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摘要：核电领域生产发展期间，对特厚钢板的需求量不断提升，但板材均匀性、探伤检测、Z向性能等方面存在较高的技术生产难度。为促进核电领域稳步发展，文章以Q355D特厚钢板为研究对象，围绕Q355D特厚核电模块用同质复合钢板生产技术展开深入探究，指出核心生产技术要点。研究结果表明，通过运用连铸坯真空复合轧制生产技术，可得到高品质的Q355D特厚钢板，符合核电模块用钢要求，有助于创造更大的生产效益、核电效益。
关键词：Q355D钢材；特厚；核电模块；生产技术
近年来，中国核电技术发展迅速，独立设计出全新的核电机组，主要采用双层安全壳与外部SC屏蔽厂房的设计方法，保护工作人员的生命安全，降低核电事故带来的影响。其中，钢材的选择与设计属于关键，但往往受到钢板厚度的影响，导致生产质量不理想。为此，需结合核电对钢材的综合要求，采用连铸坯真空复合轧制工艺，以此大幅提高Q355D特厚核电模块用同质复合钢板生产技术水平。
1核电行业对钢板的具体要求
核电行业发展过程中，板材设计与技术发展属于一项重点内容，而伴随着核电生产技术的提高，对钢板的综合要求随之提升，主要包含以下方面：
1.1化学成分要求
严格检测并控制钢板的化学组成成分，避免削弱钢材性能。以Q355D钢板化学组成成分要求标准为例，碳含量范围为0.18%~0.28%，主要影响材料硬度与强度；硫与磷含量小于0.03%，影响钢材韧性与焊接性能；锰含量范围为1.2%~1.6%、硅含量范围为0.15%~0.5%，可提高钢材强度；铜、铬等合金元素添加量，不应大于0.5%。
1.2耐高温与耐压性
核电运行场所中，各类设备、结构件往往处于高温高压环境下，这就需要钢板材料具有较高的耐压性、耐高温性能。
1.3力学性能与热处理状态
力学性能方面，钢板的抗拉强度、屈服强度、延伸率等性能指标，均满足应用技术标准，使得在极端条件下也能保证钢板的完整性；热处理方面，查阅相关调查资料可知，钢板交货状态以正火、热轧+回火、正火+回火、热轧为主，可提升钢板的耐腐蚀性、机械性能。
1.4满足探伤标准
采用严格的探伤检测方法，全面排查钢板有无缺陷，防止后期应用期间诱发断裂或裂纹问题。
1.5其他性能要求
一方面高温热塑性，能够承受600~1350℃范围内的高温，需采用热模拟试验机检验，掌握高温环境下铸坯的塑性变形能力，了解钢材裂纹敏感部位的温度区间，避免生产期间形成横向裂纹、角部裂纹；另一方面焊接性能，保证焊接接头强度高、焊口质量良好。
2同质复合钢板生产方式的试验分析
2.1试验材料与主要方法
针对核电模块用钢进行化学成分设计分析时，需采用微合金化、细晶强化的方法，设计并详细了解Q355D的化学成分，如表1所示。由表1可知，在多种化学组成成分相互作用下，室温环境下钢板将存在针状铁素体、多边形铁素体以及珠光体，这就需综合考虑多方面影响因素，设计流程完整的生产工艺，以此确保板材力学性能的稳定性［1］。
故此，结合核电对钢板的具体要求，依据Q355D的综合性能，设计冶炼→板坯连铸→缓冷→清理铸坯→复合坯组坯→轧制、检测→热处理的工艺生产流程，同时在此基础上设计四种不同的生产工艺。具体包含：①热轧态，重点检验产品是否符合技术标准；②DQ+正火，其中正火时间为60min，温度为960℃;③TMCP，终轧温度860℃;④调质，终轧温度1009℃。
选择规格为360×2000×5000mm的连铸坯展开试验探究，检验生产技术的可行性，针对不足之处进行完善［2］。试验过程中，应全方位清理钢材结合面表层的氧化铁皮，促使金属表面裸露于空气中，再叠放大小统一的连铸坯，转移至真空环境，实行激光焊接作业，并仔细检查焊口质量。整个试验期间，钢坯加热温度恒定为1250℃,要求保温时间≥12h，成品宽度＞4500mm、厚度为130mm。
2.2弯曲变形试验
弯曲变形试验也是钢板生产制造期间不可缺少的一个环节，是检验钢板结合面塑性变形能力的关键［3］。为此，需针对钢板结合面分别展开Z向、侧向、横向及结合弯曲试验，以此从三维视角出发评估钢材塑性变形力。结果显示，利用真空复合轧制生产工艺，钢板拥有良好的塑性变形能力，符合使用要求。另外，设计100%超声波探伤检验，需根据承压设备各项检查标准进行对比试验，经检测可知钢板满足Ⅰ类标准，再展开低倍组织与缺陷酸蚀检验，仔细观察钢板是否存在偏析、裂纹、损伤等问题，以此保障弯曲变形试验检测结果的准确性。
