CN102690995A

CN102690995A - 一种耐高温无缝钢管及其生产方法

Info

Publication number: CN102690995A
Application number: CN2012101854325A
Authority: CN
Inventors: 王金龙
Original assignee: Baotou Iron and Steel Group Co Ltd
Current assignee: Baotou Iron and Steel Group Co Ltd; Inner Mongolia Baotou Steel Union Co Ltd
Priority date: 2012-06-01
Filing date: 2012-06-01
Publication date: 2012-09-26

Abstract

本发明涉及一种耐高温无缝钢管及其生产方法，其特征在于，构成材料的质量百分比化学成分为：C 0.08～0.12；Si 0.20～0.45；Mn 0.40～0.60；Cr 8.50～9.50；Mo 0.85～1.10；Ni≤0.40；Nb 0.06～0.10；V 0.18～0.25；N 0.03～0.07；P≤0.018；S≤0.008；Al_tot≤0.01；O≤0.003，其余为Fe及不可避免的杂质，质量百分数总计100％。管坯在环形炉加热温度为1230～1260℃，管坯在横断面/长度方向上温差为±15℃。热处理采用正火+回火工艺，正火加热温度为1040～1080℃，保温时间为壁厚每1mm不少于1.5min，但不小于30min；回火温度为750～780℃，保温时间不小于1h，然后在静止空气中冷却。无缝管显微组织为回火马氏体。本发明生产效率高、可生产多规格管径、经济效益好，适合于规模化生产，具有良好的推广价值。

Description

一种耐高温无缝钢管及其生产方法

技术领域

本发明涉及一种耐高温无缝钢管及其生产方法，属于冶金材料领域。

背景技术

近年来，我国电力工业飞速发展，电厂锅炉向大容量、高参数发展。按照国家发展战略，将逐步限制和取消中小型燃煤机组，300MW以上机组将成为各大电网的主力机组。大容量、高参数机组的主蒸汽管道、再热蒸汽管道热端及其他高温承压设备的最高实际壁温已超过了600℃。一般耐高温钢要有高的蠕变断裂强度、有限的硬度、好的韧性。原先广泛应用于这些高温部件的12Cr1MoV钢高温强度、抗氧化性等均不能满足要求。目前，国内企业所需的耐高温无缝钢管主要由国外供货，且供货期长，价格昂贵，严重制约了我国电力行业的发展，从而影响了我国的经济发展速度。目前国内只有少数厂家通过锻造挤压的方法制造出了符合标准的耐高温无缝钢管，但该方法生产效率不高，成材率低，资源浪费严重，而且只能生产大管径厚壁管。所以，开发出一种生产效率高、可生产多规格管径，且各项性能均满足使用要求的耐热无缝钢管是非常必要的。

发明内容

本发明的目的是提供一种生产效率高、成才率高，且具有较好耐热性的无缝钢管及其生产方法。

为实现上述目的，本发明是通过如下措施来实现：

一种耐高温无缝钢管，其特征在于，构成材料的质量百分比化学成分为：C0.08～0.12；Si 0.20～0.45；Mn 0.40～0.60；Cr 8.50～9.50；Mo 0.85～1.10；Ni≤0.40；Nb 0.06～0.10；V 0.18～0.25；N 0.03～0.07；P≤0.018；S≤0.008；Al_tot≤0.01；O≤0.003，其余为Fe及不可避免的杂质，质量百分数总计100％。

C是钢中固溶强化作用最明显的元素，随含C量的增加，钢的强度上升，塑性、韧性下降，对马氏体钢而言，含碳量的上升会加快碳化物球化和聚集速度，加速合金元素的再分配，降低钢的焊接性、耐蚀性和抗氧化性，因此希望较低含碳量，但含碳太低，钢的强度将降低。综合考虑上述因素的影响，C控制在0.08～0.12％较合适。

Nb与V都是强碳化物形成元素，加入后能与碳形成细小而稳定的合金碳化物，有很强的弥散强化效果。在特定热处理状态会得到具有析出物如碳化物M₂₃C₆和MX(M＝V或Nb，X＝C或N)型钒/铌碳氮化物的回火马氏体组织。这些析出物通过沉淀强化而改善材料的蠕变断裂强度。另外，M₂₃C₆碳化物主要稳定马氏体组织的板条结构。但是过多的V会引起持久强度的降低。因此Nb、V控制在0.06～0.10％、0.18～0.25％较适宜。

