CN101530869B - 高压锅炉和换热器用不锈钢无缝钢管的制造工艺 - Google Patents
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Abstract
一种高压锅炉和换热器用不锈钢无缝钢管的制造工艺，包括奥氏体不锈钢钢坯的冶炼和无缝钢管的制造两个方面。在奥氏体不锈钢钢坯的冶炼中，适当提高相应钢种中的碳含量，并对含钛、铌的钢种控制钢中的钛、铌含量。在无缝钢管的制造中，将热穿孔温度按不同钢种分别进行控制；将冷变形量控制在50％以下；采用适当高的在制品软化温度和适当低的成品固溶温度进行热处理。采用本发明的制造工艺，可使制得的无缝钢管具有高的蠕变断裂强度和高的抗高温蒸汽腐蚀能力，以及足够的韧性、可加工性和焊接性。可满足锅炉蒸汽压力及温度等参数提高后对高压锅炉管的需要。
Description
技术领域
本发明涉及一种合金钢无缝钢管，尤其是涉及一种高压锅炉和换热器用不锈钢无缝钢管的制造工艺。
背景技术
根据全面建设小康社会的经济发展目标，2020年全国装机容量将达到9.5亿千瓦，其中火电装机容量仍然占70％以上。即今后岁月将投产3.5亿千瓦左右的火电机组。火电建设将主要发展高效率、低污染的超临界(SC)和超超临界(USC)机组。建设上述机组的主要关键技术是锅炉蒸汽压力及温度等参数提高后所须采用的锅炉用新型耐热钢管。随着蒸汽压力和蒸汽温度的提高，电厂的热效率提高，供电煤耗降低，因而需要更多的能承受此蒸汽压力和蒸汽温度的高压锅炉管。高压锅炉和换热器用不锈钢无缝钢管要求有高的高温蠕变断裂强度和高的抗高温蒸汽腐蚀能力，高压锅炉和换热器用不锈钢无缝钢管又要求有足够的韧性、可加工性和焊接性。
高压锅炉和换热器用不锈钢无缝钢管含有较高的铬含量，该钢在高温下被氧化，在它们表面形成一层薄的氧化膜，它非常致密而且稳定，从而防止了氧的深透扩散和钢表面的继续氧化。高压锅炉和换热器用不锈钢无缝钢管含有较高含量的铬和镍，铬和镍原子尺寸与铁原子尺寸有差异，高含量的铬和镍使晶格发生畸变，组织得到强化，并有较高的再结晶温度，使钢有较高的高温强度。
高压锅炉和换热器用不锈钢无缝钢管一般为奥氏体不锈钢，所谓奥氏体组织是指钢中铁原子和碳原子之间的排列方式；奥氏体组织是面心立方结构，在一个立方体中，铁原子占据立方体的8个角，(铁原子数量为8×1/8＝1个)，碳原子占据立方体六个面的中心(碳原子数量为1/2×6＝3个)；铁素体组织是体心立方结构，铁原子占据立方体的8个角(铁原子数量为8×1/8＝1个)，碳原子占据立方体的正中心(1个碳原子)。具有体心立方的铁素体金属晶体中，有68％的体积被原子所占据；具有面心立方的奥氏体金属晶体中，有74％的体积被原子所占据。原子个数之比，在奥氏体中为碳原子∶铁原子＝3∶1；而在铁素体中为碳原子∶铁原子＝1∶1。高温下铁原子晶格尺寸较大，可以固溶较多的碳原子，所以，一般奥氏体不锈钢和碳素钢在高温下均为奥氏体组织；随着温度的降低，铁原子晶格尺寸缩小，碳原子从铁原子晶格中析出，故碳素钢在室温下为铁素体组织；而奥氏体不锈钢中由于含有较多的镍，在高温和低温下均为奥氏体组织。碳素钢从高温冷却时，碳化物从铁晶格中析出，慢冷使碳化物析出呈弥散分布，钢的韧性较好；奥氏体不锈钢从高温快速冷却时，碳固溶在奥氏体基体内，获得均匀的单相组织，使钢的韧性较好，此为固溶操作，奥氏体不锈钢通过固溶获得较好的韧性。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种高压锅炉和换热器用不锈钢无缝钢管的制造工艺，以使制得的无缝钢管具有高的高温蠕变断裂强度和高的抗高温蒸汽腐蚀能力，以及足够的韧性、可加工性和焊接性。
