CN101956055A

CN101956055A - 一种大口径厚壁耐热钢管的热处理方法

Info

Publication number: CN101956055A
Application number: CN2010105196585A
Authority: CN
Inventors: 刘正东; 程世长; 石如星; 包汉生; 杨钢; 干勇
Original assignee: Central Iron and Steel Research Institute
Current assignee: Central Iron and Steel Research Institute; China Iron and Steel Research Institute Group
Priority date: 2010-10-19
Filing date: 2010-10-19
Publication date: 2011-01-26

Abstract

一种大口径厚壁耐热钢管的热处理方法，属于钢的热处理技术领域。热处理参数为1050-1070℃正火，760-780℃回火，回火后空冷。优点在于，使大口径：150mm≤Φ外≤1200mm、厚壁：20mm≤W≤180mm，耐热钢管的壁厚尺寸与最佳的正火冷却方法对应起来，使得厚壁管件横截面组织均匀，性能优异，该方法简单易操作，可广泛应用于大口径厚壁耐热钢管的热处理工艺中。

Description

一种大口径厚壁耐热钢管的热处理方法

技术领域

本发明属于钢的热处理技术领域，特别是提供了一种大口径厚壁耐热钢管的热处理方法。适用于大型先进超超临界火电机组用大口径厚壁耐热管道的制造。

背景技术

超临界和超超临界发电机组能够有效提高煤电机组效率、减少污染物排放，在国内外得到了迅速发展，已经成为国际上今后火力发电机组发展的重要方向，也是中国以煤为主的能源结构中的首选发电设备。发展大容量、高参数的超超临界机组，必然要求使用更高等级的耐热钢。先进的锅炉管用钢P92是在P91的基础上发展而来，是超临界、超超临界火电机组锅炉集箱、蒸汽管道等大口径厚壁管件首选用钢。该钢已被纳入ASME SA335 Code Case 2179-6，其具体成分重量％是：C 0.07-0.13％；Si≤0.50％；Mn 0.30-0.60％；P≤0.020％；S≤0.010％；Cr 8.5-9.5％；Ni≤0.40％；W 1.5-2.0％；Mo 0.3-0.6％；Nb 0.04-0.09％；V 0.15-0.25％；N 0.03-0.07％；B 0.001-0.006％；Al＜0.04％；其余为Fe。

目前，工业生产的P92钢管壁厚、内径及管长尺寸规格繁多，壁厚由20mm-180mm不等，内径由200mm-1000mm不等，最大管坯重量可达10吨。对P92大口径厚壁耐热钢管的热处理环节，为了得到较好的力学性能，正火后的冷却过程一般需要考虑如下多个因素：

1)为获得良好的组织和性能，淬火处理要有一定的冷速控制。冷速过慢，难以得到单一的马氏体，影响性能，冷速过快(如直接水淬)则钢管易淬变形且硬度偏高(大于250HB)。

2)不同尺寸的钢管应选择的冷却介质不同。管壁较薄，正火空冷即可，管壁较厚，则需浸入液态冷却介质中强制冷却，介于中间的还有风冷、雾冷、喷淋等。

3)冷却速度越慢，钢管截面的组织性能越均匀。同一尺寸规格的钢管壁厚中心与内外边缘的冷却速率的差值，随选用冷却介质的不同而有差别，且差别较大。

正火空冷时差值最小，得到的组织与性能最为均匀。

因此，在一定的尺寸规格范围内，对于P92大口径厚壁钢管，即存在一种最佳的冷却方法，使得管壁横截面组织均匀，性能最佳。但未见有关该方面研究的报道。

目前，对于大口径厚壁管件热处理方法的研究较少，中国公开号CN101423887A提供了一种中厚壁钢管的冷却方法，将钢管的部分侵入到液态冷却介质中，旋转钢管，使钢管冷却。对于较厚的P92钢管，该方法是使用的，可以避免壁厚中心冷速较慢而出现贝氏体或者铁素体，但是，对于较小壁厚的P92钢管，若用降低液面高度来降低冷速，液面高度只接触钢管部分外表面，则会导致外表面与内表面之间，冷速梯度分布，从而导致组织性能呈梯度分布，差别较大，反而有害。