本设计体系钢中含N为0.03～0.07％，它的作用体现在两个方面。一方面起固溶强化作用，常温下N在钢中的溶解度很小，本发明钢焊后热影响区在焊接加热和焊后热处理过程中，将先后出现VN的固溶和析出过程：焊接加热时热影响区内已形成的奥氏体组织由于VN的溶入，N含量增加，此后常温组织中的过饱和程度提高，在随后的焊后热处理中有细小的VN析出，这增加了组织稳定性，提高了热影响区的持久强度值。另一方面，钢中还含有少量Al，N能与其形成AlN，AlN在1100℃以上才大量溶入基体，在较低温度下又重新析出，能起到较好的弥散强化效果。但较高的Al含量，将会削弱其他元素所起的作用，同时也强烈降低钢的持久性能，因此将Al含量控制在0.010％以下。

Cr主要是提高耐热钢的抗氧化性、抗腐蚀能力，含铬量小于5％时，600℃开始剧烈氧化，而含铬量达5％时就具有良好的抗氧化性。当含Cr量提高到9％左右，使用温度能达到650℃，主要就是使基体中溶有更多的铬。因此，将其控制在8.50～9.50％范围内。加入Mo主要是为了提高钢的热强性，起到固溶强化的作用。S和S化物在晶界偏析，削弱晶界，形成孔洞，从而引起晶界脆化和蠕变脆化。因此严格控制S、P以及其他有害元素的含量，降低O、H气体含量，同时要使成分均匀化。

无缝钢管生产主要工艺为：铁水→转炉冶炼→LF精炼→VD脱气→圆坯连铸→管坯加热→穿孔→轧制→定径→冷床→矫直→探伤→热处理→探伤。

管坯在环形炉中加热温度为1230～1260℃，管坯在横断面/长度方向上温差为±15℃。由于本发明体系钢种的合金含量高，化学成分复杂，变形过程中，变形抗力大，塑性低，属于难轧品种，因此对环型炉的炉温进行了严格控制。炉温较低时，由于溶入奥氏体的Mo、V、Nb碳化物增多，阻碍晶界长大的作用被削弱，晶粒迅速长大从而导致变形不均匀，使塑性降低；温度较高时，会发生过热现象，δ铁素体量迅速增加，钢的塑性和韧性也都下降。综合考虑上述问题，并结合生产实际，把管坯在环形炉加热温度控制在1230～1260℃之间，此时该钢种具有较好的塑性，能保证轧制的顺利进行。为使轧制过程中管坯变形均匀，轧制后钢的尺寸精度高，外径偏差和壁厚偏差均较小，管坯加热温度均匀性要好，在横断面/长度方向上温差为±15℃。

本发明的工艺中关键控制工序为热处理工序，热处理采用正火+回火工艺，正火加热温度为1040～1080℃，保温时间为壁厚每1mm不少于1.5min，总保温时间不小于30min。本发明钢种合金含量较高，使其热传导系数降低，所以保温时间要适当增加，以使大部分碳化物溶解但并不发生明显的晶粒长大，正火温度高于1080℃则容易出现奥氏体晶粒粗化，同时保证正火后钢管内外表面温度降到Ms点以下，从而得到完全的马氏体。回火温度为750～780℃，保温时间不小于1h，然后在静止空气中冷却。无缝管显微组织为回火马氏体，回火后马氏体组织中碳化物能均匀析出，从而提高材料的蠕变性能。

本发明的优点是：通过在Cr-Mo型合金结构钢的基础上添加V、Nb、N等元素进行微合金化，大大提高了钢的持久强度和抗蠕变性能，同时保持了原Cr-Mo型合金结构钢优良的抗高温腐蚀性能，产品适合于作为大容量、高参数火电机组620℃以下锅炉过热器和再热器的材料。本发明生产效率高、可生产多规格管径、经济效益好，适合于规模化生产，具有良好的推广价值。

具体实施方式

实施例1

材料的质量百分比化学成分为：C 0.09；Si 0.40；Mn 0.56；Cr 9.15；Mo 1.01；Nb 0.09；V 0.21；N 0.05；P、S、Al_tot、O、Ni含量符合体系设计要求；其余为Fe及不可避免的杂质，质量百分数总计100％。所生产无缝管规格为Φ121×20mm，环形炉加热制度和热处理制度按设计要求执行。

