CN103938134B - 提高耐热合金厚壁挤压管径向组织均匀性的方法 - Google Patents

Abstract

一种提高耐热合金厚壁挤压管径向组织均匀性的方法，属于耐热合金管热加工技术领域。工艺为：管坯尺寸规格为外径Ф450mm～Ф1145mm、内径Ф150～Ф350mm，管坯装炉前表面涂一层防护涂料，装炉温度500℃～700℃，保温使内外温度一致，以10～50℃的加热速率加热至800～1000℃，保温1～4h，然后利用低频或中频电磁感应炉加热至挤压温度，挤压温度范围为1180～1250℃，使电磁透入深度为管坯厚度的2/5～1/2，并且径向温差10～60℃。挤压速度20mm/s～150mm/s，并保证最终挤压温度高于1000～1050℃。坯料外表面喷涂玻璃粉，粒度：80～150目，玻璃膜厚度0.2～0.5mm，再包覆一层保温棉；坯料内表面玻璃粉粒度：60～120目，挤压芯棒包裹一层玻璃润滑布；坯料与模具之间加垫玻璃垫，玻璃垫厚度20～100mm，挤压后水淬冷却。显著提高了壁厚为30～100mm挤压管径向组织均匀性。

Description

提高耐热合金厚壁挤压管径向组织均匀性的方法

技术领域

本发明属于耐热合金管的热加工技术领域，特别涉及一种提高耐热合金厚壁挤压管径向组织均匀性的方法，提高了耐热合金壁厚30～100mm挤压管径向组织均匀性，尤其适用于700℃蒸汽参数超超临界火电机组相关管道制造。

背景技术

随着雾霾天气逐渐增多，我国面临的环保压力越来越大。燃煤火电站是排污大户，进一步提高蒸汽参数以降低煤耗、减少污染物排放是未来燃煤火电机组的发展方向。耐热材料是制约燃煤火电机组向更高参数发展的最主要“瓶颈”问题，而耐热合金已成为700℃超超临界火电机组高温段相关管道的首选材料。耐热合金变形特点主要有：1)工艺塑性低，热加工温度窗口窄；2)变形抗力高；3)没有多晶转变和相的重结晶，而有较高的再结晶温度。因此，耐热合金管的制造比传统的耐热钢管(如P91/92)的制造要困难的多。

目前，我国生产大口径厚壁钢管主要采用垂直热挤压方法，其优势明显，详见专利CN101706019B。耐热合金大口径厚壁管的生产制备也采用此方法，合金管规格为Ф273～Ф500mm，壁厚30～100mm，但目前中国还没有制备大口径厚壁耐热合金管的相关经验。热挤压过程是制备大口径厚壁管工艺中的关键环节，包括挤压前的加热、挤压过程保温与润滑、挤压过程工艺参数控制及挤压后的冷却。常规热挤压加热采用均温挤压，即管坯出炉时内、外表面温度均匀一致；玻璃润滑剂选择只考虑挤压温度范围，没有考虑挤压温升及挤压速度对玻璃润滑剂粘度的影响；挤压后常采用空冷，未考虑厚壁管空冷时的静态再结晶及晶粒长大现象。因此，采用垂直热挤压常规方法生产的大口径厚壁管的内、外表面组织和性能存在较显著的不均匀性。挤压管的壁厚越厚，其径向组织不均匀性越明显。

镍基耐热合金是低层错能材料，热加工变形时主要发生动态再结晶，温度和摩擦是影响动态再结晶的主要因素。热挤压时，管坯外表面与挤压筒接触，即使进行保温处理，管坯内表面由于挤压变形出现温升现象，温升范围10℃～100℃左右，会造成热挤压时管坯内、外表面的温度差异，导致金属流动不均匀；另外，挤压筒与管坯外表面之间、管坯内表面与挤压芯棒之间，特别管坯与模具之间的摩擦都显著影响着金属流动均匀性，进而影响内、外表面的动态再结晶，使得挤压管内表面发生完全动态再结晶，外表面则发生局部动态再结晶。完全再结晶的晶粒细小、均匀，而局部再结晶的晶粒呈“项链状”分布，大小很不均匀。通常大口径厚壁管挤压后进行空冷，管外表面与空气直接接触冷却较快，“项链状”的不均匀晶粒被保留下来，见图1；内表面和1/2壁厚处温度降低缓慢，高温下发生静态再结晶和晶粒长大，特别1/2壁厚处，晶粒长大明显，因此内表面与1/2壁厚处的组织又呈现出不均匀并导致成品管性能的不均匀性，分别如图2和图3。这一问题给未来700℃蒸汽参数燃煤火电站服役运行带来很大的不安全性，目前还没有很好的解决。

