CN111618112A - 奥氏体耐热不锈钢无缝管的热挤压制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种奥氏体耐热不锈钢无缝管的热挤压制造方法，包括：在管坯中加工平直截面的中心通孔形成荒管；对荒管进行环形炉加热；环形炉加热后直接对荒管进行热挤压；对热挤压后的荒管进行固溶处理；对固溶处理后的荒管进行矫直和酸洗，制得不锈钢无缝管，其中，在环形炉加热步骤中，各温度段的加热温度及保温时间控制为：预热一段的加热温度为600～700℃、保温时间为1小时，预热二段的加热温度为750～850℃、保温时间为1小时，保温段的加热温度为1150～1200℃、保温时间为4小时；在热挤压步骤中，挤压速度控制为50～60mm/s，挤压变形比控制为7～8，挤压模入口锥度控制为70°；在固溶处理步骤中，固溶温度控制为1150～1200℃，保温时间根据管壁厚度控制为2min/mm，冷却方式为水冷。

Description

奥氏体耐热不锈钢无缝管的热挤压制造方法
技术领域
本发明属于钢铁材料加工技术领域，涉及一种奥氏体耐热不锈钢无缝管的热挤压制造方法。
背景技术
燃煤发电在我国的电力供给中仍占主导地位，并且国家已开始推进发电行业供给侧改革，以先进超超临界燃煤机组来替换落后产能，大力发展效率更高、排放更低的高参数超超临界火力电站。超超临界火力电站中电站锅炉的过热器和再热器是保证电站锅炉长期安全的关键受热承压部件，但其服役环境极端苛刻，因而超超临界火力电站锅炉过热器和再热器用的奥氏体耐热不锈钢无缝管材料的开发是发展超超临界火力电站的关键。
随着电站锅炉蒸汽温度和压力参数的提高，电站锅炉过热器和再热器等关键部件需要大量使用经过固溶强化和析出强化的多元复合强化手段处理过的新型高Cr、Ni奥氏体耐热不锈钢。该不锈钢的主要成分为0.03％～0.08％的C、小于0.5％的Si、小于0.5％的Mn、18％～25％的Cr、21.5％～31％的Ni、2％～4％的Cu、0.10％～0.35％的N、0.30％～0.65％的Nb、1.0％～5.0％的W、0.1％～0.4％的Mo、1.0％～4.0％的Co、0.003％～0.009％的B。该不锈钢是以Fe-22Cr-25Ni为基础合金，添加了W、Co、Cu、Nb、Mo、N等元素，适用于630℃以上超超临界电站锅炉中蒸汽条件极其恶劣、抗腐蚀性要求更高的过热器或再热器钢管。
超超临界火力电站锅炉过热器和再热器用的奥氏体耐热不锈钢无缝管的合金含量超过53％，变形抗力较大，合金的初熔温度主要随合金组元的加入而降低，因此热塑性较差，必须采用热挤压工艺进行制管生产。热挤压是一种压力加工成形方法，是将管坯置于带挤压模的挤压筒中，施加外力，使金属在三向压应力状态下产生塑性变形。挤压加工时金属处于三向压应力状态，因此可以得到比轧制更大的塑性变形。由于热挤压无缝管具有尺寸精度高、金属组织致密、力学性能稳定的特点，被广泛地应用于核电、火电、石化、航空、航天、交通等领域关键设备用无缝管的热加工。
现有技术中传统的热挤压生产无缝管的工艺路线为：中心加工喇叭口→环形炉预热(900～950℃)→一次感应加热→热扩孔→二次感应加热→热挤压→矫直→酸洗。但使用该工艺制造上述奥氏体耐热不锈钢无缝管时，存在以下问题：
1)荒管前半段外壁易出现横裂纹缺陷。由于上述材料的合金化程度较高，金属流动较普通奥氏体不锈钢差，不但提高了挤压载荷，也使头部金属流出时外表面容易出现局部不均匀变形，从而产生局部拉应力，形成周期性的横向裂纹。