2.3力学性能
采取拉伸实验、厚度方向性能钢板试验、夏比摆锤冲击试验、剪切试验法，对四种不同生产工艺的钢板成品展开力学性能检测，主要从厚度方向与横向入手，检验结果如下：
2.3.1热轧工艺
拉伸性能中RP0.2=361MPA、Rm=515MPa，-20℃下冲击性能KV2为10/88/37J，Z向性能72/75/77%，剪切性能=359MPa。
2.3.2 DQ+正火工艺
拉伸性能中RP0.2=428MPA、Rm=565MPa，-20℃下冲击性能KV2为105/69/75J，Z向性能75/73/74%，剪切性能=371MPa。
2.3.3 TMCP工艺
拉伸性能中RP0.2=472MPA、Rm=598MPa，-20℃下冲击性能KV2为127/157/97J，Z向性能77/72/73%，剪切性能=396MPa。
2.3.4调质工艺
拉伸性能中RP0.2=488MPA、Rm=598MPa，-20℃下冲击性能KV2为259/199/204J，Z向性能75/74/75%，剪切性能=353MPa。
分析不同生产工艺下钢板的力学性能可知，剪切性能相差不多，主要受到轧制与复合工艺的影响。对于热轧工艺下的钢板成品，拉伸性能符合力学标准，但极易出现脆性断裂的现象；对于DQ+正火工艺下的钢板成品，强度与韧性得到提升，但端口处的纤维率不符合应用标准；对于TMCP工艺下的钢板成品，力学性能符合指标要求，但中心处的冲击韧性相对较差；对于调质工艺下的钢板成本，拥有良好的韧性，断口纤维率大于50%。
2.4试验结果分析
通过从力学性能、弯曲变形、低倍组织等方面入手分析生产工艺可知，采用连铸坯真空复合轧制生产技术，可生产出性能良好的Q355D特厚核电模块用钢。原因在于，该种技术工艺下坯料厚度明显提高，且增加轧制压缩比，借助高温大轧制力促使两块Q355D钢板完全结合，最大程度上避免偏析、疏松现象的出现。而对于热轧、DQ+正火、TMCP以及调质工艺来说，分别在不同方面存在一定的缺点与优点，仍需持续完善，其中缺点主要表现为热轧工艺下无法保证钢板综合性能、DQ+正火下钢板中心处的韧性与强度不匹配、TMCP工艺下生产效率低、调质工艺下产品生产成本高。为此，应优先采用连铸坯真空复合轧制工艺，制定完善的生产工艺流程，满足核电领域的用钢需求。
3同质复合钢板核心生产技术要点
3.1选择原始连铸坯并清理
依据Q355D特厚核电模块用钢的综合要求进行针对性选择，重点检验坯料的外观，做到端面呈直角、坯型平直，无针孔、夹杂、裂纹、开裂等质量缺陷，其中铸坯深浅相同、振痕均匀。之后全方位清理坯料的复合面，常见方法包含利用砂光机处理、表面化学清理、铣床加工、抛丸处理，就目前状况而言多选用铣床加工方法。实际操作过程中，应系统性清理坯料表层的铸坯振痕，再结合坯料的表层状况，确定铣削深度，多数情况为2~4mm，随后检查是否存在皮下组织缺陷。但值得注意的是，应掌握Q355D钢材的力学性能，如屈服强度为355MPa、抗拉强度在470~630MPa之间，由硫、碳、硅、合金金属等构成拥有良好的耐腐蚀性，同时当结束铣削处理后需立刻处理展开除尘、清污作业，规避氧化与锈蚀现象，为焊接作业创建有利条件［4］。
3.2坯料组合与焊接作业
以保证连铸坯四边精准定位为目标，确定真空焊接环境下焊接坯料的摆放方式，以平放、横立两种为主，有助于加快连铸坯叠合效率。一般情况下，坯料平放焊接方法下可在真空环境中一次性完成作业，焊接效率快。
进入真空焊接环节，准备专用大型焊机，以真空电子束焊接技术为核心，针对坯料四边采取封焊方法，促使焊接熔深符合技术标准，避免加热或轧制过程中，由于受到轧辊撞击力与热应力的影响，出现开裂轧废的情况。
3.3连铸坯坯料加热
与传统车底式加热炉加热方法不同的是，连铸坯真空复合轧制工艺中坯料加热过程中，采取预热、保温、加热、均热方法，但需在四个加热阶段注重温度的管控。坯料加热生产阶段，钢坯需在炉内加热至1200℃,再保温2h，同时考虑到所采用的坯料非一体成型，需在初始预热环节严格控制加热速度，不应超过1℃·mm/min，避免大规模开裂。且整个加热时间超过8h，应灵活管控炉内气氛，防止在氧化作用下铁皮厚度超过标准要求。