本发明的目的是这样实现的：一种高压锅炉和换热器用不锈钢无缝钢管的制造工艺，包括以下两个方面：
a、奥氏体不锈钢钢坯的冶炼：
对于TP304钢种，控制碳含量在0.055％-0.075％；
对于TP304H钢种，控制碳含量在0.075％-0.095％；
对于TP321钢种，控制碳含量在0.055％-0.075％，控制钛含量在0.35％-0.50％；
对于TP321H钢种，控制碳含量在0.075％-0.095％，控制钛含量在0.45％-0.60％；
对于TP347钢种，控制碳含量在0.055％-0.075％，控制铌含量在0.60％-0.80％；
对于TP347H钢种，控制碳含量在0.075％-0.095％，控制铌含量在0.80％-1.00％；
对于0Cr18Ni9钢种，控制碳含量在0.050％-0.065％；
对于1Cr18Ni9钢种，控制碳含量在0.075％-0.095％；
以上碳含量、钛含量和铌含量的百分比均为质量百分比；
b、无缝钢管的制造
以上述奥氏体不锈钢钢坯为原料，通过热穿孔、润滑烘干、冷拔和冷轧、热处理和酸洗工序制造成无缝钢管；
在热穿孔工序中，热穿孔温度对于TP304钢种控制在1140-1150℃，对于TP304H钢种控制在1150-1160℃，对于TP321钢种控制在1150-1160℃，对于TP321H钢种控制在1150-1160℃，对于TP347钢种控制1100-1120℃，对于TP347H钢种控制1100-1120℃，对于0Cr18Ni9钢种控制在1140-1150℃，对于1Cr18Ni9钢种控制在1150-1160℃；
在润滑烘干工序中，采用润滑剂配方为：1.2-1.5重量份的3号工业脂配10重量份的石灰；
在冷拔和冷轧工序中，将冷变形量控制在50％以下；
在热处理工序中，采用适当高的在制品软化温度和适当低的成品固溶温度；
在酸洗工序中，采用的酸洗配方为：氢氟酸5％～8％重量，硝酸10％～15％重量，余量为水。
所述的热穿孔工序中，先将管坯缓慢加热到800℃，然后加速升温到各钢种所需温度，并保温足够时间，使管坯内外温度几乎一致，再进行热穿孔。
所述的热穿孔工序中，控制顶头前压缩率为4.5-5.0％，控制辊腰压下量为11-13％，控制穿孔椭圆度为1.07-1.10。
所述的热处理工序中，针对不同的钢种和不同壁厚的不锈钢管采用不同的在制品软化温度和成品固溶温度；
对于不含铌或钛的钢种，壁厚1-5mm的不锈钢管，在制品固溶温度控制在1080-1130℃，成品固溶温度控制在970-1020℃；壁厚6-10mm的不锈钢管，在制品固溶温度控制在1090-1140℃，成品固溶温度控制在980-1030℃；壁厚11-20mm的不锈钢管，在制品固溶温度控制在1110-1150℃，成品固溶温度控制在990-1040℃；
对于含铌或钛的钢种，壁厚1-5mm的不锈钢管，在制品固溶温度控制在1100-1140℃，成品固溶温度控制在970-1020℃；壁厚6-10mm的不锈钢管，在制品固溶温度控制在1110-1150℃，成品固溶温度控制在980-1030℃；壁厚11-20mm的不锈钢管，在制品固溶温度控制在1120-1160℃，成品固溶温度控制在990-1040℃。
