CN104384191A - P92铁素体耐热钢无缝钢管的穿孔热轧生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种P92铁素体耐热钢无缝钢管的穿孔热轧生产方法，该方法是采用穿孔机进行斜轧穿孔的方法生产P92无缝钢管，该方法控制P92无缝钢管中的δ铁素体含量不大于3％，Cr当量应控制在8.6-8.95，穿孔机轧辊外径为150mm，穿孔机轧辊的周向速度控制在5.2-5.4m/s之间，穿孔顶头的直径为356mm，钢坯一次咬入后的压下率为6.2-6.6％，穿孔咬入角为11°；采用五机架连轧机组进行轧制，P92钢管的椭圆度小于1％，壁厚不均度小于等于5％。本发明的效果是可以较大幅度的提高成材率，降低生产成本。传统热挤压方法生产无缝钢管由于需要冲孔，并切除压余部分，因此成材率仅为80％，而采用穿孔热轧的方法无切除工序，管坯整部均用于制管，成材率可提高至90％以上。

Description

P92铁素体耐热钢无缝钢管的穿孔热轧生产方法

技术领域

本发明涉及用于超超临界火力发电机组用高Cr铁素体耐热钢生产技术及无缝钢管制造，特别是一种P92铁素体耐热钢无缝钢管的穿孔热轧生产方法。

背景技术

随着我国经济的快速发展，煤炭火力发电仍然是保证电力需求的重要途径。而根据国际能源局(International Energy Agency)预测，全世界于2030年总的发电量将达到33000TWh，其中煤炭火力发电所占比例仍然高达44％。我国煤炭资源蕴藏丰富，据2008年公布数据显示已探明煤炭储量约为1.3万亿吨，位居世界第三，仅次于美国和俄罗斯。2003年我国的煤炭火力发电总装机容量为28977万千瓦，约占当年总装机容量的74％。而到2007年我国煤炭火电装机容量达到55442万千瓦，约占当年总装机容量的77％。因此从发电结构来看煤炭火电装机容量不但没有降低，反而略有上升，这表明煤炭火力发电技术难以在短期内被新能源技术所取代，在一定时期内仍然是我国电力供给的主要手段。

从提高资源利用率，降低碳排放，缓解环境压力和实现可持续发展的角度来考虑，发展高效节能的超超临界和先进超超临界火力发电技术是一个重要的研究方向。提高火力发电机组的热效率和减少煤炭消耗从根本上离不开发电机组的主要参数，即蒸汽温度和蒸汽压力。然而苛刻的服役条件对于火电站用耐热钢的高温性能提出了更高的要求。

高Cr铁素体耐热钢由于其优异的高温持久性能，良好的抗蒸汽氧化性能，被广泛的用作火力发电站中的承温、承压部件。与奥氏体耐热钢相比，铁素体耐热钢具有较高的导热率，以及较低的热膨胀系数，并且生产成本相对于奥氏体耐热钢也较为低廉，因此主要用做内外温度差较大、尺寸较大的部件如主蒸汽管道、集箱、汽轮机转子等。上世纪80年代，美国橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)通过增加Cr含量至9％，添加合金元素V，Nb，成功开发了P91耐热钢，其600℃持久强度提高到80MPa以上。随后，日本新日铁开发了P92钢并应用于超超临界发电机组。P92钢是目前获得应用的铁素体耐热钢中高温性能最好的钢种之一，同样温度条件下持久强度高于120MPa。合金成分中9％的Cr含量保证了抗氧化性能，添加W元素，增加固溶强化效果，以提高长时间持久断裂强度。经过热处理，大量M23C6碳化物析出于马氏体晶界以达到强化晶界的目的，与此同时细小弥散分布的MX相由晶内析出从而强化基体。通过上述强化机制，P92钢具有优异的高温性能。

由于P92钢的化学成分较为复杂，含有多种合金成分，如Cr、Mo、W、V、Nb、B等，合金元素含量高，Cr含量达到9％左右，因此钢管在实际制造过程中仍然存在很多问题。首先ASME-SA335标准中规定的化学成分范围较大，按照标准控制化学成分容易引起δ铁素体的形成，而δ铁素体会对合金的长时间持久强度带来不利影响，因此有必要对化学成分的进一步控制，从而避免组织中形成大量δ铁素体。P92钢的高温变形抗力较大，在采用穿孔、轧制的方法生产无缝钢管时，电机负荷很大，并且钢管内、外表面容易产生缺陷以及钢管尺寸偏差较大等问题。因此生产P92无缝钢管需要确定合理的穿孔、轧制工艺。

发明内容

本发明的目的是优化P92钢的化学成分从而控制组织中δ铁素体的含量，提供一种P92铁素体耐热钢无缝钢管的穿孔热轧生产方法，能够达到合理的穿孔、热轧工艺生产P92无缝钢管，并保证生产钢管的几何尺寸、金相组织以及力学性能满足相关标准的要求。

