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(yīng)用國家重點實驗室，遼寧 鞍山 114009；2.鞍鋼集團(tuán)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(huán)節(jié)，隨著核電技術(shù)的升級，我國自主知識產(chǎn)權(quán)的核電機(jī)組采用了全新的設(shè)計，其中，新一代的核電機(jī)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(shè)計。雙層安全殼設(shè)計實現(xiàn)了內(nèi)、外殼的功能分離，能夠更好的抵御內(nèi)部或外部發(fā)生事故和災(zāi)害時保護(hù)人員和環(huán)境免受核輻射的危害［1-4］，新一代核電機(jī)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(shè)計，燃料廠房、電氣廠房則采用單獨設(shè)置的鋼筋混凝土防護(hù)廠房進(jìn)行防護(hù)，在提高安全性的同時，板材的設(shè)計也具有相當(dāng)大的難度和挑戰(zhàn)。

目前，國內(nèi)核電機(jī)組的更大化設(shè)計趨勢導(dǎo)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(chǎn)的主要制約因素，結(jié)合實際生產(chǎn)，最適合上述情況的生產(chǎn)工藝為連鑄坯同質(zhì)復(fù)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(wěn)定性、Z向性能和探傷性能就很難保證［7-11］。因此，通過化學(xué)成分、坯料、軋制和熱處理工藝設(shè)計，對特厚核電模塊用鋼板進(jìn)行生產(chǎn)工藝研究和分析。

1 試驗材料與方法

1.1 成分設(shè)計

核電模塊用鋼的化學(xué)成分設(shè)計一般按照細(xì)晶強化和微合金化相結(jié)合的方法，設(shè)計的Q355D化學(xué)成分見表1。

表1 試驗材料的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Chemical Compositions in Test Materials（Mass Fraction） %

由表1可以看出，以上的成分設(shè)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(jié)合適宜的工藝設(shè)計才能保證板材的力學(xué)性能。

1.2 工藝設(shè)計

根據(jù)核電用鋼成分設(shè)計特點及技術(shù)要求，其工藝路線為：冶煉—板坯連鑄—緩冷—鑄坯清理—復(fù)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(fù)合之前需將結(jié)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(jìn)行激光焊接，焊接后對焊口進(jìn)行確認(rèn)，連鑄坯表面修磨和復(fù)合坯組坯見圖1。

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

結(jié)合化學(xué)成分設(shè)計和實際工業(yè)試制過程中鋼板的性能，設(shè)計了四種可行性生產(chǎn)工藝：第一種為熱軋態(tài)，如果熱軋產(chǎn)品能夠滿足綜合性能要求，那么在成本和生產(chǎn)周期上便有很大的優(yōu)勢；第二種和第三種為在熱軋基礎(chǔ)上的進(jìn)一步工藝改進(jìn)，分別為DQ+正火和TMCP工藝，但這兩種工藝會增加成本和生產(chǎn)周期，最后一種為調(diào)質(zhì)工藝，在該工藝下鋼板的穩(wěn)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(fù)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(chǎn)工藝的軋制和熱處理工藝參數(shù)如表2所示。

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

2 實驗結(jié)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(shè)備無數(shù)檢查標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行100%超聲波探傷檢驗。經(jīng)檢驗，鋼板探傷合格并且能夠滿足Ⅰ類要求。在軋態(tài)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(jīng)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(fā)現(xiàn)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(jié)合位置，該位置在真空高溫大軋制力下已經(jīng)完全結(jié)合，在低倍圖片下未發(fā)現(xiàn)任何結(jié)合痕跡，反而因高壓縮比，鋼板心部對應(yīng)連鑄坯的表面沒有出現(xiàn)特厚板連鑄坯心部常見的疏松，說明連鑄坯真空復(fù)合軋制工藝下板坯的內(nèi)部質(zhì)量更好。

2.2 彎曲試驗

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

圖3 結(jié)合面彎曲試驗結(jié)果Fig.3 Bending Test Results of Joint Surface

從圖3看出，彎曲試樣經(jīng)過180°彎曲后，試樣外表面和結(jié)合面光滑且無肉眼可見裂紋。試驗結(jié)果證明真空復(fù)合軋制后鋼板能夠很好的結(jié)合，兩塊相同材質(zhì)的連鑄坯能夠有效結(jié)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(yīng)用需求。

2.3 力學(xué)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(biāo)準(zhǔn)，分別對四種生產(chǎn)工藝下鋼板的T/4和T/2處進(jìn)行橫向和厚度方向試驗，試驗鋼力學(xué)性能見表3。

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

從力學(xué)性能結(jié)果可以看出，各工藝下鋼板的剪切性能相當(dāng)，影響剪切性能的主要因素是軋制和復(fù)合工藝。熱軋狀態(tài)鋼板的拉伸性能能夠滿足力學(xué)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(yōu)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(xué)性能能夠滿足指標(biāo)的要求，但鋼板心部的沖擊韌性一般。調(diào)質(zhì)工藝的鋼板的強韌性匹配度較高，并且實際力學(xué)性能較指標(biāo)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(diào)質(zhì)工藝的力學(xué)性能表現(xiàn)較好，能夠滿足技術(shù)指標(biāo)的要求。

2.4 微觀組織

觀察四種不同生產(chǎn)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(xù)的珠光體組織，所以該狀態(tài)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(tài)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(jīng)過冷卻和正火再結(jié)晶細(xì)化的控制，晶粒度較熱軋狀態(tài)有提高，但從力學(xué)性能結(jié)果來看，其組織還不能滿足力學(xué)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(guī)則鐵素體構(gòu)成，TMCP工藝下的組織與調(diào)質(zhì)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(jīng)得到了保證，并且該種工藝的成本較低；圖4（g）和4（h）由細(xì)小的多邊形鐵素體+貝氏體+少量針狀鐵素體構(gòu)成，該組織非常細(xì)小、分布均勻，在離線淬火+回火的控制下鋼板的組織細(xì)小并且析出相細(xì)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(jìn)行分析，不同生產(chǎn)工藝鋼板的拉伸斷口形貌見圖5。拉伸斷口處均未發(fā)現(xiàn)明顯的夾雜物，圖5（a）中部分?jǐn)嗔迅摧^為平滑并且韌窩較平，存在脆性斷裂；圖5（b）中并未發(fā)現(xiàn)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(xiàn)出韌性斷裂，對應(yīng)鋼板的沖擊韌性較好。

圖5 不同生產(chǎn)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(jié)論

（1）利用連鑄坯真空復(fù)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(chǎn)。

（2）連鑄坯真空復(fù)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(jié)合，軋制后的鋼板內(nèi)部質(zhì)量更加均勻和穩(wěn)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(xì)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(xué)性能的要求，但其工藝控制存在一定難度并且生產(chǎn)效率略低，需進(jìn)一步調(diào)質(zhì)和優(yōu)化；調(diào)質(zhì)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(zhuǎn)變溫度以上，但生產(chǎn)成本較高。