CN101831595B - 一种2 1/4Cr-1Mo-1/4V钢锻件的快速冷却热处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种改良型2 1/4 Cr-1Mo-1/4V钢锻件，其特征是：所述各组成成分的重量百分比为：碳：0.11％～0.15％；硅：≤0.10％；锰：0.30％～0.60％；磷：≤0.01％；硫：≤0.01％；铬：2％～2.5％；钼：0.9％～1.10％；镍：≤0.20％；铜：≤0.15％；钒：0.25～0.35％；钛：≤0.30％；錋：≤0.002％；铌：≤0.07％；钙：≤0.015％，铁：余量。还公开了该锻件的自动温控充气立体循环水快速冷却热处理方法，1：锻后热处理工艺：890-990℃正火、恒温≥1h/100mm后空冷、680-720℃回火、恒温后炉冷、400℃以下限速冷却；2：调质处理工艺：900-980℃淬火、恒温1h/100mm，锻件厚度水温≤10℃，快速冷却淬火法+(回火)680℃-720℃，恒温1h/100mm，锻件厚度空冷；3：采用立体式自控温度循环水四周加气法。该锻件钢具有更高的拉伸强度，抗回火脆性，氢致损害抗力以及更低的长期高温损害敏感性。
Description
技术领域
本发明涉及一种压力容器用铬钼钢锻件的热处理方法，特别是涉及一种用于石化行业加氢反应器的改良型21/4Cr-1Mo-1/4V钢锻件及其自动温控充气立体循环水快速冷却热处理方法。
背景技术
铬钼钢加钒钢锻件主要用于石油化工行业的加氢反应器，它是用于加氢裂化，精制以及加氢重整、脱琉、脱除重金属等工艺过程的重要装置。在实际生产中为了使加氢处理达到低成本高效率，通常使用较高的服役温度(一般在400℃以上)，并且氢分压＞10mpa0，加氢反应器所接触的介质多为油气、氢、硫化氢等腐蚀性物质，是有爆炸危险的承压设备。
随着生产规模的扩大，设备的不断更新，提高加氢裂化装置，加氢裂化脱硫装置等设备的工作效率事在必行。为了提高加氢裂化，加氢裂脱硫的工作效率，必须加大加氢反应器的体积与容量，同时提高工作压力及温度，那么长期服役于严峻环境中所产生的损害腐蚀，必将导致反应器材料性能的降低，使用寿命减少，由此推动了加氢反应器制造技术的不断改进提高。
在我们国家及国外，2009年初以前生产制造的加氢反应器所用材料为普通21/4-1Mo钢，考虑到材料的强度韧性以及抗蠕变性能要求，同时提高服役温度，现开发了改良型材料21/4Cr-1Mo-1/4V钢。由于加入不同种类的微合金元素，通过碳化钒的弥散硬化提高了材料的蠕变强度，从而改善 了该钢种在高温下的应力强度。同时V又增加了C的稳定性，从而改善了该钢种的抗氢腐蚀能力。总之改良型21/4Cr-1Mo-1/4V钢具有更高的拉伸强度，抗回火脆性，氢致损害抗力以及更低的长期高温损害敏感性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供更高的拉伸强度、抗回火脆性、氢致损害抗力以及更低的长期高温损害敏感性的改良型材料21/4Cr-1Mo-1/4V锻件钢及其自动温控充气立体循环水快速冷却热处理方法。
为解决以上技术问题，本发明的优选方案一是：一种改良型21/4Cr-1Mo-1/4V钢，关键是：所述各组成成分的重量百分比为：碳：0.11％～0.15％；硅：≤0.10％；锰：0.30％～0.60％；磷：≤0.01％；硫：≤0.01％；铬：2％～2.5％；钼：0.9％～1.10％；镍：≤0.20％；铜：≤0.15％；钒：0.25～0.35％；钛：≤0.30％；錋：≤0.002％；铌：≤0.07％；钙：≤0.015％，铁：余量。
本发明的优选方案二是：一种权利要求1所述的改良型21/4-1Mo-1/4V钢钢锻件的自动温控充气立体循环水快速冷却热处理方法，关键是：
(1)：锻后热处理工艺：所述的21/4Cr-1Mo-1/4V钢的锻件应具有5级及5级以上的实际晶粒度，冷却水的温度要在锻件下水之后保持接触锻件各个温度接近相等，采取890-990℃正火、恒温≥1小时/100mm后空冷、680-720℃回火、恒温后炉冷、400℃以下限速冷却48小时；
(2)：调质处理工艺：采用900-980℃淬火、恒温1小时/100mm，锻件厚度水温≤10℃，加气立体循环水快速冷却淬火法+(回火)680℃-720℃，恒温1小时/100mm，锻件厚度空冷；
