CN111041179B - 一种消除高Cr当量P92耐热钢高温铁素体的方法及高Cr当量P92耐热钢的制备方法 - Google Patents

一种消除高Cr当量P92耐热钢高温铁素体的方法及高Cr当量P92耐热钢的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种消除高Cr当量P92耐热钢高温铁素体的方法及高Cr当量P92耐热钢的制备方法，在热轧管时通过加热温度、热轧单次压下量、热轧速率的调控，使连铸组织发生破碎、元素均匀化、再结晶从而消除高Cr当量P92耐热钢中的高温铁素体，进而制备得到马氏体P92耐热钢，其具有优良的室温、高温力学及抗氧化腐蚀性能。

Description

一种消除高Cr当量P92耐热钢高温铁素体的方法及高Cr当量 P92耐热钢的制备方法
技术领域
本发明属于钢铁技术领域，具体涉及一种消除高Cr当量P92耐热钢高温铁素体的方法及高Cr当量P92耐热钢的制备方法。
背景技术
随着经济的发展，人们对电力的需求日益加剧。在我国的电力构成中燃煤火电机组仍然占据主要地位。随着日益严峻的环境问题，各国均在寻找降低能耗及二氧化碳排放的方法。600℃蒸汽参数超超临界燃煤电站机是目前能够大规模应用且能耗较低的发电方式。
P92耐热钢主要应用于600℃超超临界燃煤电站机的主蒸汽管道、热再热蒸汽管道、冷再热蒸汽管道和高压给水管道。P92耐热钢是在P91耐热钢的基础上添加了适量的W形成以W为主的W-Mo复合固溶强化，提高耐热钢的持久强度。P92耐热钢中Ni、Cr、W含量较高，Cr元素能够形成致密性的氧化物Cr2O3，提高基体的电极电位，从而使耐热钢的抗氧化性、耐蚀性增强。Cr能够提高耐热钢的使用温度，同时Cr的固溶强化作用能够增强基体原子间的结合强度，提高耐热钢的持久强度和蠕变极限。W元素具有较强的固溶强化作用，提高耐热钢的室温、高温强度；W能够阻止耐热钢的晶粒长大、细化晶粒，还能有效抑制M23C6聚集，提高高温强度；W还能够使基体组织中的碳化物细小并均匀分布，从而增强对位错的钉扎及阻碍作用，可有效提高耐热钢的高温性能。但是 Cr、W含量过高将使Cr当量增加，从而导致高温铁素体增多，按照ASME标准中成分计算P92耐热钢中Cr当量为14.26％。高的Cr当量将使耐热钢中高温铁素体增多，高温铁素体将显著降低P92耐热钢的冲击吸收功、蠕变断裂强度。
钢厂及钢管制造企业普遍采用控制Cr当量(12.5％以内)来控制P92耐热钢中的高温铁素体，但降低Cr、W含量会使P92钢的抗氧化性和耐蚀性降低、晶粒尺寸粗化，从而降低P92的服役安全性。因此，如何解决P92耐热钢高Cr 当量与高温铁素体之间的关系是广大科研工作者研究的热点。
针对高Cr当量P92耐热钢管中的高温铁素体目前还缺乏有效消除手段。若采用控制Cr当量来控制高温铁素体将增加P92的氧化腐蚀程度，降低服役安全性。若采用热处理工艺将高温铁素体控制在3％，则将无法使P92钢管用于更极端环境，将降低P92钢管使用等级。另外，在制管后采用多次热处理进行消除高温铁素体将增加工序及能耗，增加钢管报废的几率。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种消除高Cr当量P92耐热钢高温铁素体的方法，在热轧制管时通过加热温度、热轧单次压下量、热轧速率的调控，使连铸组织发生破碎、元素均匀化、再结晶从而消除高Cr当量P92耐热钢中的高温铁素体，从而使产品满足使用要求。
本发明还提供了高Cr当量P92耐热钢的制备方法，在热轧之后进行正火和回火处理，可获得室温、高温力学及抗氧化腐蚀性能优良的P92耐热钢，填补了国内的空白，为推动超超临界电站的建造提供了有力支撑。
本发明采取的技术方案为：
一种消除高Cr当量P92耐热钢高温铁素体的方法，包括以下步骤：
(1)P92连铸坯在加热炉中加热保温，然后进行热轧制管；
(2)在热轧制管工艺中，控制首次及中间次轧制温度为1180℃±10℃，最后一次轧制温度为1080℃±10℃；每次轧制的压下量(n)与连铸坯直径(d1) 的关系为：n＝(0.06～0.2)×d1，d1单位为mm；热轧的速率为5s-1～120s-1，优选为60s-1～115s-1。
进一步地，步骤(1)中，P92连铸坯的出炉温度为1180℃±10℃，保温时间t1＝(0.05～0.35)×d1，其中t的单位为h。
