CN107937831A - 压力容器用12Cr2Mo1V合金钢及其锻造热处理工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种压力容器用12Cr2Mo1V合金钢，所述12Cr2Mo1V合金钢的化学成分以重量百分比计，其主要组份包括C、Si、Mn、P、S、Cr、Mo、V、Ti、B、Nb、Ni和Al；残余元素包括As、Sn、Sb、Cu、Ca和部分气体元素，余量为Fe及不可避免的杂质。该合金钢的锻造热处理工艺中坯料的锻造过程为5次火，锻造比为8，坯料的初始加热温度定在1250℃，每一工序的终锻温度要求大于900℃，最后一火的终锻温度大于860℃%；再经过退火、淬火、回火的热处理工艺得到满足要求的合金钢。本发明制备的合金钢具有较高的常温和高温强度、硬度，良好的低温冲击韧性、抗回火脆性及较高的蠕变强度和高温持久强度。

Description

压力容器用12Cr2Mo1V合金钢及其锻造热处理工艺
技术领域
本发明涉及钢材料的加工工艺技术领域，具体的说是一种压力容器用12Cr2Mo1V合金钢及其锻造热处理工艺。
背景技术
近年来，从炼油工业、煤化工容器、核电压力容器工业的发展趋势看，装备技术与装置正在逐步向大型化、高参数化方向发展，无疑对压力容器结构件的加工设备提出了更高的要求，由于受加工设备（如卷板设备等）能力的限制，压力容器用结构件逐渐倾向于采用锻焊结构，同时，压力容器的高温、高压等苛刻的操作条件对材料的选择提出了更高要求，12Cr2Mo1V合金钢具有比12Cr2Mo1合金钢更高的蠕变强度和高温持久强度，是重型锻焊式压力容器的理想材料。NB/T47008-2017标准《承压设备用碳素钢和合金钢锻件》对12Cr2Mo1V钢材料成分及性能有了明确规定，但是要想获得综合性能优异的12Cr2Mo1V钢重型锻焊式压力容器锻件，需要对材料成分配比进行优化，并合理选择锻件的冶炼、锻造和热处理工艺。
发明内容
本发明的目的是提供一种压力容器用12Cr2Mo1V合金钢及其锻造热处理工艺，保证在强度、硬度、低温冲击韧性、抗回火脆性及高温持久强度等综合性能方面满足标准的要求。
为达到上述目的，本发明所采取的技术方案为：
一种压力容器用12Cr2Mo1V合金钢，所述12Cr2Mo1V合金钢的化学成分以重量百分比计，包含以下组份C：0.14-0.15%；Si：0.04-0.09%；Mn：0.55-0.60%；P：≤0.005%；S：≤0.003%；Cr：2.40-2.50%；Mo：0.95-1.05%；V：0.25-0.30%；Ti：0.010-0.030%；B：0.0008-0.0015%；Nb：0.025-0.040%；Ni：0.15-0.20%；Al：0.015-0.030%；残余元素As≤0.007%；Sn≤0.004%；Sb≤0.003%；Cu≤0.08%；Ca≤0.015%；气体元素[H]≤0.00015%；[O]≤0.0020%；[N]≤0.0070%；余量为Fe及不可避免的杂质。
一种压力容器用12Cr2Mo1V合金钢的锻造热处理工艺，该合金钢的化学成分满足上述要求，制备12Cr2Mo1V合金钢的原料采用EBT电弧炉-LF炉精炼-VD真空精炼-模铸工艺路线进行钢锭的冶炼浇注，形成圆柱形坯料，坯料的锻造过程为5次火，锻造比为8，具体包括以下步骤：
步骤一、倒棱，将坯料第一次加热至温度1250℃，保温7小时，确保坯料烧匀烧透，出炉，粗压钳口，倒棱，在上下平型砧中倒棱至坯料的外径尺寸为D1；再精压钳口，终锻温度≥900℃；
步骤二、镦粗，将经过步骤一处理的坯料再次加热至温度1250℃，保温6小时，出炉，在镦粗漏盘中镦粗，上加球面镦粗板整体镦粗，将坯料镦至外径尺寸为D2，高度尺寸为H1，终锻温度≥900℃；