(3)：采用了立体式自控温度循环水与四周加气法。
作为本优选方案的改进一，所述的立体式自控温度循环水工艺：采用 大型容积为1000立方米循环水池，采用可控温度圆周、底面向中心，中心孔向外同时大流量可控喷水，锻件悬空吊挂旋转式淬火工艺，从而保证了锻件各部位冷却值的均等。
作为本优选方案的改进二，所述的四周加气法同时用一台大功率汽泵分支六个以上支管向锻件中心处加气的方法，从而保证了锻件热处理所要求各项性能。
采用上述技术方案的有益效果：改良型材料21/4Cr-1Mo-1/4V钢由于加入不同种类的微合金元素，通过碳化钒的弥散硬化提高了材料的蠕变强度，从而改善了该钢种在高温下的应力强度。同时V又增加了C的稳定性，从而改善了该钢种的抗氢腐蚀能力。总之改良型21/4Cr-1Mo-1/4V钢具有更高的拉伸强度、抗回火脆性、氢致损害抗力以及更低的长期高温损害敏感性；我们所研制发明的21/4Cr-1Mo-1/4V钢锻件自动温控充气立体循环水快速冷却热处理工艺非常成功，它满足了该锻件的所有化学成分要求、力学性能、金相组织晶粒度及非金属夹杂物等检验项目的一次性合格。
附图说明
图1为本发明实验用钢法兰锻件的公称尺寸示意图；
图2为本发明不同淬火温度对室温拉伸性能的影响曲线图；
图3为本发明不同淬火温度对450℃拉伸性能的影响曲线图；
图4为本发明不同淬火温度对-30℃冲击性能的影响曲线图；
图5为本发明锻后热处理工艺曲线图；
图6为本发明调质热处理工艺曲线图；
图7为立体式自控温度循环水工艺法；
图8为四周加气法。
具体实施方式
在实际生产制造过程中为了提高21/4Cr-1Mo-1/4V钢锻件的综合力学性能，我们对其热处理工艺进行了试验研究。
在我公司近期生产的加氢反应器配件中，有四件21/4Cr-1Mo-1/4V钢法兰，其公称尺寸(如图1)技术条件中要求检验锻件中心部位(T/2外)的性能，制造难度相当大。
2主要技术指标
21/4Cr-1Mo-1/4V钢锻件的化学成分见表①
| C | Si | Mn | P | S | Cr | Mo | Ni | Cu | V | Ti | B | Nb | Ca |
| 0.11-0.15 | ≤0.10 | 0.30-0.60 | ≤0.010 | ≤0.010 | 2.00-2.500 | 0.9-1.10 | ≤0.20 | ≤0.150 | 0.25-0.35 | ≤0.30 | ≤0.0020 | ≤0.07 | ≤0.015 |
21/4Cr-1Mo-1/4V钢锻件的力学性能要求见表②
3金相检验
晶粒度：锻件应具有5级及5级以上的实际晶粒度，共检验方法按GB6394/T《金属平均晶粒度测定法》进行。
4模拟试验
试验设备为程序自动控制的模拟热处理电炉，其最高加热温度为1300℃，最大冷却速度为100℃/min。
试验内容及结果：试验内容为在不同奥氏体化温度下模拟淬火热处理对比试验，将取自同一锻件的试验坯料分成不同的组，分别采用不同的奥 氏体化温度(以下各图中纵坐标代表力学性能值，横坐标代表试验温度，数字1-6的温度值依次递增)进行模拟淬火热处理，然后再将各组试验坯料在同一模拟热处理，电炉内进行初始回火+PWHT，试验结果见图1——图3。在所有试验方案中，各组试验的平均大于5级，但随着淬火温度的提高，逐渐出现混晶现象，试样淬火后的金相组织90％以上是贝氏体。
试验结果分析：
对比以上各图不难发现：21/4Cr-1Mo-1/4V钢的拉伸强度和冲击韧性之间存在着最匹配的淬火温度之间。在此范围内，随着淬火温度的提交，强度逐渐提高，但冲击功略有下降，但超过某一极限点后，强度开始下降而冲击功开始提交。
由于大锻件无法实现快速加热，故淬火温度越高晶粒度就会越粗，从而影响锻件的强度及冲击韧性，适当降低淬火温度则会使冲击韧性以及晶粒度得到明显改善，但淬火温度降的太低，由于奥氏体化时合金元素(尤其是V)溶解不充分，会使强度大幅度降低。由此可见：21/4Cr-1Mo-1/4V钢有效的淬火温度区间非常狭窄，为了得到最佳的的强、韧性匹配，必须精确控制2.25Cr-1Mo-0.25V钢的淬火温度。
5、热处理工艺试验