步骤(2)中，轧制过程中，当表面温度低于930℃时，停止轧制返回加热炉加热至1180℃±10℃，而后保温t2小时，t2＝(0.05～0.35)×d2，d2为钢管壁厚，单位为mm。
热轧的过程中每次轧制的速率依次增大，后一次的轧制速率与前一次轧制速率的差值为10s-1～20s-1。
轧制过程中每次压下量逐渐增加，总轧制比≥3，优选为3～15。
根据所述方法得到的高Cr当量P92耐热钢的金相组织为马氏体。
所述高Cr当量P92耐热钢中Cr当量为11.70～14.00％，Cr当量的计算公式为：Cr当量＝Cr+1.5Mo+2Si+5V+5.5Al+1.75Nb+1.5Ti+0.75W。
本发明还提供了一种高Cr当量P92耐热钢的制备方法，包括以下步骤：连铸坯经上述的方法进行热轧制管，然后经正火及回火处理。
进一步地，所述正火及回火工艺按照GB/T5310规定执行。
所述高Cr当量P92耐热钢包括以下重量百分比的化学成分：C0.09～0.11％、 Si0.24～0.48％、Mn0.45～0.47％、P≤0.009％、S≤0.004、Cr 8.5～9.4％、Ni 0.24～0.26％、 Mo0.32～0.57％、W1.64～1.95％、Al0.012～0.016％、V0.18～0.23％、Nb0.045～0.071％， Cr当量为11.70～14.00％，余量为铁及不可避免的杂质。
按照本发明的制备方法制备得到的所述高Cr当量P92耐热钢的1/2半径室温性能为：抗拉强度710～733MPa、屈服强度536～562MPa、断面收缩率78～79％、断后伸长率24～26％、冲击功140～158J。
按照本发明的制备方法制备得到的所述高Cr当量P92耐热钢的1/2半径 600℃性能为：抗拉强度412～435MPa、屈服强度366～385MPa、断面收缩率 86～89％、断后伸长率25～29％、持久强度119～128MPa、蒸汽氧化量10mg/cm2时间≥1320h。
本发明通过控制热轧温度、热轧单次压下量、热轧速率，进一步使P92连铸坯中的高温铁素体在轧制过程中破碎、细化、消除。热轧温度的确定：热轧温度过高将使P92连铸坯中的高温铁素体增多；温度过低将导致热轧变形抗力增加，易使钢管产生裂纹并且还将加重轧机负担。因此，首次及中间热轧温度控制在1180℃±10℃，最后一火次热轧温度控制在1080℃±10℃。
热轧保温时间的确定：热轧保温时间过长将会使组织过于粗大，不利于钢管性能，保温时间过短不能使连铸坯内部组织均匀，将导致热轧管变形不均，产生缺陷。因此，将热轧保温时间控制为连铸坯直径的0.05～0.35倍。
热轧单次压下量的确定：热轧单次压下量决定着连铸组织和高温铁素体的破碎程度及晶粒细化程度，热轧单次压下量过大，虽然能使高温铁素体组织充分破碎、细化晶粒但将导致钢管产生横向裂纹；热轧单次压下量过小，能够使钢管表面质量提高，但不利于高温铁素体的破碎和消除。因此，热轧单次压下量控制在连铸坯直径的0.06～0.2倍。
热轧速率的确定：热轧速率一方面决定这热轧高温铁素体破碎、再结晶程度，一方面决定了热轧制管的生产效率。热轧速率控制在5s-1～120s-1，并且在轧制过程中轧制速率逐渐增加。
与现有技术相比，本发明通过合理的轧制工艺的控制，提出了消除高Cr 当量P92耐热钢的方法，可获得室温、高温力学及抗氧化腐蚀性能优良的P92 耐热钢，填补了国内的空白，为推动超超临界电站的建造提供了有力支撑。
附图说明
图1为实施例3中的φ600mm P92耐热钢连铸坯的金相组织图；
图2为实施例3中φ600mm P92耐热钢经热轧后得到的φ610mm×45mm钢管的金相组织图；
图3为比较例1中的φ500mm P92耐热钢连铸坯的金相组织图；
图4为比较例1中φ500mm P92耐热钢经热轧后得到的φ508mm×40mm钢管的金相组织图；
图5为比较例3中φ500mm P92耐热钢经热轧后得到的φ508mm×40mm钢管的晶粒形貌图；
图6为比较例4中φ500mm P92耐热钢经热轧后得到的φ508mm×40mm钢管的晶粒形貌图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
采用φ500mm的P92连铸坯制造外径φ508mm×壁厚40mm的钢管，P92连铸坯的化学成分如表1所示，具体包括以下步骤：
