CN113399461A - 一种含铌奥氏体耐热不锈钢圆管坯的加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含铌奥氏体耐热不锈钢圆管坯的加工方法，包括：(1)将经过清理的钢锭送入均热炉，加热至目标温度并保温；(2)对加热后的钢锭进行初轧开坯，对得到的初轧坯进行修磨；(3)将经过修磨的初轧坯送入加热炉，加热至目标温度并保温；(4)将加热后的初轧坯轧制成圆管坯。采用本发明的加工方法能够制备出表面质量良好、组织均匀的管坯，可满足超超临界锅炉管的工业生产需要。

Description

一种含铌奥氏体耐热不锈钢圆管坯的加工方法

技术领域

本发明属于不锈钢制造技术领域，具体地，本发明涉及一种含铌奥氏体耐热不锈钢圆管坯的加工方法，更具体地，本发明涉及一种超超临界电站锅炉用含铌奥氏体耐热不锈钢圆管坯的加工方法。

背景技术

目前国内外都在大力发展效率更高、排放更低的高参数超超临界火力电站，随着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一种含铌奥氏体耐热不锈钢无缝管。该合金的主要成分为0.04％-0.10％C、小于0.3％Si、小于1.0％Mn、24％～26％Cr、19.0％～22.0％Ni、0.20～0.35％N、0.30～0.60％Nb、0.1～0.4％Mo或0.1～0.4％Co以及0.001～0.005％B，具有较高的韧性、持久强度、抗氧化性和高温组织稳定性。

不锈钢管坯根据需求规格不同，通常采用锻造法和轧制法生产。对于合金含量达到45％以上的含铌奥氏体耐热不锈钢，由于其变形抗力大、热加工窗口窄、热塑性差的特点，热加工难度非常大。业内普遍采用小变形多火锻造(或二火径锻)工艺生产，生产效率低、成材率低、制造成本高。而采用轧制工艺生产，又会出现裂纹、分层、混晶等缺陷。

众所周知，合金含量较高合金，其初熔温度随合金组元的加入而降低，特别是有害杂质含量有重要的影响；而含铌奥氏体耐热不锈钢，除了含有大量的铬、镍以外，还含有较高的Nb、C、N元素，在铸锭中形成的凝固组织差异(靠近冒口部位、锭尾、锭身表面细晶层、状晶和等轴晶)、严重的枝晶偏析(枝晶干、枝晶间)、分布不均匀且尺寸各异的碳氮化物(分布于晶界、晶内等不同部位的十几到几十个微米的一次碳氮化铌和二次加热过程中析出的二次纳米级NbCrN)，都降低了合金的热塑性、造成合金的热加工温度范围变窄。合金化程度越高，热加工温度范围越窄。合金的热加工塑性以及由合金的加热温度、出炉后的温降以及热变形时的温升所造成的综合结果是否落在这个窄小的热加工温度范围内，是热轧制是否能成功的关键。

实际生产中，轧制时开轧温度和终轧温度对于轧制变形也有重要的影响。当钢锭加热温度低或保温时间短时，此时材料变形抗力大、塑性差，当变形量较大时，经常出现不是轧件打滑、咬入困难、过长闷车的现象，就是轧件开裂、分层的情况。当坯料加热温度过高或保温时间过长，造成坯料局部晶粒异常粗大、晶界熔化，造成大量裂纹废品。减小当轧制变形量，则造成轧制时间过长、轧件温降过快，致使后续变形温度过低，造成材料废品。

针对现有含铌奥氏体耐热不锈钢热轧制工艺的上述不足，目前亟需开发一种含铌奥氏体耐热不锈钢圆管坯的加工方法。

发明内容

为了克服现有含铌奥氏体耐热不锈钢热轧制工艺的上述不足，本发明通过控制关键工艺参数，避免产生裂纹、分层等质量缺陷，提供一种含铌奥氏体耐热不锈钢管坯的加工方法。

具体来说，本发明是通过如下技术方案实现的：

一种含铌奥氏体耐热不锈钢圆管坯的加工方法，包括：

(1)将经过清理的钢锭送入均热炉，加热至目标温度并保温；

(2)对加热后的钢锭进行初轧开坯，对得到的初轧坯进行修磨；

(3)将经过修磨的初轧坯送入加热炉，加热至目标温度并保温；

(4)将加热后的初轧坯轧制成圆管坯。

可选地，步骤(1)的目标温度是1250～1300℃；

可选地，步骤(1)进一步包括：当均热炉温度在800℃以下时将经过清理的钢锭送入均热炉，按照升温速度≤100℃/h使均热炉温度升高至850℃，再按照升温速度≤150℃/h使均热炉温度升高至1150℃，进行第一次保温，然后按照升温速度≤150℃/h使均热炉温度升高至1250～1300℃，进行第二次保温。

