CN108754084B - 提高马氏体耐热钢大口径厚壁管径向组织均匀性方法 - Google Patents

提高马氏体耐热钢大口径厚壁管径向组织均匀性方法 Download PDF

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Abstract

一种提高马氏体耐热钢大口径厚壁管径向组织均匀性方法，属于钢铁材料技术领域。步骤：采用热挤压后的管坯，装炉，以加热速度100～120℃/h升温至930‑980℃，保温1～6小时，然后冷却至740℃±10℃保温60～100小时，随炉冷却；装炉，以加热速度100～120℃/h升温至980～1000℃，尽快升温至1040～1100℃，透保后保温1～3h，空冷或水淬至室温；回火制度：装炉，以加热速度130～150℃/h升温至回火温度780±10℃，保温时间3～5h，空冷至室温。优点在于，不仅消除了组织遗传性，改善厚壁管径向温度场，而且晶粒细化，大大改善厚壁管径向组织与性能的均匀性。

Description

提高马氏体耐热钢大口径厚壁管径向组织均匀性方法
技术领域
本发明属于钢铁材料领域，涉及一种提高马氏体耐热钢大口径厚壁管径向组织均匀性方法，提高了新型马氏体耐热钢壁厚60～150mm大口径厚壁管径向组织均匀性，尤其适用于630～650℃蒸汽参数超(超)临界火电机组相关管道制造。
背景技术
提高火电机组蒸汽参数是提高机组热效率和实现节煤减排的最重要措施。
目前，我国几家大型电力单位正积极筹建世界首台630℃超超临界燃煤示范电站；与此同时，受国家能源局委托，电力规划总院已多次组织召开650℃超超临界燃煤发电技术可行性研讨会。
耐热材料是制约火电机组向更高参数发展的主要“瓶颈”问题。研究及实践表明，P92型马氏体耐热钢可用于628℃蒸汽温度以下部分大口径锅炉管道的制造。专利ZL201210574445.1“650℃蒸汽温度超超临界火电机组用钢及制备方法”，是我国自主研制的可用于650℃蒸汽参数超超临界火电机组的新型马氏体耐热钢，企业牌号：G115，其室温拉伸性能、冲击性能、高温力学性能和持久性能均远远高于GB5310和ASME标准中的P92钢；同时，其也高于专利CN 101680065 B“铁素体类耐热钢”(即SAVE12AD)相同条件下的持久强度值约20～30％。我国自主研制的新型马氏体耐热钢G115可用于620℃-650℃蒸汽温度大口径锅炉管制造，此材料已成为我国630～650℃超超临界燃煤示范电站主蒸汽管道的唯一材料，在国家推动创新驱动发展的今天，具有重要的现实意义。
目前，超超临界电站锅炉用大口径厚壁无缝管规格为外径Φ273mm～1066mm，壁厚20mm～130mm。我国生产大口径厚壁耐热钢管和耐热合金管主要采用垂直热挤压方法，与传统方法相比，此方法具有明显优势，详见专利CN 101706019 B。新型马氏体耐热钢G115大口径厚壁管生产制造也采用垂直热挤压技术。
专利CN 106216415 B“提高大口径厚壁管垂直热挤压过程壁厚均匀性方法”，通过特定形状的管坯，并结合优化控制挤压过程热变形参数，达到提高大口径厚壁管垂直热挤压过程壁厚均匀性的目的。
垂直热挤压后的大口径厚壁管需要进行成品管整体热处理。G115钢是新型马氏体耐热钢，其大口径厚壁管现有技术的热处理方法如图1所示，此方法极易造成晶粒粗大，同时径向组织与性能不均匀，并且钢管的壁厚尺寸越大，其晶粒越粗大，径向组织与性能不均匀性越严重。以2×1000MW的630℃超超临界机组示范项目为例，采用新型马氏体耐热钢G115材料作为主蒸汽管道，计算的管道壁厚可达150mm，若采用常规热处理方法，不但晶粒粗大，且径向不同位置组织与性能差异非常显著，严重影响630℃超超临界电站锅炉服役安全性。
专利CN 103938134 B“提高耐热合金厚壁挤压管径向组织均匀性的方法”，利用感应加热，实现耐热合金挤压前径向温差，弥补挤压过程内外表面温差，达到耐热合金管挤压后径向组织均匀的目的。
专利CN 103614524 A“一种获得马氏体耐热钢高持久性能的热处理方法”，通过二次回火热处理工艺，使得初始析出相尺寸细小，且数量增加，因此在长时服役过程中，析出相对位错和板条界的钉扎作用能够维持在较高的水平，从而使得试样的持久性能高于传统热处理制度处理后的持久性能。
专利CN 101956055 A“一种大口径厚壁耐热钢管的热处理方法”，根据不同外径和壁厚，通过900～400℃温度范围控制冷速的热处理方法。
专利CN 101899556 B“高温承压用铁素体耐热钢细化粗化晶粒的热处理方法”：提出了一种针对10Cr9Mo1VNbN或10Cr9MoW2VNbBN铁素体耐热钢细化粗化晶粒的热处理方法。
目前，国内、外关于钢管大口径厚壁管径向组织和性能均匀性方面的报道非常少。我国已开展10多轮次G115钢大口径厚壁管的工业化试制，工业制造水平已世界前列，厚壁管的热处理水平属于前沿领域，必须依靠我国一线工程科技人才自主解决。随着我国630℃超超临界燃煤示范电站建设工期临近，新型马氏体耐热钢G115是该示范机组主蒸汽管道的唯一材料，因此发明一种提高G115钢大口径厚壁管径向组织和性能均匀性方法迫在眉捷。
发明内容
本发明目的在于提供一种提高新型马氏体耐热钢大口径厚壁管径向组织和性能均匀性的方法，解决了壁厚60～150mm新型马氏体耐热钢G115大口径厚壁管径向组织和性能不均匀的问题，克服现在技术所存在的不足。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明包括以下步骤：
(1)采用热挤压后的管坯，500℃装炉，以加热速度100～120℃/h升温至930-980℃，保温1～6小时，然后冷却至740℃±10℃保温60～100小时，随炉冷却至200℃以下；
(2)采用500℃以下装炉，以加热速度100～120℃/h升温至980～1000℃，透保时间按0.5～1min/mm，然后尽快升温至1040～1100℃，透保，透保时间按0.5～0.8min/mm，透保后保温1～3h，空冷或水淬至室温；
(3)回火制度：采用600℃以下装炉，以加热速度130～150℃/h升温至回火温度780±10℃，保温时间3～5h，空冷至室温。
