CN109457181B - 一种高压锅炉用无缝钢管及其制造方法 - Google Patents

一种高压锅炉用无缝钢管及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于钢管制造技术领域，具体涉及一种高压锅炉用无缝钢管及其制造方法；以所述无缝钢管的总量为基准，按重量百分比计，所述的无缝钢管包括以下元素：C 0.14～0.48％、Si 0.52～0.68％、Mn 0.13～0.35％、Mg 0.15～0.28％、Al 0.23～0.48％、Cu 0.22～0.48％、Cr 0.03～0.07％、Ti 0.05～0.13％、Nb 0.04～0.20％、V 0.01～0.05％、其余为Fe和不可避免的杂质；本发明提供的高压锅炉用无缝钢管，在薄壁时仍能保持较高的机械强度和冲击韧性，满足高压锅炉的使用要求，降低了原料的投入成本；其组分元素协同配合，实现了晶粒的高效细化，无需额外加入晶粒细化剂进行晶粒细化处理，减少了处理工序，降低了成本。

Description

一种高压锅炉用无缝钢管及其制造方法
技术领域
本发明属于钢管制造技术领域，具体涉及一种高压锅炉用无缝钢管及其制造方法。
背景技术
高压锅炉用无缝钢管是锅炉管的一种，其对制造钢管所用的钢种、工艺有着严格的要求。高压锅炉管使用时经常处于高温和高压条件下，如高压锅炉管的常见工作环境包括工作压力为9.8MPa以上，工作温度为450℃～650℃之间。管子在高温烟气和水蒸气的作用下会发生氧化和腐蚀，因此要求钢管具有较高的持久强度，高的抗氧化腐蚀性能，并有良好的组织稳定性。现有技术中，常见的高压锅炉用无缝钢管包括牌号为20G、20MnG、15MoG、15CrMoG、12Cr2MoG、12Cr1MoVG等。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高压锅炉用无缝钢管。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种高压锅炉用无缝钢管，以所述无缝钢管的总量为基准，按重量百分比计，所述的无缝钢管包括以下元素：C 0.14～0.48％、Si 0.52～0.68％、Mn 0.13～0.35％、Mg 0.15～0.28％、Al 0.23～0.48％、Cu 0.22～0.48％、Cr 0.03～0.07％、Ti 0.05～0.13％、Nb0.04～0.20％、V 0.01～0.05％、其余为Fe和不可避免的杂质。
优选的，以所述无缝钢管的总量为基准，按重量百分比计，所述的无缝钢管包括以下元素：C 0.23～0.36％、Si 0.56～0.62％、Mn 0.21～0.29％、Mg 0.18～0.23％、Al 0.32～0.41％、Cu 0.28～0.35％、Cr 0.04～0.06％、Ti 0.08～0.11％、Nb 0.08～0.16％、V0.02～0.04％、其余为Fe和不可避免的杂质。
优选的，以所述无缝钢管的总量为基准，按重量百分比计，所述的无缝钢管包括以下元素：C 0.28％、Si 0.59％、Mn 0.26％、Mg 0.21％、Al 0.37％、Cu 0.31％、Cr 0.05％、Ti 0.09％、Nb 0.12％、V 0.03％、其余为Fe和不可避免的杂质。
本发明还提供了一种高压锅炉用无缝钢管的制造方法，包括以下步骤：
(1)冶炼钢坯，
将原料经过电炉冶炼，精炼、真空脱气以及弧形连铸，以得到钢坯；
(2)对钢坯进行加热、穿孔、轧制变形、定径、冷却，得到无缝钢管坯料；
(3)采用推制式热扩工艺扩大外径，得扩管无缝钢管；
(4)对扩管无缝钢管进行酸洗、磷化、皂化、冷拔加工；
(5)去应力退火；
(6)矫直处理，得到所述的高压锅炉用无缝钢管。
优选的，步骤(1)中，所述精炼的条件包括：采用占合金熔液重量2～3％的复合精炼剂对合金熔液进行精炼处理，所述的精炼剂包括以下重量份的组分：氟钛酸钾3～6份、硫酸钠2～5份、氯化钾4～6份、碳酸钾5～8份。
优选的，步骤(2)中，对钢坯进行加热的条件包括：将钢坯进行预热处理，一段加热、二段加热和三段加热，且在每段加热处理后进行匀热处理；
所述预热处理后钢坯温度达到650～670℃；