步骤三、第一次拔长，将经过步骤二处理的坯料第三次加热至温度1250℃，保温6小时，出炉，采用WHF锻造法，使用宽度为1000mm的宽砧进行强压拔长，压下量300-200mm，至坯料的横截面边长尺寸为L1，倒角、倒圆至坯料的外径尺寸为D3，剁冒口端①及水口端②，坯料的下料长度尺寸为L2，终锻温度≥900℃；
步骤四、冲中心孔，将经过步骤三处理的坯料第四次加热至温度1250℃，保温4小时，出炉，将坯料镦粗至高度尺寸为H2，外径尺寸为D4，用直径D5=450mm的空心冲头冲中心孔，去芯料，马架扩孔至中心孔的尺寸为D6，此时坯料的外径尺寸为D7，终锻温度≥900℃；
步骤五、第二次拔长，将经过步骤四处理的坯料用直径为500mm的芯棒在上平、下V型砧中拔长，先拔两端，再拔中间，并确保壁厚均匀，然后上马架扩孔、整形，得到满足设计尺寸要求的锻件，终锻温度≥860℃；
将经过上述步骤锻造过的锻件再进行热处理，得到符合设计要求的压力容器用12Cr2Mo1V合金钢。
优选的，所述锻件的热处理工艺包括以下步骤：
退火：将待热处理锻件放入热处理炉内，400℃保温4h，热处理炉以≤60℃/h的升温速度加热至710±10℃保温8h，再以≤120℃/h的升温速度加热至930±10℃保温8h，以≤70℃/h的降温速度随炉冷却到400℃出炉空冷；
淬火：将退火后的锻件在≤400℃时装炉，以≤100℃/h的升温速度加热至930±10℃保温8h，出炉水冷；
回火：将淬火后的锻件在≤400℃时第三次装炉，以≤100℃/h的升温速度加热至710±10℃保温8h，出炉空冷，得到符合设计要求的压力容器用12Cr2Mo1V合金钢。
优选的，所述淬火步骤中锻件为获得良好的组织及综合力学性能，要求锻件淬火入水前的水温≤25℃；在淬火操作时，采用提淬法，即将加热刚出炉的锻件完全入水保持2min后，迅速提出水面打破锻件表面气膜，重复2次，再将锻件入水，实现锻件的快速冷却。
本发明所述12Cr2Mo1V合金钢的化学成分在NB/T47008-2017标准《承压设备用碳素钢和合金钢锻件》要求范围基础上进行了优化，其中C元素含量是保证合金钢强度满足标准要求的主要因素，C元素含量低，强度满足不了要求；C元素含量高，会降低12Cr2Mo1V合金钢的低温韧性和焊接性，考虑到该钢种属于低合金钢，因此C元素含量控制在标准要求范围的上限。Si元素是铁素体形成的主要元素，是强化因子也是促进脆化因子，Si元素自己不会引起脆化，而是对P元素的脆化起促进作用：当P元素含量高时，Si元素常会把P元素挤到晶界处（锻后热处理冷却速度慢时、回火次数多而造成回火参数Pt值大于某值时也会使脆化因子晶界析出）；而O元素也会和Si元素结合成SiO2类氧化物夹杂其中，并且富集至晶界处，导致晶界处脆化；适量的Si元素含量能降低奥氏体转变温度，从而抑制先共析铁素体的析出，有利于形成细小的贝氏体组织，从而提高合金钢的强度和韧性；Mn元素、Ni元素由于既能提高钢的淬透性又能提高钢的低温韧性，因此Mn元素、Ni元素控制在标准要求范围的中上限。Mo元素既能提高钢的淬透性，又可以减轻钢的回火脆性，所以Mo元素含量应控制在标准要求范围的上限；V元素可以提高钢的淬透性和高温力学性能并能细化晶粒，且具有沉淀强化作用，但过多的V元素容易产生锻造裂纹，所以V元素控制在标准要求范围的中限。Ti元素与V元素的作用类似，热处理后析出TiC稳定碳化物。Nb元素属于合金钢中的微合金元素，需要严格控制其含量，Nb元素含量过高会使钢锭心部偏析粗大，出现Nb元素的碳化物，从而导致合金钢的韧性下降，所以控制Nb元素的含量不易过高。本发明所述压力容器用12Cr2Mo1V合金钢对Cu、As、Sn、Sb等有害元素的限制极为严格，对上述有害元素提出了极为严格的控制要求。本发明所述压力容器用12Cr2Mo1V合金钢具有良好的纯净度，并有良好的塑性、韧性，对S、P、H、O、N等有害元素和气体元素都要求较严格。