对于高压锅炉和换热器用不锈钢无缝钢管，适当提高碳含量，可使铁原子晶格中固溶较多的碳，使钢产生较多的固溶强化，以提高钢的高温强度。所以本发明的工艺在奥氏体不锈钢钢坯的冶炼中适当提高了钢中的碳含量。
采用高温度的固溶处理，使已经析出的第二相尽可能充分固溶于奥氏体内，能明显提高钢的高温强度，但过分提高成品钢管的高温强度，使成品钢管的弯曲度增加，也使钢管的表面氧化层增厚，从而使钢管表面的粗糙度增加，表面美观度降低。兼要使第二相尽可能充分固溶于奥氏体以提高高温强度，又要使成品表面不粗糙、不弯曲，就要采用适当高的在制品软化温度，使第二相尽可能充分固溶于奥氏体内；又在完全成形变形后，采用适当低的成品固溶温度，使成品表面不粗糙、不弯曲。所以本发明的工艺在热处理工序中采用了适当高的在制品软化温度和适当低的成品固溶温度。
对于含铌或钛的钢种，铌和钛的碳、氮化物需要更高的温度才能溶解到基体内，然后在高温运行时缓慢地以弥散分布的形式析出，从而提高钢的高温强度。所以本发明的工艺对于含铌或钛的钢种采用了更高的在制品软化温度。
试验发现，高压锅炉和换热器用不锈钢无缝钢管的高温变形抗力随着温度的升高而降低，因此，本发明在热穿孔工序中，将热穿孔温度在不含铌钢种控制较高的温度，而含铌钢种控制中等的温度。热穿孔过程中顶头前压缩量愈大则变形不均匀程度愈大，导致管坯中心区的切应力和拉应力增加，引起内折缺陷。因此，本发明在热穿孔工序中，采用了最合适的顶头前压缩率为4.5-5.0％。减小穿孔辊腰压下量，可使不均匀变形减小，引起内折缺陷的可能性减小，穿孔变得容易。因此，本发明在热穿孔工序中，将辊腰压下量控制在11-13％。穿孔椭园度大，穿孔过程中横变形大，穿孔快；但椭园度过大，易产生外裂和内裂。因此，本发明在热穿孔工序中，控制椭园度为1.07～1.10。
采用本发明的高压锅炉和换热器用不锈钢无缝钢管的制造工艺，可使制得的无缝钢管具有高的高温蠕变断裂强度和高的抗高温蒸汽腐蚀能力，以及足够的韧性、可加工性和焊接性。可满足锅炉蒸汽压力及温度等参数提高后对高压锅炉管的需要。
具体实施方式
实施例1
首先按照冶炼TP304钢种的基本要求，控制其中的碳含量为0.055％-0.075％，冶炼轧制成TP304奥氏体不锈钢钢坯。
然后以TP304奥氏体不锈钢钢坯为原料，通过热穿孔、润滑烘干、冷拔和冷轧、热处理和酸洗工序制造成壁厚为4mm的不锈钢管无缝钢管。其中，在热穿孔工序中，先将管坯缓慢加热到800℃，然后加速升温到1140-1150℃，并保温足够时间，使管坯内外温度几乎一致，再进行热穿孔。在热穿孔过程中，控制顶头前压缩量为4.5-5.0％，控制辊腰压下量为11-13％，控制穿孔椭圆度为1.07-1.10。在润滑烘干工序中，采用润滑剂配方为：1.3重量份的3号工业脂配10重量份的石灰；在冷拔和冷轧工序中，将冷变形量控制在50％以下；在热处理工序中，将在制品固溶温度控制为1000℃；成品固溶温度控制为1020℃；在酸洗工序中，采用的酸洗配方为：氢氟酸6％重量，硝酸12％重量，余量为水。
实施例2
首先按照炼制TP304H钢种的基本要求，控制其中的碳含量为0.075％-0.095％，冶炼轧制成TP304H奥氏体不锈钢钢坯。