2)荒管后半段内壁易出现纵向裂纹。该材料热塑性优良的温度区间较窄，热加工温度窗口较窄。采用传统工艺生产时，一方面，热扩孔加工过程内壁金属受到两向拉应力作用进行变形，容易沿轴向产生轻微撕裂，形成纵向微裂纹；另一方面，在二次感应加热时，由于感应线圈加热时表面的集肤效应，外壁和内孔的温度高于金属内部温度，而内孔较差的散热条件更加剧了这一过程，很容易出现内孔过热现象；再加上热挤压过程的变形温升效应在后半段荒管上的聚集，使尾部温度会升高100℃以上。以上三个因素共同作用，使热挤压过程中荒管后半段内壁出现温度极高，远超过最佳变形塑性区间，甚至出现出现局部过烧、熔化，导致内壁产生密集的沿晶裂纹并沿变形方向扩展。
3)荒管微观组织不均匀，呈现碳化物条带、混晶，给后续冷加工的组织调整带来很大困难。由于上述材料含有大量的W、Cu、Nb等元素，加工过程中等容易形成M23C6、Nb(C,N)、NbCrN等析出相，特别是M23C6容易在晶界聚集。坯料在环形炉加热时，900～950℃温度区间正好处于M23C6碳化物的析出区间，再加上加热时间较长(4小时以上)，使M23C6在原始晶界充分聚集析出。在热挤压过程中，原始晶界迅速沿变形方向拉长，原本聚集在晶界的M23C6碳化物随之拉长，形成项链状的碳化物条带组织。动态再结晶过程中，碳化物条带区域阻止了晶界扩展，形成局部细晶区，从而产生“混晶”。
发明内容
为了克服现有高合金奥氏体耐热不锈钢无缝管热挤压热挤压制造方法的上述不足，本发明提供一种奥氏体耐热不锈钢无缝管的热挤压制造方法，通过改变加工工艺路线、调整加热方式、控制热挤压工艺参数、优化挤压模具等措施，避免产生外表面横裂、内表面纵裂缺陷及碳化物条带、混晶等组织不均匀，从而改善高合金奥氏体耐热不锈钢表面质量及心部组织。
本发明的奥氏体耐热不锈钢无缝管的热挤压制造方法包括如下步骤：在管坯中加工平直截面的中心通孔形成荒管、对荒管进行环形炉加热、环形炉加热后直接对荒管进行热挤压、对热挤压后的荒管进行固溶处理、对固溶处理后的荒管进行矫直和酸洗，制得不锈钢无缝管，其中，在环形炉加热步骤中，各温度段的加热温度及保温时间控制为：预热一段的加热温度为600～700℃、保温时间为1小时，预热二段的加热温度为750～850℃、保温时间为1小时，保温段的加热温度为1150～1200℃、保温时间为4小时；在热挤压步骤中，挤压速度控制为50～60mm/s，挤压变形比控制为7～8，挤压模入口锥度控制为70°；在固溶处理步骤中，固溶温度控制为1150～1200℃，保温时间根据管壁厚度控制为2min/mm，冷却方式为水冷。
作为一种具体实施方式，在本发明的上述奥氏体耐热不锈钢无缝管的热挤压制造方法中，在环形炉加热步骤中，预热一段的加热温度为650℃，预热二段的加热温度为800℃，保温段的加热温度为1180℃；在热挤压步骤中，挤压速度控制为55mm/s，挤压变形比控制为7.6；在固溶处理步骤中，固溶温度控制为1180℃。
作为一种具体实施方式，在本发明的上述奥氏体耐热不锈钢无缝管的热挤压制造方法中，在环形炉加热步骤中，预热一段的加热温度为680℃，预热二段的加热温度为830℃，保温段的加热温度为1190℃；在热挤压步骤中，挤压速度控制为58mm/s，挤压变形比控制为7.8；在固溶处理步骤中，固溶温度控制为1190℃。
优选地，在本发明的上述奥氏体耐热不锈钢无缝管的热挤压制造方法中，所述奥氏体不锈钢无缝管的材料的化学成分按质量分数为0.03％～0.08％的C、小于等于0.5％的Si、小于等于0.5％的Mn、小于0.02％的P、小于0.02％的S、18％～25％的Cr、21.5％～31％的Ni、2％～4％的Cu、1.0％～4.0％的Co、1.0％～5.0％的W、小于等于0.4％的Mo、0.30％～0.65％的Nb、0.10％～0.35％的N、0.003％～0.009％的B、以及小于等于0.04％的Al。