可选地，按钢锭最大截面直径计算，第一次保温的时间是1～2min/mm，第二次保温的时间是2～3min/mm。

可选地，在步骤(2)中，开轧温度≤1250℃，终止温度≥1000℃。

可选地，在步骤(2)中，初始1～3道次变形量≤20mm，变形4～10道次变形量是30～50mm，成型道次变形量是5～10mm。

可选地，步骤(3)的目标温度是1250～1300℃；

可选地，步骤(3)进一步包括：当加热炉温度在800℃以下时将经过修磨的初轧坯送入加热炉，按照升温速度≤150℃/h使加热炉温度升高至1150℃，进行第三次保温，然后快速(例如，升温速度＞150℃/h)升温至1250～1300℃，进行第四次保温。

可选地，按初轧坯截面长度计算，第三次保温的时间是1.5-2.0min/mm，第四次保温的时间是1-1.5min/mm。

可选地，在步骤(4)中，开轧温度≤1250℃，终止温度≥1000℃。

可选地，在步骤(4)中，采用“箱型-菱方-椭圆-圆”孔型系统，初始1～2道次变形量≤10mm，延伸道次3～6道次压下量≤30mm，成型道次7～9道次变形量≤5mm。

相比于现有技术，本发明的含铌奥氏体耐热不锈钢圆管坯的加工方法，至少具有如下有益效果：

根据合金热加工性能特点，对钢锭清理、均热炉加热温度、保温时间、均热炉加热速度、初轧开坯开轧温度、终轧温度、道次变形量、初轧坯修磨表面要求、圆管坯加热炉加热温度、加热时间、圆管坯轧制开轧温度、圆管坯轧制终轧温度、轧制孔型系统、道次变形量等关键工艺进行控制，制备出表面质量良好、组织均匀的管坯，可满足超超临界锅炉管的工业生产需要。

具体实施方式

为了充分了解本发明的目的、特征及功效，通过下述具体实施方式，对本发明作详细说明。本发明的工艺方法除下述内容外，其余均采用本领域的常规方法或装置。下述名词术语除非另有说明，否则均具有本领域技术人员通常理解的含义。

含铌奥氏体耐热不锈钢管坯的主要化学成分如下(质量分数％)：

该高合金耐热钢的特性如下：①热变形抗力大，在1000～1250℃，其变形抗力是碳钢、合金钢的2.5倍，也是传统奥氏体不锈钢的1.7倍；②变形温度范围窄，最佳加工温度窗口集中200℃以内；③热膨胀系数大，热导率低，加热产生更大的热应力，造成内部裂纹和穿孔缺陷。

因此，采用轧制方法生产该高合金耐热钢，存在的技术难点如下：

(1)确定钢锭和钢坯合理的加热工艺制定有一定难度。由于可热加工区间窄，需要确定合理的热加工制度，既保证轧制顺利进行，还能够使材料加工中不出现裂纹、分层的缺陷。该材料的热导率与碳钢和传统不锈钢差别也较大，在加热制度设计上，为保证加热质量，必须将加热速度控制在合理的范围之内，防止加热过程中由于过大的热应力导致内部裂纹和加热穿孔的产生。

(2)由于其变形抗力大、可加工温度区间窄、热塑性差、宽展大、易黏钢的特点，在轧制工艺参数(总压下量、总轧制道次、道次变形量分布以及关键道次的压下量)的设定上与普通不锈钢必须有明显差异，才能保证轧制顺利进行，不产生大宗裂纹废品的情况下，通过材料的变形使材料充分再结晶，完成管坯从铸态组织到轧材组织的转变，进而提升材料的成分和组织的均匀性。