然后以TP304H奥氏体不锈钢钢坯为原料，通过热穿孔、润滑烘干、冷拔和冷轧、热处理和酸洗工序制造成壁厚为8mm的不锈钢管无缝钢管。其中，在热穿孔工序中，先将管坯缓慢加热到800℃，然后加速升温到1150-1160℃，并保温足够时间，使管坯内外温度几乎一致，再进行热穿孔。在热穿孔过程中，控制顶头前压缩率为4.5-5.0％，控制辊腰压下量为11-13％，控制穿孔椭圆度为1.07-1.10。在润滑烘干工序中，采用润滑剂配方为：1.4重量份的3号工业脂配10重量份的石灰；在冷拔和冷轧工序中，将冷变形量控制在50％以下；在热处理工序中，将在制品固溶温度控制为1100℃；成品固溶温度控制为1030℃；在酸洗工序中，采用的酸洗配方为：氢氟酸7％重量，硝酸13％重量，余量为水。
实施例3
首先按照炼制TP321钢种的基本要求，控制其中的碳含量在0.055％-0.075％，控制钛含量在0.35％-0.50％；冶炼轧制成TP321奥氏体不锈钢钢坯。
然后以TP321奥氏体不锈钢钢坯为原料，通过热穿孔、润滑烘干、冷拔和冷轧、热处理和酸洗工序制造成壁厚为16mm的不锈钢管无缝钢管。其中，在热穿孔工序中，先将管坯缓慢加热到800℃，然后加速升温到1150-1160℃，并保温足够时间，使管坯内外温度几乎一致，再进行热穿孔。在热穿孔过程中，控制顶头前压缩率为4.5-5.0％，控制辊腰压下量为11-13％，控制穿孔椭圆度为1.07-1.10。在润滑烘干工序中，采用润滑剂配方为：1.3重量份的3号工业脂配10重量份的石灰；在冷拔和冷轧工序中，将冷变形量控制在50％以下；在热处理工序中，将在制品固溶温度控制1120℃；成品固溶温度控制为1040℃。在酸洗工序中，采用的酸洗配方为：氢氟酸8％重量，硝酸14％重量，余量为水。
实施例4
首先按照炼制TP321H钢种的基本要求，控制碳含量在0.075％-0.095％，控制钛含量在0.45％-0.60％；冶炼轧制成TP321H奥氏体不锈钢钢坯。
然后以TP321H奥氏体不锈钢钢坯为原料，通过热穿孔、润滑烘干、冷拔和冷轧、热处理和酸洗工序制造成壁厚为3mm的不锈钢管无缝钢管。其中，在热穿孔工序中，先将管坯缓慢加热到800℃，然后加速升温到1150-1160℃，并保温足够时间，使管坯内外温度几乎一致，再进行热穿孔。在热穿孔过程中，控制顶头前压缩率为4.5-5.0％，控制辊腰压下量为11-13％，控制穿孔椭圆度为1.07-1.10。在润滑烘干工序中，采用润滑剂配方为：1.3重量份的3号工业脂配10重量份的石灰；在冷拔和冷轧工序中，将冷变形量控制在50％以下；在热处理工序中，将在制品固溶温度控制为1100℃，成品固溶温度控制1020℃。在酸洗工序中，采用的酸洗配方为：氢氟酸7％重量，硝酸13％重量，余量为水。
实施例5
首先按照炼制TP347钢种的基本要求，控制碳含量在0.055％-0.075％，控制铌含量在0.60％-0.80％；冶炼轧制成TP347奥氏体不锈钢钢坯。
然后以TP347奥氏体不锈钢钢坯为原料，通过热穿孔、润滑烘干、冷拔和冷轧、热处理和酸洗工序制造成壁厚为8mm的不锈钢管无缝钢管。其中，在热穿孔工序中，先将管坯缓慢加热到800℃，然后加速升温到1100-1120℃，并保温足够时间，使管坯内外温度几乎一致，再进行热穿孔。在热穿孔过程中，控制顶头前压缩率为4.5-5.0％，控制辊腰压下量为11-13％，控制穿孔椭圆度为1.07-1.10。在润滑烘干工序中，采用润滑剂配方为：1.4重量份的3号工业脂配10重量份的石灰；在冷拔和冷轧工序中，将冷变形量控制在50％以下；在热处理工序中，将在制品固溶温度控制为1120℃，成品固溶温度控制1030℃。在酸洗工序中，采用的酸洗配方为：氢氟酸7％重量，硝酸14％重量，余量为水。