本发明的奥氏体耐热不锈钢无缝管的热挤压制造方法通过改变加工工艺路线、调整加热方式、控制热挤压工艺参数、优化挤压模具等措施，制造所得的无缝管表面质量和组织良好，避免外表面横裂、内表面纵裂等缺陷及碳化物条带、混晶等组织不均匀的产生，从而改善奥氏体耐热不锈钢表面质量及心部组织。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的奥氏体耐热不锈钢无缝管的热挤压制造方法中，不锈钢无缝管的材料的化学成分按质量分数(％)为：
成分 C Si Mn P S
含量 0.03～0.08 ≤0.5 ≤0.5 ＜0.02 ＜0.02
成分 Cr Ni Cu Co W
含量 18～25 21.5～31 2～4 1～4 1～5
成分 Mo Nb N B Al
含量 ≤0.4 0.3～0.65 0.1～0.35 0.003～0.009 ≤0.04
本发明的奥氏体耐热不锈钢无缝管的热挤压制造方法的主要工艺措施包括改变加工工艺路线、调整加热方式、控制热挤压工艺参数、优化挤压模具等。
具体而言，本发明的奥氏体耐热不锈钢无缝管的热挤压制造方法包括以下步骤：
在管坯中加工平直截面的中心通孔形成荒管；
对荒管进行环形炉加热；
环形炉加热后直接对荒管进行热挤压；
对热挤压后的荒管进行固溶处理；
对固溶处理后的荒管进行矫直和酸洗，制得不锈钢无缝管。
其中，在环形炉加热步骤中，各温度段的加热温度及保温时间控制为：预热一段的加热温度为600～700℃、保温时间为1小时，预热二段的加热温度为750～850℃、保温时间为1小时，保温段的加热温度为1150～1200℃、保温时间为4小时；在热挤压步骤中，挤压速度控制为50～60mm/s，挤压变形比控制为7～8，挤压模入口锥度控制为70°；在固溶处理步骤中，固溶温度控制为1150～1200℃，保温时间根据管壁厚度控制为2min/mm，冷却方式为水冷。
在本发明的奥氏体耐热不锈钢无缝管的热挤压制造方法中，环形炉加热的加热温度避开M23C6碳化物的快速析出温度范围(850～950℃)，将预热段的加热温度提前到850℃以前，将保温段加热温度提高到1150～1200℃，高于M23C6碳化物的溶解温度，同时将保温段的保温时间延长到4小时，使晶界的碳化物充分回溶，从而变形后碳化物聚集形成条带，提高组织均匀性。
在本发明的奥氏体耐热不锈钢无缝管的热挤压制造方法中，取消现有技术中的扩孔加工环节，在管坯中加工平直截面的中心通孔后经环形炉加热加热后直接进行挤压，防止扩孔过程拉应力的产生，使加工全过程均为三向压应力，为金属变形创造最好的条件。
在本发明的奥氏体耐热不锈钢无缝管的热挤压制造方法中，热挤压过程的挤压速度、挤压变形比等参数控制为尽可能降低后半段的变形温升，避免内壁纵裂纹产生。挤压速度过高时，变形温升太高；挤压速度越慢，温升时间长，累计效应较明显；经过反复试验，在本发明中，最终将挤压速度确定为50～60mm/s，挤压变形比控制为7～8。
在本发明的奥氏体耐热不锈钢无缝管的热挤压制造方法中，对挤压模形状进行了优化，挤压模入口锥度由现有技术中的的90°降低至70°，由此改善了金属流动条件，避免外表面横裂纹产生。
综上所述，本发明的奥氏体耐热不锈钢无缝管的热挤压制造方法通过改变加工工艺路线、调整加热方式、控制热挤压工艺参数、优化挤压模具等措施，制造所得的无缝管表面质量和组织良好，避免外表面横裂、内表面纵裂等缺陷及碳化物条带、混晶等组织不均匀的产生，从而改善奥氏体耐热不锈钢表面质量及心部组织。
以下结合具体实施例说明本发明的奥氏体耐热不锈钢无缝管的热挤压制造方法。
实施例1
实施例1的奥氏体耐热不锈钢无缝管的热挤压制造方法包括加工平直截面的中心通孔、环形炉加热、热挤压、固溶处理、矫直、酸洗等步骤，由Φ220mm、长度600mm的管坯制造出规格为Φ108(外径)×15mm(管壁厚度)的无缝管，其中，在环形炉加热步骤中，各温度段的加热温度及保温时间控制为：预热一段的加热温度为650℃、保温时间为1小时，预热二段的加热温度为800℃、保温时间为1小时，保温段的加热温度为1180℃、保温时间为4小时；在环形炉加热步骤之后直接进行热挤压，并且在热挤压步骤中，挤压速度控制为55mm/s，挤压变形比控制为7.6，挤压模入口锥度控制为70°；在固溶处理步骤中，固溶温度控制为1180℃，保温时间控制为30min，冷却方式为水冷。