发明人经过研究确定，影响含铌奥氏体耐热不锈钢管坯轧制质量的主要因素有：钢锭及初轧坯的加热制度、保温时间、开轧温度、终轧温度、道次变形量等，特别是当坯料加热温度和轧机压下量选择不合理时，极容易造成严重的轧制裂纹或分层缺陷。

针对上面提及的问题并基于发明人的研究发现，本发明提供一种含铌奥氏体耐热不锈钢圆管坯的热轧制方法，其总的工艺路线可概括为：钢锭清理→均热炉加热→出钢→初轧开坯→修磨→圆管坯加热炉加热→圆管坯轧制→空冷→矫直→检验。通过对钢锭及初轧坯的加热制度、保温时间、开轧温度、终轧温度、道次变形量等等关键工艺进行控制，制备出管坯内在组织均匀，外观表面质量良好。

作为一种具体的实施方案，本发明的含铌奥氏体耐热不锈钢圆管坯的加工方包括：

(1)将经过清理的钢锭送入均热炉，加热至目标温度并保温。

首先，对钢锭进行清理。为了保证钢锭开坯质量，防止钢锭浇铸表面缺陷在后续热加工工序延伸，在热加工之前，需要对钢锭表面进行清理，清理后的钢锭表面不得有肉眼可见的裂纹、结疤、翻皮、气孔等缺陷。如果存在上述缺陷，需要对缺陷部位进行修磨清理，保证局部缺陷修磨深度：宽度：长度等于1:5:6。

经过清理之后，将钢锭送入均热炉。均热炉温度在800℃以下，按照升温速度≤100℃/h使均热炉温度升高至850℃，再按照升温速度≤150℃/h使均热炉温度升高至1150℃，进行第一次保温，然后按照升温速度≤150℃/h使均热炉温度升高至1250～1300℃，进行第二次保温。按钢锭最大截面直径计算，第一次保温的时间是1～2min/mm，第二次保温的时间是2～3min/mm。也就是，第一次保温的时间是(1～2min)×钢锭最大截面直径，第二次保温的时间是(2～3min)×钢锭最大截面直径，其中，钢锭最大截面直径的单位是毫米。

发明人通过对本发明提到的含铌奥氏体耐热不锈钢钢锭进行解剖，发现在钢锭内部存在着较大组织结构差异，与常规碳钢和低合金钢相比，枝晶干和枝晶间存在着较严重的Cr、Ni、Nb、N元素分布不均匀情况。通过研究发现，加热目标温度1250～1300℃。保温时间按照钢锭最大截面直径计算，保温时间控制在2～3min/mm，可提高钢锭内部成分和组织均匀性。

与常规奥氏体不锈钢相比，该合金热膨胀系数大、热导率低的特点，钢锭尺寸越大，加热越不均匀。冷锭加热时，采用阶梯加热法，炉温800℃以下钢锭入炉，先按照≤100℃/h升温到850℃，再按照≤150℃/h升温到850℃进行保温，按钢锭最大截面直径计算，保温时间控制在1～2min/mm控制，随后以≤150℃/h升温到目标加热温度，加热过程每小时翻钢一次，可提高钢锭各部位温度均匀性。

(2)对加热后的钢锭进行初轧开坯，对得到的初轧坯进行修磨。

初轧开坯是通过热变形，使材料由不均匀的铸态组织转变成组织和性能相对均匀的轧材纤维组织的关键工序。

取出本发明提到的含铌奥氏体耐热不锈钢钢锭内部的柱状晶组织，根据热拉伸试验得出的热塑性曲线，发现在钢锭表层下的柱状晶热变形难度非常大。在900～1050℃时，材料的断面收缩率随着温度的提高，从42％提高到51％，抗拉强度从227Mpa降低到178Mpa不断降低，此时材料虽具有一定塑性，但变形抗力非常大，轧制困难。在1100℃～1200℃断面收缩率升高到50％左右，强度在130Mpa～90Mpa，此时强度下降明显，也有一定塑性，可以适当轧制变形；当变形温度达到1200～1250℃时，材料断面收缩率急剧下降到28～23％，强度在61～40Mpa，可小变形轧制。到1300℃时断面收缩率下降到0.5％以下，强度仅1Mpa。因此，发明人基于前述研究确定该材料最佳热变形温度区间为1050～1250℃，热加工时应尽量保持在该温度区间，尽量避免在900℃以下热加工，禁止在1250℃以上热加工。