实施例6
首先按照炼制TP347H钢种的基本要求，控制碳含量在0.075％-0.095％，控制铌含量在0.80％-1.0％；冶炼轧制成TP347H奥氏体不锈钢钢坯。
然后以TP347H奥氏体不锈钢钢坯为原料，通过热穿孔、润滑烘干、冷拔和冷轧、热处理和酸洗工序制造成壁厚为15mm的不锈钢管无缝钢管。其中，在热穿孔工序中，先将管坯缓慢加热到800℃，然后加速升温到1100-1120℃，并保温足够时间，使管坯内外温度几乎一致，再进行热穿孔。在热穿孔过程中，控制顶头前压缩率为4.5-5.0％，控制辊腰压下量为11-13％，控制穿孔椭圆度为1.07-1.10。在润滑烘干工序中，采用润滑剂配方为：1.5重量份的3号工业脂配10重量份的石灰；在冷拔和冷轧工序中，将冷变形量控制在50％以下；在热处理工序中，将在制品固溶温度为1130℃；成品固溶温度控制为1040℃。在酸洗工序中，采用的酸洗配方为：氢氟酸8％重量，硝酸14％重量，余量为水。
实施例7
首先按照炼制0Cr18Ni9钢种的基本要求，控制碳含量在0.050％-0.065％；冶炼轧制成0Cr18Ni9奥氏体不锈钢钢坯。
然后以0Cr18Ni9奥氏体不锈钢钢坯为原料，通过热穿孔、润滑烘干、冷拔和冷轧、热处理和酸洗工序制造成壁厚为12mm的不锈钢管无缝钢管。其中，在热穿孔工序中，先将管坯缓慢加热到800℃，然后加速升温到1140-1150℃，并保温足够时间，使管坯内外温度几乎一致，再进行热穿孔。在热穿孔过程中，控制顶头前压缩率为4.5-5.0％，控制辊腰压下量为11-13％，控制穿孔椭圆度为1.07-1.10。在润滑烘干工序中，采用润滑剂配方为：1.3重量份的3号工业脂配10重量份的石灰；在冷拔和冷轧工序中，将冷变形量控制在50％以下；在热处理工序中，将在制品固溶温度控制为1110℃；成品固溶温度控制为1030℃；在酸洗工序中，采用的酸洗配方为：氢氟酸6％重量，硝酸12％重量，余量为水。
实施例8
首先按照炼制1Cr18Ni9钢种的基本要求，控制碳含量在0.075％-0.095％；冶炼轧制成1Cr18Ni9奥氏体不锈钢钢坯。
然后以1Cr18Ni9奥氏体不锈钢钢坯为原料，通过热穿孔、润滑烘干、冷拔和冷轧、热处理和酸洗工序制造成壁厚为14mm的不锈钢管无缝钢管。其中，在热穿孔工序中，先将管坯缓慢加热到800℃，然后加速升温到1150-1160℃，并保温足够时间，使管坯内外温度几乎一致，再进行热穿孔。在热穿孔过程中，控制顶头前压缩率为4.5-5.0％，控制辊腰压下量为11-13％，控制穿孔椭圆度为1.07-1.10。在润滑烘干工序中，采用润滑剂配方为：1.4重量份的3号工业脂配10重量份的石灰；在冷拔和冷轧工序中，将冷变形量控制在50％以下；在热处理工序中，将在制品固溶温度控制为1120℃；成品固溶温度控制为1030℃。在酸洗工序中，采用的酸洗配方为：氢氟酸7％重量，硝酸14％重量，余量为水。
以上各实施例中的碳含量、钛含量和铌含量的百分比均为质量百分比。
Claims (4)
1.一种高压锅炉和换热器用不锈钢无缝钢管的制造工艺，其特征在于：包括以下两个方面：