本发明提供一种P92铁素体耐热钢无缝钢管的穿孔热轧生产方法，该方法是采用穿孔机进行斜轧穿孔的方法生产P92无缝钢管，其中：该方法控制P92无缝钢管中的δ铁素体含量不大于3％，Cr当量应控制在8.6-8.95，穿孔机轧辊外径为150mm，穿孔机轧辊的周向速度控制在5.2-5.4m/s之间，穿孔顶头的直径为356mm，钢坯一次咬入后的压下率为6.2-6.6％，穿孔咬入角为11°；随后采用五机架连轧机组进行轧制，进一步控制钢管尺寸，连轧过程采用直径为365.8mm的限动芯棒，热轧后，P92钢管的椭圆度小于1％，壁厚不均度小于等于5％。

本发明的效果是可以较大幅度的提高成材率，降低生产成本。传统热挤压方法生产无缝钢管由于需要冲孔，并切除压余部分，因此成材率仅为80％，而采用穿孔热轧的方法无切除工序，管坯整部均用于制管，因此成材率可提高至90％以上。满足ASME-SA999标准要求。经过正火和回火热处理后，钢管的各项力学性能满足ASME-SA335标准要求。

附图说明

图1为本发明P92管坯低倍照片；

图2为本发明P92穿孔过程示意图；

图3为本发明经热处理后钢管的金相组织；

图4为本发明P92钢坯退火后金相组织；

图5为本发明试制P92无缝钢管的高温拉伸性能。

图中：

a、钢坯b、顶头c、轧辊

具体实施方式

结合附图对本发明的P92铁素体耐热钢无缝钢管的穿孔热轧生产方法加以说明。

本发明提供的P92铁素体耐热钢无缝钢管的穿孔热轧生产方法，该方法是采用穿孔机进行斜轧穿孔的方法生产P92无缝钢管，该方法控制P92无缝钢管中的δ铁素体含量不大于3％，Cr当量应控制在8.6-8.95，穿孔机轧辊外径为150mm，穿孔机轧辊的周向速度控制在5.2-5.4m/s之间，穿孔顶头的直径为356mm，钢坯一次咬入后的压下率为6.2-6.6％，穿孔咬入角为11°；随后采用五机架连轧机组进行轧制，进一步控制钢管尺寸，连轧过程采用直径为365.8mm的限动芯棒，热轧后，P92钢管的椭圆度小于1％，壁厚不均度小于等于5％。

由于ASME-SA335标准中对P92钢化学成分的规定比较宽泛，按照标准控制P92化学成分极易产生大量的δ铁素体。为了抑制δ铁素体的形成，P92钢的Cr当量需要严格控制。Cr当量计算公式为：Cr_eq.＝Cr+0.8Si+2Mo+1W+4V+2Nb+l.7Al+60B+lTa+2Ti-2Ni-0.4Mn-0.6Co-06Cu-20N-20C。控制P92钢的Cr当量范围处于8.6-8.95，可以保证钢坯中δ铁素体的含量小于3％。

P92炼钢工艺流程为电弧炉冶炼，降低磷、硫含量。LF炉精炼，进一步去除有害元素并进行合金化，其中Cr元素的添加方式为向钢包中兑入预先熔化的高Cr铁水，这样有利于降低精炼时间，提高生产效率。VD真空脱气，模铸和锻造，锻造后退火。然后锯切，进行管坯质量检验。图1为管坯宏观腐蚀后的照片，可以看出P92钢坯中没有裂纹、疏松、气泡和夹杂等缺陷。

P92钢坯经过环形炉加热至1230-1280℃后，进入穿孔机进行斜轧穿孔，图2为穿孔过程示意图，图中箭头所指为钢坯前进方向。穿孔过程采用锥形轧辊和合金导板，穿孔后的毛管具有壁厚均匀，椭圆度小，几何尺寸精度高，并且内外表面光滑。穿孔辊外径为1500mm，由于试制P92钢坯a的合金含量较高，为了降低穿孔电机负荷，需要降低穿孔轧辊的转速，轧辊的周向线速度控制在5.2-5.4m/s，顶头b规格为356mm，钢坯a一次咬入后的压下率为6.2-6.6％，穿孔咬入角为11°。随后毛管经PQF连轧机组轧制，轧制过程中采用5机架连轧，每个连轧机架采用3个轧辊c，因此孔形相比两辊机架圆度更好，孔形半径差小，有利于轧制过程中管件的均匀变形。此外，连轧过程中采用限动芯棒，芯棒直径为365.8mm。其特点是芯棒在轧制过程中控制运行速度，使芯棒以恒定速率前进，这样可以避免不规律的金属流动，因此有效的提高了钢管的尺寸精度和内外表面质量，为了保证良好的钢管内表面质量，芯棒表面采用石墨粉进行润滑。钢管经过连轧后的出口速度为2m/s。随后对钢管进行热处理，包括正火处理为1050-1080℃保温90分钟，回火处理为760～780℃保温120分钟。

