Q355D特厚核電模塊用同質復合鋼板的生產工藝研究

顏秉宇，王爽，段江濤，羅志華，胡海洋，孫殿東

（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.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009；3.鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司，遼寧 營口 115007）

核電是我國能源布局的一個重要環節，隨著核電技術的升級，我國自主知識產權的核電機組采用了全新的設計，其中，新一代的核電機組采取了切實有效的方法提高了安全性，首次采用了更大的雙層安全殼和外部SC屏蔽廠房設計。雙層安全殼設計實現了內、外殼的功能分離，能夠更好的抵御內部或外部發生事故和災害時保護人員和環境免受核輻射的危害［1-4］，新一代核電機組SC屏蔽廠房圍繞在安全殼外部采用混凝土和雙層安全殼的設計，燃料廠房、電氣廠房則采用單獨設置的鋼筋混凝土防護廠房進行防護，在提高安全性的同時，板材的設計也具有相當大的難度和挑戰。

目前，國內核電機組的更大化設計趨勢導致部分鋼板的三維尺寸都趨向于更大，在固定壓縮比的情況下，成品鋼板越厚連鑄坯越厚成為該類鋼板生產的主要制約因素，結合實際生產，最適合上述情況的生產工藝為連鑄坯同質復合工藝［5-6］，常用的核電模塊用鋼板屈服強度要求≥355 MPa，抗拉強度 490～630 MPa，橫向-20 ℃沖擊功≥34 J，但隨著鋼板厚度的增加，鋼板不同厚度位置的性能穩定性、Z向性能和探傷性能就很難保證［7-11］。因此，通過化學成分、坯料、軋制和熱處理工藝設計，對特厚核電模塊用鋼板進行生產工藝研究和分析。

1 試驗材料與方法

1.1 成分設計

核電模塊用鋼的化學成分設計一般按照細晶強化和微合金化相結合的方法，設計的Q355D化學成分見表1。

表1 試驗材料的化學成分（質量分數）Table 1 Chemical Compositions in Test Materials（Mass Fraction） %

由表1可以看出，以上的成分設計使鋼板室溫下能夠存在多邊形鐵素體、針狀鐵素體、貝氏體和珠光體存在的可能，所以需結合適宜的工藝設計才能保證板材的力學性能。

1.2 工藝設計

根據核電用鋼成分設計特點及技術要求，其工藝路線為：冶煉—板坯連鑄—緩冷—鑄坯清理—復合坯組坯—軋制—超聲檢測—（熱處理）—性能評價。

選用360 mm×2 000 mm×5 000 mm連鑄坯，在復合之前需將結合面表面氧化鐵皮清理干凈露出金屬表面，然后將兩塊等大的連鑄坯疊放后在真空室進行激光焊接，焊接后對焊口進行確認，連鑄坯表面修磨和復合坯組坯見圖1。

圖1 連鑄坯表面修磨和復合坯組坯Fig.1 Surface Grinding of Continuous Casting Billets and Assembly of Composite Billets

結合化學成分設計和實際工業試制過程中鋼板的性能，設計了四種可行性生產工藝：第一種為熱軋態，如果熱軋產品能夠滿足綜合性能要求，那么在成本和生產周期上便有很大的優勢；第二種和第三種為在熱軋基礎上的進一步工藝改進，分別為DQ+正火和TMCP工藝，但這兩種工藝會增加成本和生產周期，最后一種為調質工藝，在該工藝下鋼板的穩定性普遍較好，但成本最高。

試驗過程中鋼坯的加熱溫度均為1 250℃，保溫時間≥12 h，復合坯前三道次的壓下率不小于15%，軋制成品厚度130 mm，寬度＞4 500 mm，四種生產工藝的軋制和熱處理工藝參數如表2所示。

表2 四種生產工藝的軋制及熱處理工藝參數Table 2 Rolling and Heat Treatment Process Parameters for Four Kinds of Production Technologies

2 實驗結果與分析

2.1 低倍組織

鋼板完成軋制后，按照NB/T 47013承壓設備無數檢查標準進行100%超聲波探傷檢驗。經檢驗，鋼板探傷合格并且能夠滿足Ⅰ類要求。在軋態鋼板的頭部和尾部分別選取一塊全厚度橫向試樣，按照GB/T 226鋼的低倍組織及缺陷酸蝕檢驗法，觀察試樣經熱酸酸洗后顯示出的鋼低倍組織，鋼板頭部和尾部的低倍組織如圖2所示。

圖2 鋼板頭部和尾部的低倍組織Fig.2 Macrostructures in Heads and Tails of Steel Plates

從圖2可以看出，鋼板的低倍組織中未發現有偏析和裂紋等組織缺陷，尤其鋼板的心部位置為兩塊連鑄坯的結合位置，該位置在真空高溫大軋制力下已經完全結合，在低倍圖片下未發現任何結合痕跡，反而因高壓縮比，鋼板心部對應連鑄坯的表面沒有出現特厚板連鑄坯心部常見的疏松，說明連鑄坯真空復合軋制工藝下板坯的內部質量更好。