对于P92大口径厚壁钢管的热处理过程，目前缺少定量的指导技术，各生产厂家对不同尺寸规格钢管的冷却过程的探索，耗资费时，还难以达到最佳效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大口径厚壁耐热钢管的热处理方法，解决了上述技术中存在的耗资费时、还难以达到最佳效果的问题。

本发明采用ANSYS有限元分析软件模拟的温度场、棒材冷却经验冷速曲线及P92钢CCT曲线相结合方法，并利用可控冷却速度热处理试验炉进行反复探索试验，由工业生产实践数据验证后，探索出了一种大口径厚壁耐热钢管定量化的热处理方法，适用于大口径厚壁耐热钢管的热处理。包括下列内容：

1、热处理参数为：1050-1070℃(正火后根据钢管尺寸控制加速冷却)+760-780℃回火(空冷)。

2、对于不同尺寸规格的大口径厚壁钢管，正火后采用的定量的、控制冷速的热处理新技术如下：

20mm≤W(壁厚)≤33mm，150mm≤Φ_外(外径)≤600mm，采用正火空冷处理，或者冷却条件满足下列特征的冷却工艺：冷却温区在900℃-400℃范围内，该尺寸规格范围内钢管壁厚中心平均冷速V_心＞7℃/min，壁厚边缘处平均冷速V_边与V_心的差值ΔV₁＝V_边-V_心＜2.5℃/min。

33mm＜W(壁厚)≤65mm，200mm≤Φ_外(外径)≤800mm，采用吹风处理，或者冷却条件满足下列特征的冷却工艺：冷却温区在900℃-400℃范围内，该尺寸规格范围内钢管壁厚中心平均冷速V_心＞10℃/min，壁厚边缘处平均冷速V_边与V_心的差值ΔV₁＝V_边-V_心＜10℃/min。

65mm＜W(壁厚)≤100mm，230mm≤Φ_外(外径)≤1100mm，采用雾冷或喷淋处理，或者冷却条件满足下列特征的冷却工艺：冷却温区在900℃-400℃范围内，该尺寸规格范围内钢管壁厚中心平均冷速V_心＞15℃/min，壁厚边缘处平均冷速V_边与V_心的差值ΔV₁＝V_边-V_心＜20℃/min。

100mm＜W(壁厚)≤180mm，300mm≤Φ_外(外径)≤1200mm，采用油冷或者半水冷，或者冷却条件满足下列特征的冷却工艺：冷却温区在900℃-400℃范围内，该尺寸规格范围内钢管壁厚中心平均冷速V_心＞25℃/min，壁厚边缘处平均冷速V_边与V_心的差值ΔV₁＝V_边-V_心＜40℃/min。

本发明所处理的钢管的化学成分重量％为：

C 0.07-0.13％；Si≤0.50％；Mn 0.30-0.60％；P≤0.020％；S≤0.010％；Cr 8.5-9.5％；Ni≤0.40％；W 1.5-2.0％；Mo 0.3-0.6％；Nb 0.04-0.09％；V 0.15-0.25％；N 0.03-0.07％；B 0.001-0.006％；Al＜0.04％；其余为Fe。

或者化学成分重量％为：碳：0.090～0.12％；硅：＜0.3％；锰：0.40～0.6％；磷：≤0.020％；硫：≤0.010％；铬：8.5～9.0％；镍：0.1～0.3％；钨：1.7～2.0％；Mo：0.3～0.5％；铌：0.04～0.07％；钒：0.15-0.22％；氮：0.04～0.07％；硼：0.001～0.004％；钴：0.01～0.03％；铜：0.01～0.07％；铝：0～0.01％；铁：余量。

本发明的有益效果为：

本发明为大口径厚壁耐热钢管的热处理提供了定量的指导技术，上述技术方案简单明了，易操作，生产出的锅炉钢管的性能能达到以下要求：

按ASME CC2179-6：室温下，R_m≥620MPa，R_p0.2≥440MPa，A≥20％。

本发明使得厚壁管件横截面组织均匀，性能优异，可广泛应用于大口径厚壁耐热钢管的热处理工艺中。

附图说明

图1试验钢CCT曲线与不同直径合金钢棒材在空冷曲线合成图。

图2试验钢CCT曲线与不同直径合金钢棒材在油冷曲线合成图。

图3试验钢CCT曲线与不同直径合金钢棒材在水冷曲线合成图。

具体实施方式

以下用实施例对本发明做更详细地描述。这些实施例仅仅是对本发明最佳实施方式的描述，并不对本发明的范围有任何限制。

共采用了5组实施例具体的说明本发明，其中4炉为本发明具体实施例，另外1炉为比较例。5组实施例化学成分质量百分比见下表3：

表3 4组实施例与1组对比例的化学成分(wt％)