钢管的抗拉强度、屈服强度、断后伸长率、冲击功、硬度(HB)分别为635MPa、465MPa、28.3％、105J、188；100、200、300、400、500、600℃高温屈服强度分别为445、435、430、415、375、265MPa。620℃时，通过外推法得到10万h持久强度为74.5MPa，抗氧化性能符合1级“完全抗氧化性”(＜0.1g/(m²·h))，具有较高的抗氧化性能；1万h的时效试验表明，钢的冲击韧性、硬度、强度与塑性指标都未见明显变化，说明该钢性能稳定，适于制造高温管。

钢中各类夹杂物级别均不大于1.0级，成品管晶粒度为8.5级，显微组织为回火马氏体。

实施例2

材料的质量百分比化学成分为：C 0.10；Si 0.41；Mn 0.52；Cr 9.06；Mo 1.05；Nb 0.09；V 0.20；N 0.05；P、S、Al_tot、O、Ni含量符合体系设计要求；其余为Fe及不可避免的杂质，质量百分数总计100％。所生产无缝管规格为Φ121×20mm，环形炉加热制度和热处理制度按设计要求执行。

钢管的抗拉强度、屈服强度、断后伸长率、冲击功、硬度(HB)分别为645MPa、460MPa、27.1％、115J、191；100、200、300、400、500、600℃高温屈服强度分别为460、445、440、410、350、285MPa。钢中各类夹杂物级别均不大于1.5级，成品管晶粒度为8.0级，显微组织为回火马氏体。

实施例3

材料的质量百分比化学成分为：C 0.09；Si 0.38；Mn 0.49；Cr 9.21；Mo 1.00；Nb 0.08；V 0.22；N 0.07；P、S、Al_tot、O、Ni含量符合体系设计要求；其余为Fe及不可避免的杂质，质量百分数总计100％。所生产无缝管规格为Φ159×20mm，环形炉加热制度和热处理制度按设计要求执行。

钢管的抗拉强度、屈服强度、断后伸长率、冲击功、硬度(HB)分别为630MPa、435MPa、29.4％、95J、178；100、200、300、400、500、600℃高温屈服强度分别为435、420、415、395、335、265MPa。钢中各类夹杂物级别均不大于1.5级，成品管晶粒度为8.0级，显微组织为回火马氏体。

实施例4

材料的质量百分比化学成分为：C 0.11；Si 0.39；Mn 0.51；Cr 9.17；Mo 1.06；Nb 0.08；V 0.21；N 0.06；P、S、Al_tot、O、Ni含量符合体系设计要求；其余为Fe及不可避免的杂质，质量百分数总计100％。所生产无缝管规格为Φ159×20mm，环形炉加热制度和热处理制度按设计要求执行。

钢管的抗拉强度、屈服强度、断后伸长率、冲击功、硬度(HB)分别为650MPa、470MPa、27.0％、109J、181；100、200、300、400、500、600℃高温屈服强度分别为455、440、425、405、345、270MPa。钢中各类夹杂物级别均不大于1.5级，成品管晶粒度为8.5级，显微组织为回火马氏体。

Claims

1.一种耐高温无缝钢管，其特征在于，构成材料的质量百分比化学成分为：C 0.08～0.12；Si 0.20～0.45；Mn 0.40～0.60；Cr 8.50～9.50；Mo 0.85～1.10；Ni≤0.40；Nb 0.06～0.10；V 0.18～0.25；N 0.03～0.07；P≤0.018；S≤0.008；Al_tot≤0.01；O≤0.003，其余为Fe及不可避免的杂质，质量百分数总计100％。

2.一种根据权利要求1所述的耐高温无缝钢管的生产方法，其特征在于，管坯在环形炉加热温度为1230～1260℃，管坯在横断面/长度方向上温差为±15℃；热处理采用正火+回火工艺，正火加热温度为1040～1080℃，保温时间为壁厚每1mm不少于1.5min，但不小于30min；回火温度为750～780℃，保温时间不小于1h，然后在静止空气中冷却。

3.根据权利要求2所述的耐高温无缝钢管的生产方法，其特征在于，无缝管显微组织为回火马氏体。