本发明所述的压力容器用12Cr2Mo1V合金钢采用常规的冶炼浇注工艺。
本发明的有益效果：
（1）本发明通过优化压力容器用12Cr2Mo1V合金钢成分配比和合理选择冶炼、锻造及热处理工艺，使得12Cr2Mo1V合金钢锻件具有较高的常温和高温强度、硬度，良好的低温冲击韧性、抗回火脆性及较高的蠕变强度和高温持久强度，经多次生产验证测定其强度、硬度满足NB/T47008-2017标准《承压设备用碳素钢和合金钢锻件》的要求；
（2）利用本发明所述工艺制造的压力容器用12Cr2Mo1V合金钢-30℃低温冲击韧性（Kv2）＞300J，回火脆性敏感性评定VTr54+3.0ΔVTr54＜-80℃，各项性能指标均具有较大的富余量。
（3）本发明所述的压力容器用12Cr2Mo1V合金钢锻件的锻造、热处理工艺容易实施，获得的合金钢钢锭满足设计的要求。
附图说明
图1是锻造工艺步骤一倒棱的坯料结构示意图；
图2是锻造工艺步骤二镦粗的坯料结构示意图；
图3、图4是锻造工艺步骤三第一次拔长的坯料结构示意图；
图5、图6是锻造工艺步骤四冲中心孔的坯料结构示意图；
图7是锻造工艺步骤五第二次拔长的锻件结构示意图；
图8、图9是制备完成的锻件的贝氏体显微组织图片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
一种压力容器用12Cr2Mo1V合金钢，所述12Cr2Mo1V合金钢的化学成分以重量百分比计，包含以下组份C：0.14-0.15%；Si：0.04-0.09%；Mn：0.55-0.60%；P：≤0.005%；S：≤0.003%；Cr：2.40-2.50%；Mo：0.95-1.05%；V：0.25-0.30%；Ti：0.010-0.030%；B：0.0008-0.0015%；Nb：0.025-0.040%；Ni：0.15-0.20%；Al：0.015-0.030%；残余元素As≤0.007%；Sn≤0.004%；Sb≤0.003%；Cu≤0.08%；Ca≤0.015%；气体元素[H]≤0.00015%；[O]≤0.0020%；[N]≤0.0070%；余量为Fe及不可避免的杂质。
一种压力容器用12Cr2Mo1V合金钢的锻造热处理工艺，该合金钢的化学成分满足上述要求，制备12Cr2Mo1V合金钢的原料采用EBT电弧炉-LF炉精炼-VD真空精炼-模铸工艺路线进行钢锭的冶炼浇注，形成圆柱形坯料，坯料的锻造过程为5次火，锻造比为8，以尺寸为外径D=1335mm、内径d=865mm、长L=1950mm筒体锻件为例进行说明。根据锻件重量采用20T规格的坯料，坯料的初始加热温度定在1250℃，每一工序的终锻温度要求大于900℃，在最后一火的成形阶段，为了控制成品锻件的晶粒度并得到均匀细化的组织，允许终锻温度大于860℃。锻造工艺具体包括以下步骤：
步骤一、倒棱，如图1所示，将坯料第一次加热至温度1250℃，保温7小时，确保坯料烧匀烧透，出炉，粗压钳口，倒棱，在上下平型砧中倒棱至坯料的外径尺寸为D1=1000mm；再精压钳口，终锻温度≥900℃；
步骤二、镦粗，如图2所示，将经过步骤一处理的坯料再次加热至温度1250℃，保温6小时，出炉，在镦粗漏盘中镦粗，上加球面镦粗板整体镦粗，将坯料镦至外径尺寸为D2=2000mm，高度尺寸为H1=600mm，终锻温度≥900℃；
步骤三、第一次拔长，如图3所示，将经过步骤二处理的坯料第三次加热至温度1250℃，保温6小时，出炉，采用WHF锻造法，如图4所示，使用宽度为1000mm的宽砧进行强压拔长，压下量300-200mm，至坯料的横截面边长尺寸为L1=1050mm，倒角、倒圆至坯料的外径尺寸为D3=1100mm，剁冒口端①及水口端②，坯料的下料长度尺寸为L2=1950mm，终锻温度≥900℃；