5组实施例的生产工艺如下：

采用EAF+AOD冶炼、模铸成锭，钢锭加热→穿孔机延伸→周期轧管→检查外观及尺寸→机加工→热处理→钢管精整→包装入库。

热加工工艺及热处理工艺参数见下表4：

表4 4组实施例与1组对比例的生产工艺参数

分别从上述钢管的横截面的不同位置取料，测试室温和高温短时力学性能，结果见下表5：

表5实施例与对比例的横向力学性能

由表4和表5可以看出，按本发明热处理工艺制度试制的4炉实施例能够满足ASMECC2179-6的各项性能要求，钢管横截面力学性能均匀，且强度、塑韧性指标都较优异。

比较例5(Φ610mm×102mm)由于冷速较慢，使得钢管横截面的力学性能波动较大，强度与韧性指标总体上低于4炉实施例，且塑性指标接近标准的下限。

从实施例与比较例可以看出，采用本发明所提供的定量热处理方法，可以生产出性能优异的大口径厚壁耐热锅炉钢管。

Claims

1.一种大口径厚壁耐热钢管的热处理方法，其特征在于，热处理参数为1050-1070℃正火，760-780℃回火，回火后空冷；

对于相应尺寸规格的大口径厚壁钢管，正火后采用的定量的、控制冷速的热处理参数如下：

20mm≤W≤33mm，150mm≤Φ_外≤600mm，采用正火空冷处理，或者冷却条件满足下列特征的冷却方法：冷却温区在900℃-400℃范围内，该尺寸规格范围内钢管壁厚中心平均冷速V_心＞7℃/min，壁厚边缘处平均冷速V_边与V_心的差值ΔV₁＝V_边-V_心＜2.5℃/min；

33mm＜W≤65mm，200mm≤Φ_外≤800mm，采用吹风处理，或者冷却条件满足下列特征的冷却方法：冷却温区在900℃-400℃范围内，该尺寸规格范围内钢管壁厚中心平均冷速V_心＞10℃/min，壁厚边缘处平均冷速V_边与V_心的差值ΔV₁＝V_边-V_心＜10℃/min；

65mm＜W≤100mm，230mm≤Φ_外≤1100mm，采用雾冷或喷淋处理，或者冷却条件满足下列特征的冷却方法：冷却温区在900℃-400℃范围内，该尺寸规格范围内钢管壁厚中心平均冷速V_心＞15℃/min，壁厚边缘处平均冷速V_边与V_心的差值ΔV₁＝V_边-V_心＜20℃/min；

100mm＜W≤180mm，300mm≤Φ_外≤1200mm，采用油冷，或者冷却条件满足下列特征的冷却方法：冷却温区在900℃-400℃范围内，该尺寸规格范围内钢管壁厚中心平均冷速V_心＞25℃/min，壁厚边缘处平均冷速V_边与V_心的差值ΔV₁＝V_边-V_心＜40℃/min；

其中，W为壁厚，Φ_外为外径。

2.根据权利要求1所述的热处理方法，其特征在于，钢管的化学成分重量％为：

C 0.07-0.13％；Si≤0.50％；Mn 0.30-0.60％；P≤0.020％；S≤0.010％；Cr 8.5-9.5％；Ni≤0.40％；W 1.5-2.0％；Mo 0.3-0.6％；Nb 0.04-0.09％；V 0.15-0.25％；N 0.03-0.07％；B 0.001-0.006％；Al＜0.04％；其余为Fe；

或者化学成分重量％为：碳：0.090～0.12％；硅：＜0.3％；锰：0.40～0.6％；磷：≤0.020％；硫：≤0.010％；铬：8.5～9.0％；镍：0.1～0.3％；钨：1.7～2.0％；Mo：0.3～0.5％；铌：0.04～0.07％；钒：0.15-0.22％；氮：0.04～0.07％；硼：0.001～0.004％；钴：0.01～0.03％；铜：0.01～0.07％；铝；0～0.01％；铁：余量。