所述一段加热后钢坯温度达到950～970℃；
所述二段加热后钢坯温度达到1150～1160℃；
所述三段加热后钢坯温度达到1250～1270℃；
所述匀热处理的条件包括在高于各段处理温度20℃的基础上保温处理30～40min。
优选的，步骤(3)中，所述推制式热扩工艺中，热推温度为880～890℃，推进速度为160～180mm/min。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
本发明提供的高压锅炉用无缝钢管，在薄壁时仍能保持较高的机械强度和冲击韧性，满足高压锅炉的使用要求，降低了原料的投入成本；
本发明提供的高压锅炉用无缝钢管，其组分元素协同配合，实现了晶粒的高效细化，无需额外加入晶粒细化剂进行晶粒细化处理，减少了处理工序，降低了成本。
本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式中予以详细说明。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐明本发明。
本发明中所有的原料，对其来源没有特别限定，在市场上购买的或按照本领域技术人员熟知的常规方法制备的即可。
本发明中所有的原料，对其纯度没有特别限定，本发明优选采用分析纯或复合材料领域使用的常规纯度。
本发明提供了一种高压锅炉用无缝钢管，以所述无缝钢管的总量为基准，按重量百分比计，所述的无缝钢管包括以下元素：C 0.14～0.48％、Si 0.52～0.68％、Mn 0.13～0.35％、Mg 0.15～0.28％、Al 0.23～0.48％、Cu 0.22～0.48％、Cr 0.03～0.07％、Ti0.05～0.13％、Nb 0.04～0.20％、V 0.01～0.05％、其余为Fe和不可避免的杂质。
所述高压锅炉用无缝钢管的制造方法包括以下步骤：
(1)冶炼钢坯，
将原料经过电炉冶炼，精炼、真空脱气以及弧形连铸，以得到钢坯；
(2)对钢坯进行加热、穿孔、轧制变形、定径、冷却，得到无缝钢管坯料；
(3)采用推制式热扩工艺扩大外径，得扩管无缝钢管；
(4)对扩管无缝钢管进行酸洗、磷化、皂化、冷拔加工；
(5)去应力退火；
去应力退火的条件包括，在温度为660～670℃下进行，退火时间为2～3h；
(6)矫直处理，得到所述的高压锅炉用无缝钢管。
本发明提供的高压锅炉用无缝钢管的组分元素，能够保证其在薄壁状态下的机械强度和冲击韧性达到最佳，C、Si、Mn组分元素的含量超过控制范围的上限，则冲击韧性降低，而C、Mn组分元素的含量低于控制范围的下限，则机械强度低。
本发明中，相对于无缝钢管的总量而言，无缝钢管包括0.14～0.48％的C，C元素的存在能够降低无缝钢管对于开裂敏感性的降低，C元素的含量过高对于韧性的表现不利，而C元素的含量过低，会明显的降低无缝钢管的机械强度。
相对于无缝钢管的总量而言，无缝钢管包括0.52～0.68％的Si，Si元素能够与C元素形成高强度的SiC；另外，Si元素的存在能够实现脱出合金熔液中的氧，并且，Si元素还可以抑制δ铁素体结晶，从而确保无缝钢管的韧性。
相对于无缝钢管的总量而言，无缝钢管包括0.13～0.35％的Mn，Mn元素在合金中作用在于提高原料的淬透性，稳定奥氏体组织；将Mn元素的含量限定在上述范围内能够避免氢致开裂的现象发生。
相对于无缝钢管的总量而言，无缝钢管包括0.15～0.28％的Mg，Mg元素的存在能够提高合金组织的高温持久强度，确保该无缝钢管在用于高压锅炉时的可靠性，发明人推测，适量Mg元素的加入能够降低蠕变二阶段变形速率，从而显著的提高合金的综合性能。
相对于无缝钢管的总量而言，无缝钢管包括0.23～0.48％的Al，本发明中，通过添加Al元素，与Si元素配合，高效脱除原料中的氧；此外，适量的Al元素能够有效的避免夹杂物以团状出现使得无缝钢管的韧性降低并出现表面缺陷；另一方面，Al元素还具有细化晶粒，降低钢的脆性转变温度。
相对于无缝钢管的总量而言，无缝钢管包括0.22～0.48％的Cu，Cu元素在合金熔液中具有一定的固溶强化效果，配合合金熔液中存在的Al，时效析出的CuAl2有着明显的时效强化效果，从而确保在无缝钢管的薄壁时，具有较好的机械强度。