利用实施例1的奥氏体耐热不锈钢无缝管的热挤压制造方法制造所得的不锈钢无缝管经检验，其内外表面均无缺陷，晶粒度达6级，无混晶，级差小于1级。
实施例2
实施例2的奥氏体耐热不锈钢无缝管的热挤压制造方法包括加工平直截面的中心通孔、环形炉加热、热挤压、固溶处理、矫直、酸洗等步骤，由Φ250mm、长度700mm的管坯制造出规格为Φ114(外径)×18mm(管壁厚度)的无缝管，其中，在环形炉加热步骤中，各温度段的加热温度及保温时间控制为：预热一段的加热温度为680℃、保温时间为1小时，预热二段的加热温度为830℃、保温时间为1小时，保温段的加热温度为1190℃、保温时间为4小时；在环形炉加热步骤之后直接进行热挤压，并且在热挤压步骤中，挤压速度控制为58mm/s，挤压变形比控制为7.8，挤压模入口锥度控制为70°；在固溶处理步骤中，固溶温度控制为1190℃，保温时间控制为36min，冷却方式为水冷。
利用实施例2的奥氏体耐热不锈钢无缝管的热挤压制造方法制造所得的不锈钢无缝管经检验，其内外表面均无缺陷，晶粒度达5级，无混晶，级差小于1级。
以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种奥氏体耐热不锈钢无缝管的热挤压制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
在管坯中加工平直截面的中心通孔形成荒管；
对荒管进行环形炉加热；
环形炉加热后直接对荒管进行热挤压；
对热挤压后的荒管进行固溶处理；
对固溶处理后的荒管进行矫直和酸洗，制得不锈钢无缝管，其中，
在环形炉加热步骤中，各温度段的加热温度及保温时间控制为：预热一段的加热温度为600～700℃、保温时间为1小时，预热二段的加热温度为750～850℃、保温时间为1小时，保温段的加热温度为1150～1200℃、保温时间为4小时；
在热挤压步骤中，挤压速度控制为50～60mm/s，挤压变形比控制为7～8，挤压模入口锥度控制为70°；
在固溶处理步骤中，固溶温度控制为1150～1200℃，保温时间根据管壁厚度控制为2min/mm，冷却方式为水冷。
2.如权利要求1所述的奥氏体耐热不锈钢无缝管的热挤压制造方法，其特征在于，在环形炉加热步骤中，预热一段的加热温度为650℃，预热二段的加热温度为800℃，保温段的加热温度为1180℃；在热挤压步骤中，挤压速度控制为55mm/s，挤压变形比控制为7.6；在固溶处理步骤中，固溶温度控制为1180℃。
3.如权利要求1所述的奥氏体耐热不锈钢无缝管的热挤压制造方法，其特征在于，在环形炉加热步骤中，预热一段的加热温度为680℃，预热二段的加热温度为830℃，保温段的加热温度为1190℃；在热挤压步骤中，挤压速度控制为58mm/s，挤压变形比控制为7.8；在固溶处理步骤中，固溶温度控制为1190℃。
4.如权利要求1至3中任一项所述的奥氏体耐热不锈钢无缝管的热挤压制造方法，其特征在于，所述奥氏体耐热不锈钢无缝管的材料的化学成分按质量分数为0.03％～0.08％的C、小于等于0.5％的Si、小于等于0.5％的Mn、小于0.02％的P、小于0.02％的S、18％～25％的Cr、21.5％～31％的Ni、2％～4％的Cu、1.0％～4.0％的Co、1.0％～5.0％的W、小于等于0.4％的Mo、0.30％～0.65％的Nb、0.10％～0.35％的N、0.003％～0.009％的B、以及小于等于0.04％的Al。
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