a、奥氏体不锈钢钢坯的冶炼
对于TP304钢种，控制碳含量在0.055％-0.075％；
对于TP304H钢种，控制碳含量在0.075％-0.095％；
对于TP321钢种，控制碳含量在0.055％-0.075％，控制钛含量在0.35％-0.50％；
对于TP321H钢种，控制碳含量在0.075％-0.095％，控制钛含量在0.45％-0.60％；
对于TP347钢种，控制碳含量在0.055％-0.075％，控制铌含量在0.60％-0.80％；
对于TP347H钢种，控制碳含量在0.075％-0.095％，控制铌含量在0.80％-1.00％；
对于0Cr18Ni9钢种，控制碳含量在0.050％-0.065％；
对于1Cr18Ni9钢种，控制碳含量在0.075％-0.095％；
以上碳含量、钛含量和铌含量的百分比均为质量百分比；
b、无缝钢管的制造
以上述奥氏体不锈钢钢坯为原料，通过热穿孔、润滑烘干、冷拔和冷轧、热处理和酸洗工序制造成无缝钢管；
在热穿孔工序中，热穿孔温度对于TP304钢种控制在1140-1150℃，对于TP304H钢种控制在1150-1160℃，对于TP321钢种控制在1150-1160℃，对于TP321H钢种控制在1150-1160℃，对于TP347钢种控制1100-1120℃，对于TP347H钢种控制1100-1120℃，对于0Cr18Ni9钢种控制在1140-1150℃，对于1Cr18Ni9钢种控制在1150-1160℃；
在润滑烘干工序中，采用润滑剂配方为：1.2-1.5重量份的3号工业脂配10重量份的石灰；
在冷拔和冷轧工序中，将冷变形量控制在50％以下；
在酸洗工序中，采用的酸洗配方为：氢氟酸5％～8％重量，硝酸10％～15％重量，余量为水。
2.如权利要求1所述的高压锅炉和换热器用不锈钢无缝钢管的制造工艺，其特征在于：所述的热穿孔工序中，先将管坯缓慢加热到800℃，然后加速升温到各钢种所需的热穿孔温度，并保温足够时间，使管坯内外温度几乎一致，再进行热穿孔。
3.如权利要求1所述的高压锅炉和换热器用不锈钢无缝钢管的制造工艺，其特征在于：所述的热穿孔工序中，控制顶头前压缩率为4.5-5.0％，控制辊腰压下量为11-13％，控制穿孔椭圆度为1.07-1.10。
4.如权利要求1所述的高压锅炉和换热器用不锈钢无缝钢管的制造工艺，其特征在于：所述的热处理工序中，针对不同的钢种和不同壁厚的不锈钢管采用不同的在制品软化温度和成品固溶温度；
对于不含铌或钛的钢种，壁厚1-5mm的不锈钢管，在制品固溶温度控制在1080-1130℃，成品固溶温度控制在970-1020℃；壁厚6-10mm的不锈钢管，在制品固溶温度控制在1090-1140℃，成品固溶温度控制在980-1030℃；壁厚11-20mm的不锈钢管，在制品固溶温度控制在1110-1150℃，成品固溶温度控制在990-1040℃；
对于含铌或钛的钢种，壁厚1-5mm的不锈钢管，在制品固溶温度控制在1100-1140℃，成品固溶温度控制在970-1020℃；壁厚6-10mm的不锈钢管，在制品固溶温度控制在1110-1150℃，成品固溶温度控制在980-1030℃；壁厚11-20mm的不锈钢管，在制品固溶温度控制在1120-1160℃，成品固溶温度控制在990-1040℃。
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