相对于无缝钢管的总量而言，无缝钢管包括0.03～0.07％的Cr，Cr元素的加入能够与C元素形成碳化物，将Cr元素的用量限定在上述范围内有利于进一步提高无缝钢管的强度和淬透性，晶粒细化程度以及回火稳定性；此外，由于合金熔液中Cr元素的存在能够有效的抑制硫醇的吸附作用。
相对于无缝钢管的总量而言，无缝钢管包括0.05～0.13％的Ti，Ti元素的存在不仅能够实现晶粒的进一步细化，并且，Ti元素能与C元素形成强碳化物，从而显著的提高合金的机械强度，使得该无缝钢管在薄壁时亦能达到满足要求的机械强度；将Ti元素的用量限定在上述范围内有利于将Ti元素对合金机械强度的提高能力达到最佳。
相对于无缝钢管的总量而言，无缝钢管包括0.04～0.20％的Nb，Nb元素和C元素所形成的碳化物能够对奥氏体晶界起到固定作用，阻碍奥氏体晶界的迁移，阻止奥氏体晶粒的长大，从而达到细化晶粒，提高强度和韧性的效果。
相对于无缝钢管的总量而言，无缝钢管包括0.01～0.05％的V，V元素的存在能够细化经理，使得钢坯在加热阶段奥氏体晶粒不至于生长的过于粗大，从而确保了在钢坯的轧制过程中保持晶粒的细化，确保无缝钢管的机械强度和冲击韧性。
本发明中，步骤(1)中，所述精炼的条件包括：采用占合金熔液重量2～3％的复合精炼剂对合金熔液进行精炼处理，所述的精炼剂包括以下重量份的组分：氟钛酸钾3～6份、硫酸钠2～5份、氯化钾4～6份、碳酸钾5～8份。
步骤(2)中，对钢坯进行加热的条件包括：将钢坯进行预热处理，一段加热、二段加热和三段加热，且在每段加热处理后进行匀热处理；
所述预热处理后钢坯温度达到650～670℃；
所述一段加热后钢坯温度达到950～970℃；
所述二段加热后钢坯温度达到1150～1160℃；
所述三段加热后钢坯温度达到1250～1270℃；
所述匀热处理的条件包括在高于各段处理温度20℃的基础上保温处理30～40min。
在对钢坯进行加热处理的过程中，通过多个阶段的加热并辅以匀热处理，使得钢管不至于因升温过快导致开裂；并且提高各组分元素的作用时间，使得钢坯在加热过程中奥氏体晶粒不至于生长的过于粗大，从而确保在轧制过程中，钢的晶粒得到进一步的细化，从而提高钢的机械强度和冲击韧性。
步骤(3)中，所述推制式热扩工艺中，热推温度为880～890℃，推进速度为160～180mm/min。所述的推制式热扩工艺即通过感应加热、以锥形芯棒为模具扩径的过程，依靠中频感应加热，将钢管局部加热到所需要的温度，随即对感应加热部分进行扩径处理。
根据本发明，本发明中，构成所述高压锅炉用无缝钢管的组分元素可以在较宽的范围内选择，为了确保制造得到的无缝钢管在薄壁时即具有较高的机械强度，满足使用要求，降低制造成本，优选条件下，以所述无缝钢管的总量为基准，按重量百分比计，所述的无缝钢管包括以下元素：C 0.23～0.36％、Si 0.56～0.62％、Mn 0.21～0.29％、Mg 0.18～0.23％、Al 0.32～0.41％、Cu 0.28～0.35％、Cr 0.04～0.06％、Ti 0.08～0.11％、Nb0.08～0.16％、V 0.02～0.04％、其余为Fe和不可避免的杂质。
进一步优选的，以所述无缝钢管的总量为基准，按重量百分比计，所述的无缝钢管包括以下元素：C 0.28％、Si 0.59％、Mn 0.26％、Mg 0.21％、Al 0.37％、Cu 0.31％、Cr0.05％、Ti 0.09％、Nb 0.12％、V 0.03％、其余为Fe和不可避免的杂质。
以下通过具体的实施例对本发明提供的高压锅炉用无缝钢管及其制造方法做出详细的说明。
实施例1
一种无缝钢管，以所述无缝钢管的总量为基准，按重量百分比计，所述的无缝钢管包括以下元素：C 0.28％、Si 0.59％、Mn 0.26％、Mg 0.21％、Al 0.37％、Cu 0.31％、Cr0.05％、Ti 0.09％、Nb 0.12％、V 0.03％、其余为Fe和不可避免的杂质；
上述无缝钢管的制造方法包括以下步骤：
(1)冶炼钢坯，
将原料经过电炉冶炼，精炼、真空脱气以及弧形连铸，以得到钢坯；
在精炼工序中，采用占合金熔液重量3％的复合精炼剂对合金熔液进行精炼处理，所述的精炼剂包括以下重量份的组分：氟钛酸钾4份、硫酸钠4份、氯化钾5份、碳酸钾6份；