考虑到锻件的厚度太大，难以实现快速加热。淬火温度越高，晶粒度越粗，从而影响锻件的强度及冲击韧性。而锻后热处理对于大尺寸截面锻件的内在质量以及力学性能来讲，具有决定性的作用。为调整组织，细化晶粒，同时使锻件奥氏体成分均匀化，得到平衡组织，从而改善锻件的冲击韧性及晶粒度，以利于粗加工之后的超声波检测，确保调质后锻件检验一次性合格，对锻件进行了锻后热处理，热处理的形式为正，回火其曲线 如图4所示。
由于21/4Cr-1Mo-1/4V钢中加入了不同种类的微合金元素，淬火温度较高时，奥氏体化晶粒长大速度较快。同时奥氏体的合金化程度提高，稳定性增加，会影响细化晶粒的效果，因此在不影响奥氏体化时合金元素(尤其是V)充分溶解的前提下，适当降低了淬火温度。调质工艺见图5。
6立体式自控循环水
大型容积为1000立方米循环水池，采用可控温度圆周、底面向中心，中心孔向外同时大流量可控喷水，锻件悬空吊挂旋转式淬火工艺，从而保证了锻件各部位冷却值的均等。
同时用一台大功率汽泵分支六个以上支管向锻件中心处加气的方法，从而保证了锻件热处理所要求各项性能。
见附图7、图8所示。
7检验结果与分折
各项检验结果表明，锻件的调质热处理非常成功，该锻件的化学成分完全满足设计要求，其力学性能、金相组织、晶粒度以及非金属夹杂物等检验项目均一次性合格。详见表3。
表3检验结果
8结论
21/4Cr-1Mo-1/4V钢有效的淬火温度区间非常狭窄，为了得到最佳的强韧性匹配，我们必须精确控制21/4Cr-1Mo-1/4V钢的淬火温度和冷却水的温度，冷却水的温度要在锻件下水之后保持接触锻件各个温度接近相等。我们采取890-990℃正火，680-720℃回火的锻后热处理工艺，以及较低的淬火温度(900-980℃)并采用了立体式自控温度循环水和四周加气法，从而保证了各项性能要求。
改良型材料21/4Cr-1Mo-1/4V钢由于加入不同种类的微合金元素，通过碳化钒的弥散硬化提高了材料的蠕变强度，从而改善了该钢种在高温下的应力强度。同时V又增加了C的稳定性，从而改善了该钢种的抗氢腐蚀能力。总之改良型21/4Cr-1Mo-1/4V钢具有更高的拉伸强度、抗回火脆性、氢致损害抗力以及更低的长期高温损害敏感性。我们所研制发明的21/4Cr-1Mo-1/4V钢锻件自动温控充气立体循环水快速冷却热处理工艺非常成功，它满足了该锻件的所有化学成分要求、力学性能、金相组织晶粒度及非金属夹杂物等检验项目的一次性合格。
必须指出，上述实施例只是对本发明做出的一些非限定性举例说明。但本领域的技术人员会理解，在没有偏离本发明的宗旨和范围下，可以对本发明做出修改、替换和变更，这些修改、替换和变更仍属本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种改良型2 1/4Cr-1Mo-1/4V钢锻件的自动温控充气立体循环水快速冷却热处理方法，所述2 1/4Cr-1Mo-1/4V钢锻件各组成成分的重量百分比为：碳：0.11％～0.15％；硅：≤0.10％；锰：0.30％～0.60％；磷：≤0.01％；硫：≤0.01％；铬：2％～2.5％；钼：0.9％～1.10％；镍：≤0.20％；铜：≤0.15％；钒：0.25～0.35％；钛：≤0.30％；硼 ：≤0.002％；铌：≤0.07％；钙：≤0.015％，铁：余量；其特征在于：
(1)：锻后热处理工艺：所述的2 1/4Cr-1Mo-1/4V钢锻件应具有5级以上的实际晶粒度，冷却水的温度要在锻件下水之后保持接触锻件各个温度接近相等，采取890-990℃正火、恒温≥1小时/100mm后空冷、680-720℃回火、恒温后炉冷、400℃以下限速冷却48小时；
(2)：调质处理工艺：采用900-980℃淬火、恒温1小时/100mm，锻件厚度水温≤10℃，加气立体循环水快速冷却淬火法+回火680℃-720℃，恒温1小时/100mm，锻件空冷；
(3)：采用了立体式自控温度循环水工艺与四周加气法。
2.根据权利要求1所述的改良型2 1/4Cr-1Mo-1/4V钢锻件的自动温控充气立体循环水快速冷却热处理方法，其特征是：所述的立体式自控温度循环水工艺：采用大型容积为1000立方米以上循环水池，采用可控温度圆周、底面向中心，中心孔向外，同时大流量可控喷水，锻件悬空吊挂旋转式淬火工艺，从而保证了锻件各部位冷却值的均等。
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