所述的马氏体耐热钢的化学成分质量百分比如下(wt.％)：C 0.07～0.10％；Si≤0.5％；Mn 0.3～0.7％；P≤0.004％；S≤0.002％；Cr 8.5～9.5％；W 2.5～3.5％；Co 2.5～3.5％；Nb 0.03～0.07％；V 0.10～0.30％；Cu 0.8～1.0％；N 0.007～0.011％；B 0.011～0.020％；Ni≤0.01％；Al≤0.005％；Ti≤0.01％；Zr≤0.01％；余量为Fe；
所述的马氏体耐热钢大口径厚壁管的壁厚为60～150mm。
本发明内容的构成要点立足于以下认识：
具有粗大原奥氏体晶粒的钢在重新奥氏体化后，晶粒度维持原有的等级，从而晶粒粗大与不均匀难以消除的现象称为钢的组织遗传特性。通常认为，该现象由于非平衡组织在奥氏体化时，形成片状奥氏体组织并与母相呈K-S位向关系，从而维持晶粒的粗大形态。G115钢长时等温退火可得到近似平衡态组织，即铁素体+碳化物+Laves相，从而消除组织遗传特性。
对于耐热钢来言，一定的晶粒尺寸要求对钢的持久强度性能和强度-韧性匹配至关重要，因此，必须合理控制新型马氏体耐热钢的晶粒尺寸。研究表明，新型马氏体耐热钢G115属于9Cr-3W-3Co系铁素体类耐热钢，其AC3点为890℃。当加热温度超过890℃时，新型马氏体耐热钢将发生奥氏体化，奥氏体化过程包括三个方面，即奥氏体的形核、长大和成分均匀化。奥氏体化温度越高，奥氏体长大越显著，其晶粒越粗大。
壁厚为90mm的G115大口径管，采用传统热处理加热方法，当外表面温度达到1080℃，内表面的温度为930℃。当内壁完全达到设定温度1080℃时，需要透保时间约2小时，如再保温1小时，此时外表面已保温3小时，而内表面只保温了1小时。钢管1/2壁厚处及内表面的温升是通过外表面沿壁厚方向不断热传导传递的。在1080℃如此高温下，外表面至内表面的温度场不均匀，势必造成径向晶粒尺寸不均匀。
G115钢在980℃和1000℃保温1小时后晶粒尺寸观察如图2和图3所示。可以看出，当在980℃和1000℃保温1小时后，G115钢管的晶粒尺寸均匀、细小，平均晶粒尺寸约3～5um。为缩小内、外表面正火过程的温度场差异，如若在980～1000℃进行透保，然后再快速加热至设定奥氏体化温度，可有效降低内、外表面奥氏体化过程温度场差异，进而改善径向组织均匀性。
本发明具有的优点和有益效果：本发明从消除组织遗传性角度，在正火+回火热处理前，先对管坯进行奥氏体化后预冷，随后进行等温退火，等温退火得到G115钢近似平衡态组织，即铁素体+碳化物+Laves相，从而在后续正火重新加热过程中消除组织遗传性，晶粒细化。同时通过阶梯加热，大大改善G115钢大口径厚壁管热处理正火加热过程的温度场，不仅改善厚壁管径向温度场，而且其晶粒不易粗化，大大改善厚壁管径向组织与性能的均匀性。采用本发明技术方案，获得G115大口径厚壁管(壁厚60～150mm)平均晶粒度3～6级，且径向组织和性能均匀性良好。同时室温力学性能如下：拉伸强度性能：试验温度为23℃时，抗拉强度Rm(σb)≥760MPa；屈服强度Rp0.2(σ0.2)≥620MPa。冲击韧性性能：试验温度为20℃时，冲击功AKV≥60J。与现有技术对比，性能差异降低率60％以上。
说明书附图
图1为G115现有技术标准规定的正常热处理工艺曲线图。
图2为G115本发明创新的热处理工艺曲线图。
图3为G115钢980℃奥氏体化后金相组织图。
图4为G115钢1000℃奥氏体化后金相组织图。
图5为G115钢大口径厚壁管现有技术热处理后的金相组织图。
图6为G115钢大口径厚壁管本发明热处理后的内1/4壁厚处金相组织图。
图7为G115钢大口径厚壁管本发明热处理后的1/2壁厚处金相组织图。
图8为G115钢大口径厚壁管本发明热处理后的外1/4壁厚处金相组织图。
具体实施方式
下面将结合具体实施例对本发明作进一步描述，但不限于本发明实施例。
实施例1
本发明实施例新型马氏体耐热钢(G115)主要成分重量百分比为(wt.％)：C：0.080％；Cr：8.99％；Si：0.30％；Mn：0.50％；Co：3.01％；W：2.81％；V：0.21％；Nb：0.53％；N：0.008％；B：0.014％；Cu：0.8％；P：0.001％；S：0.0005％；Ni：0.01％；Al：0.005％；Ti：0.01％；Zr：0.01％；余量为Fe。
本发明按上述成分EAF+LF+VD工艺冶炼钢水40吨，浇注3支钢锭，选取其中的两支进行垂直热挤压，两件产品规格皆为外径Φ680mm×壁厚140mm×长4000mm的G115大口径厚壁耐热钢管。一件按现有技术实施；另一件按本发明工艺实施。
现有技术实施如下：装炉温度550℃，透保后以130℃/h加热至1080℃，透保时间2小时，然后再保温1小时，出炉后快速水淬至室温；再将钢管进行回火处理，即装炉温度550℃，快速加热至780℃，保温4小时，出炉空冷。
本发明特殊工艺如下：(1)装炉温度500℃，以加热速度100℃/h升温至950℃，保温4.5小时，然后冷却至740℃±10℃保温80小时，随炉冷却至200℃；(2)装炉温度550℃，以加热速度110℃/h升温至1000℃，保温2小时，然后以150℃/h快速升温至1080℃，保温3小时，水淬至室温；(3)回火处理，即装炉温度550℃，以加热速率150℃/h加热至780℃，保温4小时，出炉空冷至室温。
经上述相同挤压工艺后的两支G115钢管进行后续不同处理。常规热处理后的金相组织图见图5所示；本发明热处理后的金相组织图分别见图6～图8。常规热处理与本发明热处理后的马氏体耐热钢大口径厚壁管的力学性能及性能差异分别如表1和表2所示。
表1
Figure BDA0001747992450000051
表2
Figure BDA0001747992450000052
Figure BDA0001747992450000061
表2中差异降低率由公式(1)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60～80％，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。
Figure BDA0001747992450000062