(2)对钢坯进行加热、穿孔、轧制变形、定径、冷却，得到无缝钢管坯料；
对钢坯进行加热的过程中，将钢坯进行预热处理，一段加热、二段加热和三段加热，且在每段加热处理后进行匀热处理；
所述预热处理后钢坯温度达到660℃；
所述一段加热后钢坯温度达到960℃；
所述二段加热后钢坯温度达到1150℃；
所述三段加热后钢坯温度达到1260℃；
所述匀热处理的条件包括在高于各段处理温度20℃的基础上保温处理30min。
(3)采用推制式热扩工艺扩大外径，得扩管无缝钢管；所述推制式热扩工艺中，热推温度为880℃，推进速度为170mm/min；
(4)对扩管无缝钢管进行酸洗、磷化、皂化、冷拔加工；
(5)去应力退火；
(6)矫直处理，得到所述的无缝钢管。
实施例2
如实施例1提供的无缝钢管及其制造方法，不同的是，以所述无缝钢管的总量为基准，按重量百分比计，所述的无缝钢管包括以下元素：C 0.23％、Si 0.56％、Mn 0.21％、Mg0.18％、Al 0.32％、Cu 0.28％、Cr 0.04％、Ti 0.08％、Nb 0.08％、V 0.02％、其余为Fe和不可避免的杂质；
其余不变，得到无缝钢管。
实施例3
如实施例1提供的无缝钢管及其制造方法，不同的是，以所述无缝钢管的总量为基准，按重量百分比计，所述的无缝钢管包括以下元素：C 0.36％、Si 0.62％、Mn 0.29％、Mg0.23％、Al 0.41％、Cu 0.35％、Cr 0.06％、Ti 0.11％、Nb 0.16％、V 0.04％、其余为Fe和不可避免的杂质；
其余不变，得到无缝钢管。
实施例4
如实施例1提供的无缝钢管及其制造方法，不同的是，以所述无缝钢管的总量为基准，按重量百分比计，所述的无缝钢管包括以下元素：C 0.14％、Si 0.52％、Mn 0.13％、Mg0.15％、Al 0.23％、Cu 0.22％、Cr 0.03％、Ti 0.05％、Nb 0.04％、V 0.01％、其余为Fe和不可避免的杂质；
其余不变，得到无缝钢管。
实施例5
如实施例1提供的无缝钢管及其制造方法，不同的是，以所述无缝钢管的总量为基准，按重量百分比计，所述的无缝钢管包括以下元素：C 0.48％、Si 0.68％、Mn 0.35％、Mg0.28％、Al 0.48％、Cu 0.48％、Cr 0.07％、Ti 0.13％、Nb 0.20％、V 0.05％、其余为Fe和不可避免的杂质；
其余不变，得到无缝钢管。
对比例1
如实施例1提供的无缝钢管及其制造方法，不同的是，以所述无缝钢管的总量为基准，按重量百分比计，所述的无缝钢管包括以下元素：C 0.28％、Si 0.59％、Mn 0.26％、Mg0.21％、Cu 0.31％、Cr 0.05％、Ti 0.09％、Nb 0.12％、V 0.03％、其余为Fe和不可避免的杂质；
其余不变，得到无缝钢管。
对比例2
如实施例1提供的无缝钢管及其制造方法，不同的是，以所述无缝钢管的总量为基准，按重量百分比计，所述的无缝钢管包括以下元素：C 0.28％、Si 0.59％、Mn 0.26％、Mg0.21％、Al 0.37％、Cr 0.05％、Ti 0.09％、V 0.03％、其余为Fe和不可避免的杂质；
其余不变，得到无缝钢管。
对比例3
如实施例1提供的无缝钢管及其制造方法，不同的是，以所述无缝钢管的总量为基准，按重量百分比计，所述的无缝钢管包括以下元素：C 0.28％、Si 0.59％、Mn 0.26％、Al0.37％、Cu 0.31％、Cr 0.05％、Nb 0.12％、V 0.03％、其余为Fe和不可避免的杂质；
其余不变，得到无缝钢管。
实施例6
如实施例1提供的无缝钢管及其制造方法，不同的是，在无缝钢管的制造过程中，在精炼工序中，采用占合金熔液重量3％的复合精炼剂对合金熔液进行精炼处理，所述的精炼剂包括以下重量份的组分：氟钛酸钾3份、硫酸钠2份、氯化钾4份、碳酸钾5份；
其余不变，得到无缝钢管。
实施例7
如实施例1提供的无缝钢管及其制造方法，不同的是，在无缝钢管的制造过程中，在精炼工序中，采用占合金熔液重量3％的复合精炼剂对合金熔液进行精炼处理，所述的精炼剂包括以下重量份的组分：氟钛酸钾6份、硫酸钠5份、氯化钾6份、碳酸钾8份；
其余不变，得到无缝钢管。
对比例4