2.2 彎曲試驗

鋼板在設備制造中通常需要經過彎曲變形檢測，結合面處的塑性變形能力能夠經受住彎曲變形成為復合板的一個主要考核指標。因此，設計了四種彎曲試驗，分別是鋼板在結合面處的結合彎曲、側向彎曲、橫向彎曲和Z向彎曲，這四種彎曲試驗的設計能夠涵蓋結合面在三維方向塑性變形能力的考量，結合面彎曲試驗結果見圖3。

圖3 結合面彎曲試驗結果Fig.3 Bending Test Results of Joint Surface

從圖3看出，彎曲試樣經過180°彎曲后，試樣外表面和結合面光滑且無肉眼可見裂紋。試驗結果證明真空復合軋制后鋼板能夠很好的結合，兩塊相同材質的連鑄坯能夠有效結合，并且在鋼板最薄弱位置的塑性變形能力也能滿足實際應用需求。

2.3 力學性能試驗

按照GB/T 228.1拉伸試驗、GB/T 229夏比擺錘沖擊試驗方法、GB/T 5313厚度方向性能鋼板試驗和GB/T 6396剪切試驗標準，分別對四種生產工藝下鋼板的T/4和T/2處進行橫向和厚度方向試驗，試驗鋼力學性能見表3。

表3 試驗鋼力學性能和沖擊性能Table 3 Mechanical and Impact Properties of Test Steels

從力學性能結果可以看出，各工藝下鋼板的剪切性能相當，影響剪切性能的主要因素是軋制和復合工藝。熱軋狀態鋼板的拉伸性能能夠滿足力學性能要求，但鋼板的沖擊韌性較差，并且完全屬于脆性斷裂，不能夠滿足鋼板對沖擊韌性的要求；鋼板通過DQ+N工藝優化后，鋼板的強度和韌性有所提升，但鋼板的沖擊功存在低值的情況，并且斷口纖維率較低，不能滿足要求；TMCP工藝鋼板的整體力學性能能夠滿足指標的要求，但鋼板心部的沖擊韌性一般。調質工藝的鋼板的強韌性匹配度較高，并且實際力學性能較指標有較大的的余量，鋼板的沖擊屬于韌性斷裂，斷口纖維率在50%以上；整體上TMCP和調質工藝的力學性能表現較好，能夠滿足技術指標的要求。

2.4 微觀組織

觀察四種不同生產工藝下厚度T/4和T/2處的鋼板金相組織，見圖4。

可以看出，圖4（a）和4（b）的組織為多邊形鐵 素體+珠光體，由于鋼板整體重量較大，在熱軋過程降溫速度極慢，較高的終軋溫度致其獲得粗大的多邊形鐵素體和不連續的珠光體組織，所以該狀態下鋼板的強度和韌性均較差；圖4（c）和4（d）的組織為多邊形鐵素體+帶狀珠光體，該狀態下的金相晶粒度由于在線控冷和正火熱處理的作用，鋼板的組織經過冷卻和正火再結晶細化的控制，晶粒度較熱軋狀態有提高，但從力學性能結果來看，其組織還不能滿足力學性能；圖4（e）和 4（f）工藝下的組織為多邊形鐵素體+貝氏體+珠光體+不規則鐵素體構成，TMCP工藝下的組織與調質工藝相比略微粗大一些，但在主要貝氏體和多邊形鐵素體組織下，鋼板的強韌性已經得到了保證，并且該種工藝的成本較低；圖4（g）和4（h）由細小的多邊形鐵素體+貝氏體+少量針狀鐵素體構成，該組織非常細小、分布均勻，在離線淬火+回火的控制下鋼板的組織細小并且析出相細小彌散分布，該工藝下的綜合性能最好。

對鋼板厚度T/4處的橫向拉伸斷口進行分析，不同生產工藝鋼板的拉伸斷口形貌見圖5。拉伸斷口處均未發現明顯的夾雜物，圖5（a）中部分斷裂根源較為平滑并且韌窩較平，存在脆性斷裂；圖5（b）中并未發現脆性斷裂，但斷口同樣較平且韌窩都較??；圖5（c）和 5（d）的韌窩形貌較好，韌窩較深，表現出韌性斷裂，對應鋼板的沖擊韌性較好。

圖5 不同生產工藝的拉伸斷口形貌Fig.5 Tensile Fracture Morphology of Samples Taken from Steel Plates Produced by Four Different Production Technologies

3 結論

（1）利用連鑄坯真空復合軋制方式可以制造出綜合性能合格的Q355D特厚核電模塊用鋼，該種方式也可適用于其他品種鋼板的生產。

（2）連鑄坯真空復合軋制能夠提高坯料的厚度和加大軋制壓縮比，Q355D鋼板在高溫大軋制力的作用下能夠完全結合，軋制后的鋼板內部質量更加均勻和穩定，能夠明顯減輕鋼板的疏松和偏析情況。

（3）熱軋工藝下Q355D鋼板的組織較粗大并不能保證鋼板的性能；DQ+N工藝雖能細化Q355D鋼板的晶粒度，但不能夠保證鋼板在心部位置的強度和韌性的匹配；TMCP的綜合性能雖能滿足Q355D力學性能的要求，但其工藝控制存在一定難度并且生產效率略低，需進一步調質和優化；調質工藝下Q355D鋼板得到很好的強韌性匹配，沖擊韌性也處于韌脆轉變溫度以上，但生產成本較高。