Claims (1)

1.一种提高马氏体耐热钢大口径厚壁管径向组织均匀性方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)采用热挤压后的管坯，500℃装炉，以加热速度100～120℃/h升温至930-980℃，保温1～6小时，然后冷却至740℃±10℃保温60～100小时，随炉冷却至200℃以下；
(2)采用500℃以下装炉，以加热速度100～120℃/h升温至980～1000℃，透保时间按0.5～1min/mm，然后尽快升温至1040～1100℃，透保，透保时间按0.5～0.8min/mm，透保后保温1～3h，空冷或水淬至室温；
(3)回火制度：采用600℃以下装炉，以加热速度130～150℃/h升温至回火温度780±10℃，保温时间3～5h，空冷至室温；
所述的马氏体耐热钢的化学成分质量百分比如下：C 0.07～0.10％；Si≤0.5％；Mn0.3～0.7％；P≤0.004％；S≤0.002％；Cr 8.5～9.5％；W2.5～3.5％；Co 2.5～3.5％；Nb0.03～0.07％；V 0.10～0.30％；Cu 0.8～1.0％；N 0.007～0.011％；B 0.011～0.020％；Ni≤0.01％；Al≤0.005％；Ti≤0.01％；Zr≤0.01％；余量为Fe及其它不避免的杂质；
所述的马氏体耐热钢大口径厚壁管的壁厚为60～150mm。
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