步骤四、冲中心孔，如图5、图6所示，将经过步骤三处理的坯料第四次加热至温度1250℃，保温4小时，出炉，将坯料镦粗至高度尺寸为H2≈1000mm，外径尺寸为D4=1700mm，用直径D5=450mm的空心冲头冲中心孔，去芯料，马架扩孔至中心孔的尺寸为D6=550mm，此时坯料的外径尺寸为D7=1200mm，终锻温度≥900℃；
步骤五、第二次拔长，将经过步骤四处理的坯料用直径为500mm的芯棒在上平、下V型砧中拔长，先拔两端，再拔中间，并确保壁厚均匀，然后上马架扩孔、整形，得到满足设计尺寸要求的锻件，如图7所示，终锻温度≥860℃；
所述锻件的热处理工艺包括以下步骤：
退火：将待热处理锻件放入热处理炉内，400℃保温4h，热处理炉以≤60℃/h的升温速度加热至710±10℃保温8h，再以≤120℃/h的升温速度加热至930±10℃保温8h，以≤70℃/h的降温速度随炉冷却到400℃出炉空冷；
淬火：将退火后的锻件在≤400℃时装炉，以≤100℃/h的升温速度加热至930±10℃保温8h，出炉水冷；锻件为获得良好的组织及综合力学性能，要求锻件淬火入水前的水温≤25℃；在淬火操作时，采用提淬法，即将加热刚出炉的锻件完全入水保持2min后，迅速提出水面打破锻件表面气膜，重复2次，再将锻件入水，实现锻件的快速冷却。
回火：将淬火后的锻件在≤400℃时第三次装炉，以≤100℃/h的升温速度加热至710±10℃保温8h，出炉空冷，得到符合设计要求的压力容器用12Cr2Mo1V合金钢。
对按照本发明所述的方法制备的锻件取两组试样分别进行性能检测，包括室温屈服强度（Rel）和抗拉强度（Rm），450℃高温屈服强度（Rel），-30℃低温冲击韧性（Kv2），奥氏体晶粒度，A、B、C、D、Ds类非金属夹杂物，回火脆性敏感性评定，高温持久试验，检测结果如下：
第一组试样：室温屈服强度（Rel）为549MPa和抗拉强度（Rm）为660MPa，450℃高温屈服强度（Rel）为480MPa，硬度为198HB，-30℃低温冲击韧性（Kv2）为307J，奥氏体晶粒度为9.0级，A、B、C、D、Ds类非金属夹杂物均小于0.5级，回火脆性敏感性评定VTr54+3.0ΔVTr54= -87℃，显微组织为贝氏体回火组织（如图8所示）。
第二组试样：室温屈服强度（Rel）为542MPa和抗拉强度（Rm）为654MPa，450℃高温屈服强度（Rel）为478MPa，硬度为197HB，-30℃低温冲击韧性（Kv2）为310J，奥氏体晶粒度为9.0级，A、B、C、D、Ds类非金属夹杂物均小于0.5级，回火脆性敏感性评定VTr54+3.0ΔVTr54=-90℃，显微组织为贝氏体回火组织（如图9所示）。
高温持久试验：试样在温度为540℃、应力为210MPa下保持1000h未断裂。
本发明通过优化压力容器用12Cr2Mo1V合金钢成分配比和合理选择冶炼、锻造及热处理工艺，使得12Cr2Mo1V合金钢锻件具有较高的常温和高温强度、硬度，良好的低温冲击韧性、抗回火脆性及较高的蠕变强度和高温持久强度，经多次生产验证测定其强度、硬度满足NB/T47008-2017标准《承压设备用碳素钢和合金钢锻件》的要求；利用本发明所述工艺制造的压力容器用12Cr2Mo1V合金钢-30℃低温冲击韧性（Kv2）＞300J，回火脆性敏感性评定VTr54+3.0ΔVTr54＜-80℃，各项性能指标均具有较大的富余量。

Claims (4)