经过发明人的进一步深入研究，最终确定，开轧温度≤1250℃，终止温度≥1000℃。初始1-3道次压下率量≤10mm，后续4～10道次变形量30～50mm，成型道次变形量5～10mm，可以实施钢锭的正常开坯，大幅度降低废品率。

开坯之后，需要对初轧坯进行修磨。为了防止初轧坯热轧缺陷延伸到后工序，对初轧坯进行单面修磨量≥1mm的修磨，表面检验无裂纹、折叠、结疤、重皮等缺陷方准进入圆管坯轧制环节。

(3)将经过修磨的初轧坯送入加热炉，加热至目标温度并保温。

当加热炉温度在800℃以下时将经过修磨的初轧坯送入加热炉，按照升温速度≤150℃/h使加热炉温度升高至1150℃，进行第三次保温，然后快速(＞150℃/h)升温至1250～1300℃，进行第四次保温。按初轧坯截面长度计算，第三次保温的时间是1.5-2min/mm，第四次保温的时间是1-1.5min/mm。也就是，第三次保温的时间是1.5min×初轧坯截面长度，第四次保温的时间是1min×初轧坯截面长度，初轧坯截面长度的单位是毫米。共件任一点温差≤30℃。

采用相同变形参数下以初轧坯作为坯料进行热拉伸试验，试验结果表明，在900-1050℃，材料的断面收缩率从56％提高到61％，抗拉强度从273Mpa降低到168Mpa；在1100-1200℃断面收缩率升高到50％左右，强度在128Mpa-61Mpa；在1250℃，仍有40％延伸率，抗拉强度在51Mpa，到1300℃时断面收缩率下降到2％以下，强度仅9Mpa,材料热塑性急剧恶化。与钢锭柱状晶相比，热塑性也较大提升。

经过发明人的进一步深入研究，最终确定，圆管坯轧制前的加热炉加热目标温度1250-1280℃，不同温度段加热时间为：800℃以下，按照≤150℃/h，加热到1150℃进行保温，按初轧坯截面长度计算，保温时间控制在1.5min/mm，1150℃以上，快速升温至目标加热温度，按初轧坯截面长度计算，保温时间控制在1min/mm，可以保证材料的正常轧制时处于最佳热加工窗口范围，并减少轧制废品。

(4)将加热后的初轧坯轧制成圆管坯。

为了进一步提高材料组织均匀性，采用压缩法对初轧坯热变形过程中的再结晶行为进行研究，发现在应变速率较低时，在开始变形阶段，热变形过程中动态软化占据主导，当应变速率较高时，热变形过程中加工硬化占据主导。对柱状晶粒组织实施一定量的变形量，在应变速率为1S^-1，1050℃时合金再结晶比例超过80％，再结晶晶粒尺寸十分细小；在1150℃时，再结晶比例继续提升，超过90％，再结晶晶粒尺寸比1050℃条件下稍大；在1250℃时，合金已完全发生动态再结晶，并且再结晶后的晶粒发生调整与长大，组织更加均匀。

经过多次理论计算、试验和生产实践，最终确定为开轧温度≤1250℃，终止温度≥1050℃。轧制采用“箱型-菱方-椭圆-圆”孔型系统，初始1～2道次变形量≤10mm，延伸道次3～6道次压下量≤30mm，成型7～9道次变形量≤5mm，热轧后的管坯内在组织更加均匀。

然后采用常规方法进行空冷、矫直、检验。

实施例

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。

实施例1：

钢锭规格为3吨方锭，最大截面尺寸400mm，目标管坯规格为Φ110mm。

本实施例具体包括：

管坯清理：采用吊挂砂轮，清理干净钢锭表面肉眼可见缺陷，保证钢锭外表面无裂纹、结疤、翻皮、气孔等缺陷。

均热炉加热：目标温度1290℃，钢锭从室温升到850℃，升温时间540min，后升到1150℃，升温时间300min，到1150℃后保温600min，后再升到1290℃，升温时间60min，在1290℃保温1000min。加热过程每小时翻钢一次。