处于加热与保温阶段，坯料结合面预先经铣削加工处理，不存在氧化层、锈蚀层等，且在真空环境下焊接，其中焊接深度超40mm，此时焊缝拥有良好的强度，综合承载性能较强。加热期间，结合面无氧化膜，当受热膨胀后结合面接触点展开，此时金属键连接，并随着加热时间的延长微小缝隙逐渐向四周扩散，金属原子之间的孔洞消失。此外，加热温度达至钢材相变温度点时，铁素体将逐渐转变成奥氏体，再形核、不断生长，形成全新的晶粒，结合面的组织结构发生变化，由金属键连接结构转变成冶金结构。值得注意的是，适当延长铸坯在炉内的停留时间，能促进偏析元素快速扩散，降低微裂纹生成概率，提高钢板探伤质量，其中严禁随意缩短钢板在炉内的停留时间，将引发严重开裂或大面积裂纹问题。
3.4复合连铸坯轧制
进入复合连铸坯轧制阶段，应按照技术要求分配初始道次压下率，全面控制不同钢板轧制区域的咬钢速度、温度一致性、最大轧制速度、加速度以及上下辊速差，避免由于相对滑动而导致复合坯裂开。为提高钢板轧制作业质量，应采用大单重复合坯轧制法，粗轧开始道次选择高温低速小压下轧制，优化轧入生产作业条件，中间道次采用高温低速大压下轧制，达到增强轧制渗透率的效果，加快二次结晶速度。同时，考虑到核电领域对特厚钢板产品的性能与质量要求相对较高，这就需在轧制作业期间全方位消除钢板内部偏析、疏松、气孔，使得钢板内氢气充分扩散，提升钢板的力学性能，压缩比超过2.0。当从Q355D特厚核电模块用钢的Z向力学性能与韧性方面分析，压缩比应控制在1.5~3.0。当Q355D特厚核电模块用钢轧制厚度大于80mm，应在总压下率大于40%时，将轧件中心处与表层的梯度温度控制在300℃,变形系数超过0.7，以此获取优良的低倍组织。
不仅如此，由于坯料厚度过厚，应将Q355D特厚复合连铸坯轧制分成粗轧与精轧两个作业阶段。粗轧作业时，以控制定宽与中间坯厚度为核心，其中应从生产效率与产品性能两个方面入手，确定中间坯的厚度，使得在凸显轧机优良性能、缩短控温时间的基础上，能在要求温度下保障各个道次充分变形。当从提高钢板Z向性能与冲击韧性视角出发，粗轧作业质量直接影响着特厚钢板生产质量。精轧阶段，压下量应达到50%，可大幅提升冲击韧性。例如，生产150mm厚的Q355D钢板，1号道次总压下率在8.3%~12%，2号道次总压下率在9%~12%，3号道次总压下率在10%~15%，4号道次总压下率在12%~15%，5号道次总压下率在15%~18%。
在低速大压下生产工艺作用下，特厚复合钢板中心处变化较为明显，孔隙被完全压合，特别是低速轧制期间加快孔隙接合、扩散速度。鉴于此，轧制期间应将作业厚度控制在10~20r/min左右，消除孔隙的同时，还能规避各类缺陷问题。考虑到钢板厚度过厚，强冷处理时将发生过冷现象，对此需采用间断式冷却方法，前期强冷、后期慢冷，短时间内冷却至设计温度，确保钢板的冲击韧性满足使用需求［5］。
4总结
总而言之，通过分析Q355D特厚钢板的性能特征，掌握核电领域对钢板的综合要求，提出采用连铸坯真空复合轧制工艺，制定完善的生产工艺流程，满足核电领域的用钢需求，凸显连铸板坯成材料高、投资小的优势。未来发展过程中，为向核电行业提供性能优良、价格适中的Q355D特厚核电模块用钢，应加强对轧工艺、坯料预热焊接等方面的研究，从而持续提升产品性能，创造更大的生产效益。
参考文献
［1］丁立轩，于占忠，李倩倩，等.复合钢板及其焊接方法在高炉热风炉的应用［J］.设备管理与维修，2023（20）：112-114.
［2］蒋伟平，贝玉成，刘洪武.常泰长江大桥铁路桥面不锈钢复合钢板焊接工艺研究［J］.世界桥梁，2023，51（2）：69-75.
［3］郭太平，王迎君，金卿，等.Q345R+Incoloy 825合金复合钢板制压力容器的制造［J］.压力容器，2023，40（7）：81-86.
［4］潘全喜，张德远，刘志远.TP304/Q235复合钢板焊接工艺及性能研究［J］.化工设备与管道，2023，60（1）：22-26.
［5］李彦国，薛喆彦，陈超，等.铁路桥梁用S31603+Q500qE高强度复合钢板焊接工艺研究［J］.焊接技术，2023，52（9）：64-68.后台-系统设置-扩展变量-手机广告位-内容正文底部 -
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人参与 2025-01-23 15:36:36 分类 : 理学 点这评论 作者：团论文网 来源：https://www.tuanlunwen.com/
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