实施例1：P92钢的成分控制

P92钢坯的化学成分控制如下表所示，可以看出不同炉次的化学成分均满足ASME-SA335标准要求。需要指出的是Cr当量值均控制在8.6～8.95之间，经过光学显微镜观察，金相组织中的δ铁素体含量均小于3％，图3为钢坯退火态金相组织照片，可以看出钢坯中没有形成大量的δ铁素体，因此有利于提高P92钢在高温变形过程中的组织稳定性。

表1 P92钢坯的化学成分，wt％

实施例2：试制P92无缝钢管的穿孔和轧制工艺

所用管坯1尺寸为外径410mm，长度3550mm，试制钢管的目标尺寸为406.4×42mm。P92钢坯经环形炉加热，环形炉设定温度分别为1230℃，然后对钢坯进行斜轧穿孔，穿孔辊外径为1500mm，为了降低穿孔电机负荷，需要降低穿孔轧辊的转速，轧辊的周向线速度控制在5.4m/s，顶头规格为356mm，钢坯一次咬入的压下率为6.2％，穿孔咬入角为11°。随后毛管经PQF连轧机组轧制，轧制过程中采用五机架连轧，每个连轧机架采用三个轧辊3，钢管的终轧温度为970℃。热轧后的钢管经过无损探伤，没有发现各种裂纹、分层等缺陷。对热轧后无缝钢管的外径和壁厚进行测量，共测量三点，测量间隔不小于1000mm。外径测定方法为每隔22.5°位置测量一个数值，壁厚测量方法为每隔45°测定一个数值，测量结果见表2。可以看出试制钢管尺寸精度较高，满足ASME-SA999标准要求。

表2试制P92钢管的几何尺寸

实施例3：试制P92无缝钢管的穿孔和轧制工艺

所用管坯1尺寸为外径410mm，长度3520mm，试制钢管的目标尺寸为406.4×42mm。P92钢坯经环形炉加热，环形炉设定温度为1280℃，对钢坯进行斜轧穿孔，穿孔辊外径为1500mm，轧辊的周向线速度控制为5.2m/s，顶头规格为356mm，钢坯一次咬入后的压下率为6.6％，穿孔咬入角为11°。随后毛管经PQF连轧机组轧制，轧制过程中采用五机架连轧，每个连轧机架采用三个轧辊3，连轧机的出口速度为2m/s。热轧后的钢管经过无损探伤，没有发现各种裂纹、分层等缺陷。钢管的终轧温度为985℃。对热轧后无缝钢管的外径和壁厚进行测量，共测量3点，测量间隔不小于1000mm。外径测定方法为每隔22.5°位置测量一个数值，壁厚测量方法为每隔45°测定一个数值，测量结果见表3。可以看出试制钢管尺寸精度较高，满足ASME-SA999标准要求。

表3试制P92钢管的几何尺寸

实施例4：热处理后P92钢管的力学性能

钢管经不同温度的正火与回火处理，正火温度范围为1050-1080℃，回火温度范围为760-780℃。热处理后的金相组织如图4所示，为回火马氏体。室温拉伸试验采用圆柱形拉伸试样，取样方式为沿钢管横截面方向，试验方法按照ASTM-A370标准执行，拉伸试验结果见表3。可以看出试制的P92钢管室温拉伸性能完全满足ASME-SA335标准要求。

表3 P92钢管室温拉伸试验结果

除此之外，还对不同热处理后钢管进行了室温布氏硬度检验，沿钢管横截面取样，试验方法按ASTM-A370标准执行，试验结果见表4。由表中可以看出，经过不同热处理后的试样布氏硬度值均满足标准要求。

表4 P92钢管室温布氏硬度值

高温拉伸试验方法按GB/T4338-2006标准执行，选取横向Φ6.4mm的圆柱形试样。可以看出，随着试验温度的升高，试样的屈服强度与断裂强度逐渐降低，而断面收缩率与延伸率逐渐增加。图5为不同温度下的各项高温拉伸性能指标，图中蓝线为GB5310标准所规定的断裂强度值。从中可以看出，试制P92钢管在不同温度下的短时高温断裂强度完全符合标准要求。

Claims (1)

1.一种P92铁素体耐热钢无缝钢管的穿孔热轧生产方法，该方法是采用穿孔机进行斜轧穿孔的方法生产P92无缝钢管，其特征是：该方法控制P92无缝钢管中的δ铁素体含量不大于3％，Cr当量应控制在8.6-8.95，穿孔机轧辊外径为150mm，穿孔机轧辊的周向速度控制在5.2-5.4m/s之间，穿孔顶头的直径为356mm，钢坯一次咬入后的压下率为6.2-6.6％，穿孔咬入角为11°；随后采用五机架连轧机组进行轧制，进一步控制钢管尺寸，连轧过程采用直径为365.8mm的限动芯棒，热轧后，P92钢管的椭圆度小于1％，壁厚不均度小于等于5％。