235GH鋼板室溫拉伸性能不僅符合標(biāo)準(zhǔn)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(yōu)于尾部，性能均勻性良好。

表3 P235GH鋼板供貨態(tài)力學(xué)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(biāo)準(zhǔn)EN 10028- 1橫向取樣，制備相應(yīng)規(guī)格的試樣進(jìn)行0 ℃沖擊試驗(yàn)。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(yàn)結(jié)果不小于規(guī)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(yàn)結(jié)果不小于規(guī)定值的50%。試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。從表4中可以看出，不同規(guī)格鋼板的0 ℃沖擊吸收能量均滿足P235GH鋼板的技術(shù)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(tài)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(tài)和熱處理態(tài)P235GH鋼板上取樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)，結(jié)果見圖1。從圖中可看出，熱軋態(tài)和正火態(tài)鋼板的組織均為鐵素體加珠光體，且晶粒度均為9級(jí)左右，正火后晶粒有所長(zhǎng)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(shí)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(shí)間形核和長(zhǎng)大，大部分鐵素體變?yōu)榈容S晶，組織趨于均勻；鋼板的冷卻速度較慢，珠光體轉(zhuǎn)變速度也較慢，珠光體帶狀組織逐漸消除呈團(tuán)塊分布，緩解了成分的偏析[8]。

6 正火后鋼板的力學(xué)性能

從不同厚度鋼板頭部制取試樣，按照標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)協(xié)議的規(guī)定進(jìn)行正火處理。正火溫度(900±10) ℃，保溫時(shí)間(1.5±0.5) min/mm。正火態(tài)鋼板的力學(xué)性能如表5所示。鋼板正火后的力學(xué)性能符合技術(shù)協(xié)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(qiáng)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(qiáng)度隨晶粒細(xì)化而增加。此外，珠光體的體積分?jǐn)?shù)對(duì)抗拉強(qiáng)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(qiáng)度有所降低。

圖1 10 mm厚(a)軋制態(tài)和(b)正火態(tài)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(tài)的力學(xué)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(kuò)散變得更加容易，導(dǎo)致在晶界析出大量碳化物。正火加熱時(shí)，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(kuò)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(duì)減少。許多研究表明，晶界碳化物的析出對(duì)鋼的低溫韌性影響不利[10]。正火后，晶界碳化物數(shù)量減少，因此其低溫韌性得到明顯改善。

7 結(jié)論

(1)鞍鋼結(jié)合自身的工藝裝備條件，通過合理的成分設(shè)計(jì)、冶煉、加熱、軋制，成功開發(fā)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(tǒng)的TMCP+離線正火的工藝，生產(chǎn)了力學(xué)性能優(yōu)異的P235GH鋼板，其屈服強(qiáng)度富余量為100 MPa左右，抗拉強(qiáng)度富余量為80 MPa以上，斷后伸長(zhǎng)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(jīng)超聲波檢測(cè)，鋼板均為JB/T 4730.3—2005 I級(jí)。

(3)P235GH鋼板正火處理后的力學(xué)性能優(yōu)異，強(qiáng)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(zhǎng)大，帶狀組織得到一定程度的消除。

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