(1)锯切一段连铸坯，采用φ50mm的顶杆穿孔将连铸坯中心打φ50mm的通心孔；
(2)将打孔后的连铸坯冷料装炉，随炉阶梯升温，到1175℃后保温30h，而后出炉热轧；
(3)第一圈热轧速率80s-1，压下量50mm；第二圈热轧速率100s-1，压下量60mm；第三圈热轧速率110s-1，压下量75mm，整个热轧过程的总轧制比为 3.3。经过上述热轧工艺后得到的P92耐热钢管能够消除高温铁素体。
实施例2
采用φ500mm的P92连铸坯制造外径φ508mm×壁厚40mm的钢管，P92连铸坯的化学成分如表1所示，具体包括以下步骤：
(1)锯切一段连铸坯，采用φ50mm的顶杆穿孔将连铸坯中心打φ50mm的通心孔；
(2)将打孔后的连铸坯冷料装炉，随炉阶梯升温，到1175℃后保温45h，而后出炉热轧；
(3)第一圈热轧速率90s-1，压下量50mm；第二圈热轧速率105s-1，压下量60mm；第三圈热轧速率115s-1，压下量75mm，整个热轧过程的总轧制比为 3.3。经过上述热轧工艺后得到的P92耐热钢管能够消除高温铁素体。
实施例3
采用φ600mm的P92连铸坯制造外径φ610mm×壁厚15mm的钢管，P92连铸坯的化学成分如表1所示，具体包括以下步骤：
(1)锯切一段连铸坯，其金相组织如图1所示，采用φ60mm的顶杆穿孔将连铸坯中心打φ60mm的通心孔；
(2)将打孔后的连铸坯冷料装炉，随炉阶梯升温，到1185℃后保温120h，而后出炉热轧；
(3)第一圈热轧速率70s-1，压下量40mm；第二圈热轧速率80s-1，压下量50mm；第三圈热轧速率95s-1，压下量70mm，第四圈轧制时钢管表面温度低于 930℃，需返回加热炉在1070℃下加热保温10h后再进行第四圈轧制，第四圈热轧速率115s-1，压下量95mm，整个热轧过程的总轧制比为19.7。经过上述热轧工艺后得到的P92耐热钢管能够消除高温铁素体，其金相组织如图2所示。
实施例4
采用φ600mm的P92连铸坯制造外径φ610mm×壁厚15mm的钢管，P92连铸坯的化学成分如表1所示，具体包括以下步骤：
(1)锯切一段连铸坯，采用φ60mm的顶杆穿孔将连铸坯中心打φ60mm的通心孔；
(2)将打孔后的连铸坯冷料装炉，随炉阶梯升温，到1185℃后保温72h，而后出炉热轧；
(3)第一圈热轧加热温度1185℃，热轧速率70s-1，压下量40mm；第二圈热轧速率80s-1，压下量50mm；第三圈热轧速率90s-1，压下量70mm；第四圈轧制时钢管表面温度低于930℃，需返回加热炉在1070℃下加热保温8h后再进行第四圈轧制，第四圈热轧速率110s-1，压下量95mm，整个热轧过程的总轧制比为19.7。经过上述热轧工艺后得到的P92耐热钢管能够消除高温铁素体。
对比例1
采用φ500mm的P92连铸坯制造外径φ508mm×壁厚40mm的钢管，P92连铸坯的化学成分如表1所示，具体包括以下步骤：
(1)锯切一段连铸坯，其金相组织如图3所示，采用φ500mm的顶杆穿孔将连铸坯中心打φ50mm的通心孔；
(2)将打孔后的连铸坯冷料装炉，随炉阶梯升温，到1220℃后保温180h，而后出炉热轧；初轧温度1220℃，终轧温度950℃，分2次轧到最终尺寸，第一次轧制使壁厚达到最终尺寸的1.2倍，第二次达到最终尺寸。经过上述热轧工艺后得到的P92耐热钢管中仍然残留有4％的高温铁素体，其金相组织如图4所示。
对比例2
采用φ600mm的P92连铸坯制造外径φ610mm×壁厚45mm的钢管，P92连铸坯的化学成分如表1所示，具体包括以下步骤：
(1)锯切一段连铸坯，采用φ60mm的顶杆穿孔将连铸坯中心打φ60mm的通心孔；
(2)将打孔后的连铸坯冷料装炉，随炉阶梯升温，到1230℃后保温200h，而后出炉热轧；初轧温度1230℃，终轧温度960℃，分2次轧到最终尺寸，第一次轧制使壁厚达到最终尺寸的1.2倍，第二次达到最终尺寸。经过上述热轧工艺后得到的P92耐热钢管中仍然残留有7％的高温铁素体。
对比例3
其他同实施例1，只是第一圈热轧压下量25mm；第二圈热轧压下量25mm；第三圈热轧压下量135mm。所制备得到的P92耐热钢管的晶粒形貌图如图5所示。经过上述热轧工艺后得到的P92耐热钢管的晶粒拉长，不能实现等轴晶，导致性能波动大，且会残留有6％的高温铁素体。