初轧开坯：开坯规格220²mm。开轧温度1242℃，终轧温度1076℃。1-3道次压下量10mm，4-10单道次压下量30-40mm，成型道次压下量5mm。

初轧坯修磨：单边修磨1mm，修磨后规格为218²mm，磨干净肉眼可见缺陷。

圆管坯加热炉轧制：目标温度：1260℃，升温段加热时间500min，升温到1150℃保温330min，再升温至1260℃，保温220min。

圆管坯轧制：规格

采用“箱型-椭圆-圆”孔型系统。开轧温度：1240℃，终轧温度：1043℃。初始1-2道次压下量5mm，3-6道次压下量10-28mm，7道次压下量≤5mm。

实施例2：

钢锭规格为2.5吨圆锭，最大截面尺寸350mm，目标管坯规格为Φ100mm。

本实施例具体包括：

管坯清理：采用吊挂砂轮，清理干净钢锭表面肉眼可见缺陷，保证钢锭外表面无裂纹、结疤、翻皮、气孔等缺陷。

均热炉加热：目标温度1280℃，钢锭从室温升到850℃，升温时间540min，后升到1150℃，升温时间300min，到1150℃后保温550min，后再升到1280℃，升温时间60min，在1280℃保温900min。加热过程每小时翻钢一次。

初轧开坯：开坯规格210²mm。开轧温度1240℃，终轧温度1053℃。1-3道次压下量10mm，4-10单道次压下量20-30mm，成型道次压下量6mm。

初轧坯修磨：单边修磨1mm，修磨后规格为208²mm，磨干净肉眼可见缺陷。

圆管坯加热炉加热：目标温度：1260℃，升温段加热时间500min，升温到1150℃保温320min，再升温至1260℃，保温210min。

圆管坯轧制：规格

采用“箱型-菱方-椭圆-圆”孔型系统。开轧温度：1242℃，终轧温度：1045℃。初始1-2道次压下量5mm，3-6道次压下量8-25mm，7道次压下量≤5mm。

通过上述实施例1和2，可以确定，采用本发明的方法，生产的圆管坯组织晶粒度可控制在3-7级别，极差控制在2个极差以内；生产的圆管坯具有良好的热穿孔性能，热穿孔后毛管内外壁表面检验合格率可达到90％以上。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的替代、修饰、组合、改变、简化等，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种含铌奥氏体耐热不锈钢圆管坯的加工方法，其特征在于，包括：

(1)将经过清理的钢锭送入均热炉，加热至目标温度并保温；

(2)对加热后的钢锭进行初轧开坯，对得到的初轧坯进行修磨；

(3)将经过修磨的初轧坯送入加热炉，加热至目标温度并保温；

(4)将加热后的初轧坯轧制成圆管坯。

2.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于，步骤(1)的目标温度是1250～1300℃；

可选地，步骤(1)进一步包括：当均热炉温度在800℃以下时将经过清理的钢锭送入均热炉，按照升温速度≤100℃/h使均热炉温度升高至850℃，再按照升温速度≤150℃/h使均热炉温度升高至1150℃，进行第一次保温，然后按照升温速度≤150℃/h使均热炉温度升高至1250～1300℃，进行第二次保温。

3.根据权利要求2所述的加工方法，其特征在于，按钢锭最大截面直径计算，第一次保温的时间是1～2min/mm，第二次保温的时间是2～3min/mm。

4.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于，在步骤(2)中，开轧温度≤1250℃，终止温度≥1000℃。

5.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于，在步骤(2)中，初始1～3道次变形量≤20mm，变形4～10道次变形量是30～50mm，成型道次变形量是5～10mm。

6.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于，步骤(3)的目标温度是1250～1300℃；

可选地，步骤(3)进一步包括：当加热炉温度在800℃以下时将经过修磨的初轧坯送入加热炉，按照升温速度≤150℃/h使加热炉温度升高至1150℃，进行第三次保温，然后采用速度＞150℃/h升温至1250～1300℃，进行第四次保温。

7.根据权利要求6所述的加工方法，其特征在于，按初轧坯截面长度计算，第三次保温的时间是1.5-2min/mm，第四次保温的时间是1-1.5min/mm。

8.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于，在步骤(4)中，开轧温度≤1250℃，终止温度≥1000℃。

9.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于，在步骤(4)中，采用“箱型-菱方-椭圆-圆”孔型系统，初始1～2道次变形量≤10mm，延伸道次3～6道次压下量≤30mm，成型道次7～9道次变形量≤5mm。