如实施例1提供的无缝钢管及其制造方法，不同的是，在无缝钢管的制造过程中，在精炼工序中，采用占合金熔液重量3％的复合精炼剂对合金熔液进行精炼处理，所述的精炼剂包括以下重量份的组分：氟钛酸钾2份、硫酸钠5份、氯化钾5份、碳酸钾2份；
其余不变，得到无缝钢管。
对比例5
如实施例1提供的无缝钢管及其制造方法，不同的是，在无缝钢管的制造过程中，在对钢坯进行加热过程中，将钢坯进行预热处理，一段加热、二段加热和三段加热；
所述预热处理后钢坯温度达到660℃；
所述一段加热后钢坯温度达到960℃；
所述二段加热后钢坯温度达到1150℃；
所述三段加热后钢坯温度达到1260℃；
在各段处理温度上并不进行匀热处理；
其余不变，得到无缝钢管。
测试上述实施例1-7、对比例1-5制造得到无缝钢管的性能，测试结果记录到表1中。
表1：
Figure BDA0001877843380000101
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的特点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求保护的范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种高压锅炉用无缝钢管，其特征在于，以所述无缝钢管的总量为基准，按重量百分比计，所述的无缝钢管由以下元素构成：C 0.14～0.48％、Si 0.52～0.68％、Mn 0.13～0.35％、Mg 0.15～0.28％、Al 0.23～0.48％、Cu 0.22～0.48％、Cr 0.03～0.07％、Ti0.05～0.13％、Nb 0.04～0.20％、V 0.01～0.05％、其余为Fe和不可避免的杂质；
所述的高压锅炉用无缝钢管的制造方法包括以下步骤：
(1)冶炼钢坯，
将原料经过电炉冶炼，精炼、真空脱气以及弧形连铸，以得到钢坯；
(2)对钢坯进行加热、穿孔、轧制变形、定径、冷却，得到无缝钢管坯料；
(3)采用推制式热扩工艺扩大外径，得扩管无缝钢管；
(4)对扩管无缝钢管进行酸洗、磷化、皂化、冷拔加工；
(5)去应力退火；
(6)矫直处理，得到所述的高压锅炉用无缝钢管；
步骤(2)中，对钢坯进行加热的条件包括：将钢坯进行预热处理，一段加热、二段加热和三段加热，且在每段加热处理后进行匀热处理；
所述预热处理后钢坯温度达到650～670℃；
所述一段加热后钢坯温度达到950～970℃；
所述二段加热后钢坯温度达到1150～1160℃；
所述三段加热后钢坯温度达到1250～1270℃；
所述匀热处理的条件包括在高于各段处理温度20℃的基础上保温处理30～40min。
2.根据权利要求1所述的高压锅炉用无缝钢管，其特征在于，以所述无缝钢管的总量为基准，按重量百分比计，所述的无缝钢管由以下元素构成：C 0.23～0.36％、Si 0.56～0.62％、Mn 0.21～0.29％、Mg 0.18～0.23％、Al 0.32～0.41％、Cu 0.28～0.35％、Cr0.04～0.06％、Ti 0.08～0.11％、Nb 0.08～0.16％、V 0.02～0.04％、其余为Fe和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的高压锅炉用无缝钢管，其特征在于，以所述无缝钢管的总量为基准，按重量百分比计，所述的无缝钢管由以下元素构成：C 0.28％、Si 0.59％、Mn0.26％、Mg 0.21％、Al 0.37％、Cu 0.31％、Cr 0.05％、Ti 0.09％、Nb 0.12％、V 0.03％、其余为Fe和不可避免的杂质。
4.根据权利要求1所述的高压锅炉用无缝钢管，其特征在于，步骤(1)中，所述精炼的条件包括：采用占合金熔液重量2～3％的复合精炼剂对合金熔液进行精炼处理，所述的精炼剂包括以下重量份的组分：氟钛酸钾3～6份、硫酸钠2～5份、氯化钾4～6份、碳酸钾5～8份。
5.根据权利要求1所述的高压锅炉用无缝钢管，其特征在于，步骤(3)中，所述推制式热扩工艺中，热推温度为880～890℃，推进速度为160～180mm/min。
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