发明内容：

本发明目的在于提供一种提高耐热合金厚壁挤压管径向组织均匀性的方法，克服现有技术所存在的不安全等缺陷，解决了壁厚30～100mm挤压管径向组织不均匀的问题。

本发明的工艺包括管坯加热、挤压速度与润滑效果组配以及挤压管的冷却；工艺中控制的技术参数如下：

(1)管坯加热：所述的空心管坯规格为外径Ф450mm～Ф1145mm、内径Ф150～Ф350mm，管坯装炉前用刷子在其表面涂一层防氧化涂料，装炉温度500℃～700℃，保温使内外温度一致，以10～50℃/h的加热速率在低温预热炉中加热至800～1000℃，保温1～4h，然后利用低频或中频电磁感应炉以20～80℃/h的加热速率加热至挤压温度，挤压温度范围为1180～1250℃，调节不同的频率，使电磁透入深度为管坯厚度的2/5～1/2，且径向温度差10～60℃。

根据理论与实践，电流透入深度和频率的选择满足下式：

y=591×f-0.5-C            (1)

式中：y为电流透入深度，mm；f为电磁场交变频率，Hz；C为常数，取2～10，频率越大，C取值越小。

本发明实现径向温差最短加热时间满足下式：#

$t=14.8\×{10}^3\×\frac{A+1}{A-1}\×W^2---\left(2\right)$

式中，t为保证一定径向温差最短加热时间，s；W为空心坯壁厚，m；A为温度系数。

其中温度系数A满足下式：

$A=\frac{T_J}{T_J-2\×\mathrm{\ΔT}}---\left(3\right)$

式中，T_J为挤压温度，℃；△T为目标径向温差，℃。

(2)挤压速度与润滑效果组配：

热挤压工艺参数：模具预热温度300℃～500℃，挤压速度20mm/s～150mm/s，挤压比4～13，并保证最终挤压温度高于1000℃～1050℃；玻璃润滑剂选择要充分考虑耐热合金挤压温度范围及大口径厚壁管慢挤压速率的特点。坯料外表面喷涂玻璃粉，粒度：80～150目，玻璃膜厚度0.2～0.5mm，再包覆一层保温棉；坯料内表面玻璃粉粒度：60～120目，同时芯棒上包裹一层玻璃布；坯料与模具之间加垫玻璃垫，粒度：80～120目，玻璃垫厚度20～100mm。

(3)热挤压后的冷却：水淬冷却。

需要说明的是，上述工艺现场实施中凡有夹持管坯或与管坯接触的机械臂，都需对其进行保温棉包裹，再夹持移动管坯，以防管坯表面热量通过机械臂热传导散失。

所述的耐热合金挤压管的壁厚为30～100mm；挤压后采用水淬冷却或其它相同效果的冷却方式。

本发明内容的构成要点立足于以下认识：

电磁感应加热具有集肤效应的特点，并且电磁透入深度与频率选择有关，频率越高，集肤效应越明显，电磁透入深度越浅。电磁透入深度以内，利用感应涡流直接加热，而透入深度以外通过耐热合金本身热传导向内表面传热，可实现管坯内、外表面径向温度差。挤压温升是有限度的，此径向温度差可弥补管坯内表面由于变形热而引起的温升，有利于降低热挤压过程中管坯内、外表面的温度差，提高金属流动均匀性；摩擦影响应力分布：改善管坯外表面与挤压筒之间的摩擦可降低挤压力，改善管坯内表面与挤压芯棒之间的摩擦以及管坯底端与挤压模具之间的摩擦可最大限度地降低金属流动不均匀性。在一定的挤压温度范围内，玻璃润滑剂最重要的特性—粘性与挤压速度有很大关系，利用挤压速度与玻璃润滑最佳效果的配合，可有效改善挤压过程各环节的润滑。快速冷却可防止挤压后内表面及1/2壁厚处发生静态再结晶和晶粒长大，进一步改善径向组织的均匀性，以达到性能的均匀性。

本发明所述耐热合金的化学成分重量百分比为：C0.04-0.08％；Cr19-23％；Co11-21％；Mo5.0-10.0％；Ti0.3-2.4％；Al0.3-0.6％；W0.1-1.0％；B0.002-0.006％；Zr0-0.15％；Nb＜0.5％；V≤0.5％；N≤0.015％；Mg＜0.02％；Ni为余量以及杂质元素。

本发明具有的优点和有益效果：通过电磁感应实现管坯径向温度差，优化挤压过程保温与润滑和挤压速度与润滑的组配，使热挤压时内、外表面的径向温差缩小到5～35℃，同时改变挤压后冷却方式，显著降低了挤压管径向组织的不均匀性，提高径向性能的均匀性，使内、外表面的室温冲击性能差异率降低80％，室温拉伸性能、700℃高温拉伸性能差异降低率达到70～80％之间。