对比例4
其他同实施例1，只是第一圈热轧压下量145mm；第二圈热轧压下量25mm；第三圈热轧压下量15mm。所制备得到的P92耐热钢管的晶粒形貌图如图6所示经过上述热轧工艺后得到的P92耐热钢管的晶粒粗大，且会残留有9％的高温铁素体。
上述各实施例1-4和对比例1-4所生产的8种钢管经过热处理(正火+回火) 后，组织及力学性能如表2、3所示。其中热处理工艺参考GB/T5310中的标准执行。
表1实施例与对比例连铸坯化学成分及重量百分比及连铸坯的高温铁素体含量(单位：wt％)
Figure BDA0002300568910000091
表2实施例中的P92耐热钢管组织及力学性能
Figure BDA0002300568910000092
Figure BDA0002300568910000101
表3对比例中的P92耐热钢管组织及力学性能
Figure BDA0002300568910000102
由表1～3可知，采用本发明所述方法，生产的高Cr当量P92耐热钢，经轧制、热处理后，采用相应标准检验，其室温抗拉强度为710～733MPa，屈服强度为536～562MPa，高于对比例。600℃高温强度、持久性能均高于标准要求，尤其是高温抗氧化腐蚀性能是对比例的近2倍。
本发明，通过合理的轧制工艺的控制，提出了消除高Cr当量P92耐热钢的方法，可获得室温、高温力学及抗氧化腐蚀性能优良的P92耐热钢，填补了国内的空白，为推动超超临界电站的建造提供了有力支撑。
上述参照实施例对一种消除高Cr当量P92耐热钢高温铁素体的方法及高 Cr当量P92耐热钢的制备方法进行的详细描述，是说明性的而不是限定性的，可按照所限定范围列举出若干个实施例，因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种消除高Cr当量P92耐热钢管高温铁素体的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)采用顶杆穿孔将P92连铸坯中心打的通心孔，再将打孔后的连铸坯在加热炉中加热保温，然后进行热轧制管；
(2)在热轧制管工艺中，控制首次及中间次轧制温度为1180℃±10℃，最后一次轧制温度为1080℃±10℃；每次轧制的压下量(n)与连铸坯直径(d1)的关系为：n＝(0.06～0.2)×d1，d1单位为mm；热轧的速率为5s-1～120s-1；
所述高Cr当量P92耐热钢中Cr当量为11.70～14.00％；
步骤(1)中，P92连铸坯的出炉温度为1180℃±10℃，保温时间t1＝(0.05～0.35)×d1，其中t的单位为h；
热轧的过程中每次轧制的速率依次增大，后一次的轧制速率与前一次轧制速率的差值为10～20s-1；
轧制过程中每次压下量逐渐增加，总轧制比≥3。
2.根据权利要求1所述的消除高Cr当量P92耐热钢管高温铁素体的方法，其特征在于，步骤(2)中，轧制过程中，当表面温度低于930℃时，停止轧制返回加热炉加热至1180℃±10℃，而后保温t2小时，t2＝(0.05～0.35)×d2，d2为钢管壁厚，单位为mm。
3.根据权利要求1或2所述的消除高Cr当量P92耐热钢管高温铁素体的方法，其特征在于，根据所述方法得到的高Cr当量P92耐热钢管的金相组织为马氏体。
4.一种高Cr当量P92耐热钢管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：连铸坯经权利要求1-3任意一项所述的方法进行热轧制管，然后经正火及回火处理。
5.根据权利要求4所述的高Cr当量P92耐热钢管的制备方法，其特征在于，所述高Cr当量P92耐热钢的1/2半径室温性能为：抗拉强度710～733MPa、屈服强度536～562MPa、断面收缩率78～79％、断后伸长率24～26％、冲击功140～158J。
6.根据权利要求4所述的高Cr当量P92耐热钢管的制备方法，其特征在于，所述高Cr当量P92耐热钢的1/2半径600℃性能为：抗拉强度412～435MPa、屈服强度366～385MPa、断面收缩率86～89％、断后伸长率25～29％、持久强度119～128MPa、蒸汽氧化量10mg/cm2时间≥1320h。
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