1.一种压力容器用12Cr2Mo1V合金钢，其特征在于：所述12Cr2Mo1V合金钢的化学成分以重量百分比计，包含以下组份C：0.14-0.15%；Si：0.04-0.09%；Mn：0.55-0.60%；P：≤0.005%；S：≤0.003%；Cr：2.40-2.50%；Mo：0.95-1.05%；V：0.25-0.30%；Ti：0.010-0.030%；B：0.0008-0.0015%；Nb：0.025-0.040%；Ni：0.15-0.20%；Al：0.015-0.030%；残余元素As≤0.007%；Sn≤0.004%；Sb≤0.003%；Cu≤0.08%；Ca≤0.015%；气体元素[H]≤0.00015%；[O]≤0.0020%；[N]≤0.0070%；余量为Fe及不可避免的杂质。
2.一种压力容器用12Cr2Mo1V合金钢的锻造热处理工艺，该合金钢的化学成分满足权利要求1的要求，其特征在于：制备12Cr2Mo1V合金钢的原料采用EBT电弧炉-LF炉精炼-VD真空精炼-模铸工艺路线进行钢锭的冶炼浇注，形成圆柱形坯料，坯料的锻造过程为5次火，锻造比为8，具体包括以下步骤：
步骤一、倒棱，将坯料第一次加热至温度1250℃，保温7小时，确保坯料烧匀烧透，出炉，粗压钳口，倒棱，在上下平型砧中倒棱至坯料的外径尺寸为D1；再精压钳口，终锻温度≥900℃；
步骤二、镦粗，将经过步骤一处理的坯料再次加热至温度1250℃，保温6小时，出炉，在镦粗漏盘中镦粗，上加球面镦粗板整体镦粗，将坯料镦至外径尺寸为D2，高度尺寸为H1，终锻温度≥900℃；
步骤三、第一次拔长，将经过步骤二处理的坯料第三次加热至温度1250℃，保温6小时，出炉，采用WHF锻造法，使用宽度为1000mm的宽砧进行强压拔长，压下量300-200mm，至坯料的横截面边长尺寸为L1，倒角、倒圆至坯料的外径尺寸为D3，剁冒口端①及水口端②，坯料的下料长度尺寸为L2，终锻温度≥900℃；
步骤四、冲中心孔，将经过步骤三处理的坯料第四次加热至温度1250℃，保温4小时，出炉，将坯料镦粗至高度尺寸为H2，外径尺寸为D4，用直径D5=450mm的空心冲头冲中心孔，去芯料，马架扩孔至中心孔的尺寸为D6，此时坯料的外径尺寸为D7，终锻温度≥900℃；
步骤五、第二次拔长，将经过步骤四处理的坯料用直径为500mm的芯棒在上平、下V型砧中拔长，先拔两端，再拔中间，并确保壁厚均匀，然后上马架扩孔、整形，得到满足设计尺寸要求的锻件，终锻温度≥860℃；
将经过上述步骤锻造过的锻件再进行热处理，得到符合设计要求的压力容器用12Cr2Mo1V合金钢。
3.根据权利要求2所述的压力容器用12Cr2Mo1V合金钢的锻造热处理工艺，其特征在于：所述锻件的热处理工艺包括以下步骤：
退火：将待热处理锻件放入热处理炉内，400℃保温4h，热处理炉以≤60℃/h的升温速度加热至710±10℃保温8h，再以≤120℃/h的升温速度加热至930±10℃保温8h，以≤70℃/h的降温速度随炉冷却到400℃出炉空冷；
淬火：将退火后的锻件在≤400℃时装炉，以≤100℃/h的升温速度加热至930±10℃保温8h，出炉水冷；
回火：将淬火后的锻件在≤400℃时第三次装炉，以≤100℃/h的升温速度加热至710±10℃保温8h，出炉空冷，得到符合设计要求的压力容器用12Cr2Mo1V合金钢。
4.根据权利要求3所述的压力容器用12Cr2Mo1V合金钢的锻造热处理工艺，其特征在于：所述淬火步骤中锻件为获得良好的组织及综合力学性能，要求锻件淬火入水前的水温≤25℃；在淬火操作时，采用提淬法，即将加热刚出炉的锻件完全入水保持2min后，迅速提出水面打破锻件表面气膜，重复2次，再将锻件入水，实现锻件的快速冷却。
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