附图说明

图1为常规技术挤压管外表面纵向金相。

图2为常规技术挤压管内表面纵向金相。

图3为常规技术挤压管1/2壁厚处纵向金相。

图4为本发明技术挤压管外表面纵向金相。

图5为本发明技术挤压管内表面纵向金相。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步的描述，但不限于本发明实施例。

实施例1

本发明实施例耐热合金主要成分重量百分比为：C:0.05％；Cr:22.3％；Co:11.8％；Mo:7.9％；Ti:0.42％；Al:1.06％；B:0.0035％；Zr:0.05％；Nb:0.04％；V:0.21％；Ni为余量以及杂质元素。产品规格为外径Ф460mm×壁厚80mm的大口径耐热合金厚壁管。

本发明按上述成分真空感应VIM+真空自耗VAR冶炼，制作外径Ф760mm×长1000mm×壁厚260mm的管坯，选取两件进行对比热挤压。一件按常规加热炉加热、保温与润滑以及挤压后空冷；另一件按本发明工艺实施，即径向温差加热、挤压速度与润滑相配合以及挤压后水淬冷却。

常规热挤压工艺如下：采用600℃装炉，透保后20℃/h加热至800℃，保温4h，随后以60℃/h的加热速率加热到挤压温度1200℃，保温3h，出炉时管坯内、外壁温度一致。管坯外涂玻璃粉为844-7，粒度：120目；内涂粉选用国产A5粉，粒度：100目；管坯与模具之间的玻璃垫选用国产A5粉，粒度：80目，厚度50mm；挤压速度50mm/s；挤压后空冷。

本发明特殊工艺如下：采用600℃装炉，透保后20℃/h加热至800℃，保温4h，再利用感应炉加热至1200℃，频率设定30Hz，感应加热时间约6.5h，径向温差最大50℃。管坯外涂粉粒度：110目，喷涂厚度0.4mm，内涂粉粒度：110目；管坯与模具之间的玻璃垫粒度：100目，厚度50mm；挤压速度40mm/s；挤压后快速水淬冷却。经本发明后厚壁管挤压态内、外表面金相如图4和图5所示，与现有常规技术相比，径向组织不均匀性得到明显改善。

经上述两种挤压工艺后的对比管在相同的热处理制度下固溶处理。两种挤压管力学性能及性能差异分别如表1和表2所示。

表1

表2

表2中差异降低率由公式(4)给出。由表2可以看出，采用本发明特殊工艺生产的挤压管径向性能差异比常规工艺降低率达70～80％，采用本发明工艺生产的耐热合金挤压管径向组织和性能明显优于采用常规技术方式。

Claims (2)

1.一种提高耐热合金厚壁挤压管径向组织均匀性的方法，工艺包括管坯加热、挤压速度与润滑效果组配以及挤压管的冷却，其特征在于：工艺中控制的技术参数如下：

(1)管坯加热：空心管坯规格为外径Ф450mm～Ф1145mm、内径Ф150～Ф350mm，管坯装炉前用刷子在其表面涂一层防氧化涂料，装炉温度500℃～700℃，保温使内外温度一致，以10～50℃/h的加热速率在低温预热炉中加热至800～1000℃，保温1～4h，然后利用低频或中频电磁感应炉以20～80℃/h的加热速率加热至挤压温度，挤压温度范围为1180～1250℃，调节不同的频率，使电磁透入深度为管坯厚度的2/5～1/2，且径向温度差10～60℃；

电流透入深度和频率的选择满足下式：

         y=591 × f^-0.5-C       (1) 

式中：y为电流透入深度，单位：mm；f为电磁场交变频率，Hz；C为常数，取2～10；

径向温差加热时间满足下式：

式中，t为保证一定径向温差最短加热时间，s；W为空心坯壁厚，m；A为温度系数；其中温度系数A满足下式：

式中，T_J为挤压温度，℃；△T为目标径向温差，℃；

(2)挤压速度与润滑效果组配：

热挤压工艺参数：模具预热温度300℃～500℃，挤压速度20mm/s～150mm/s，挤压比4～13，并保证最终挤压温度1000℃～1050℃；坯料外表面喷涂玻璃粉，粒度：80～150目，玻璃膜厚度0.2～0.5mm，再包覆一层保温棉；坯料内表面玻璃粉粒度：60～120目，同时芯棒上包裹一层玻璃布；坯料与模具之间加垫玻璃垫，粒度：80～120目，玻璃垫厚度20～100mm；

(3)热挤压后的冷却：水淬冷却。

2.如权利要求1所述的提高耐热合金厚壁挤压管径向组织均匀性的方法，其特征在于，所述的耐热合金挤压管的壁厚为30～100mm。