CN113549746B - 一种20MnMo管板用钢的锻造与热处理工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明属于管板用钢技术领域，具体涉及一种20MnMo管板用钢的锻造与热处理工艺。步骤为：将钢锭预热处理后进行加热，使钢锭加热均匀化；对加热后的钢锭锭身进行上、下平砧倒棱和切除水口、冒口；处理后的的钢锭经回炉加热后进行镦粗和宽砧强压；并采用连接拔拔长工序，控制压下量得到中间锻材；再次回炉加热，加热后冷却至750～820℃(JTS法锻件表面降温锻造法)，采用D/H1＝0.8圆砧对锻材局部镦粗，修平锻材平面回炉加热，得到处理完的中间锻材再进行回炉加热，采用窄平砧对中间锻材表面和侧面局部修复，得到管板毛坯锻件；先正火后扩氢热处理，缓冷出炉。本发明解决了目前管板探伤不合格问题，应用前景广阔。

Description

一种20MnMo管板用钢的锻造与热处理工艺
技术领域
本发明属于压力容器管板用钢技术领域，具体涉及一种20MnMo管板用钢的锻造与热处理工艺。
背景技术
管板就是在钢板上钻出和管子外径一样的孔，将管子穿入焊住固定，起这样作用的一种配件。目前国内使用的20MnMo钢具有较好的焊接性，被用于制造-40℃～470℃的压力容器构建，压力容器管板是压力容器重要部件，它直接影响着管箱的承压能力。压力容器的用途十分广泛，它在石油、化学工业、能源工业、科研和军工等国民经济的各个领域都有着广泛地运用。管板长期以来都是用模铸钢锭进行锻造加工，目前20MnMo管板锻造主要问题是探伤不合格，缺陷主要集中在管板中心部位。
目前下游用户管板用钢20MnMo在锻造后探伤不合格，在管板锻件的中心部位存在密集性缺陷以及探伤低波降低量超标。分析主要原因是锻造工艺不当以及锻后热处理未充分扩氢造成管板用钢20MnMo的材质探伤不合格，锻件中心部分锻造不充分无法焊合同时氢原子来不及扩散在，便在锻件心部空穴中聚集结合成分子氢，就容易产生裂纹或应力集中区域，是我国钢铁行业亟需解决的关键问题。
因此，本专利提供一种20MnMo管板用钢的锻造方法及热处理工艺，解决目前管板探伤不合格问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的技术缺陷，解决目前管板探伤不合格问题，本发明一种20MnMo管板用钢的锻造与热处理工艺。
为了实现以上目的，具体步骤如下：
一种20MnMo管板用钢，由下列重量百分比的成分组成：
C：0.17～0.23％、Si：0.15～0.40％、Mn：1.10～1.40％、P≤0.025％、S≤0.010％、Cr：≤0.030％、 Ni≤0.030％、Mo：0.20～0.35％、Cu≤0.20％、N≤100ppm、H≤2.0ppm、O≤25ppm；余量为Fe 及不可避免杂质。
本发明还提供一种20MnMo管板用钢的锻造与热处理工艺，包括以下步骤：
主要包括(原材料钢锭生产+管板锻件生产)：电炉冶炼、钢包脱氧合金化、LF钢包精炼、VD钢包真空精炼、模铸、锻造、热处理、探伤，以达到用户的探伤要求。
其中关键性技术采用锻造以及热处理工艺如下：
(1)钢锭加热：将钢锭放置加热炉加热；首先进行预热处理：加热到480～515℃后加热升温至700～750℃保温2.5～3.0小时(通过提前对钢锭进行预热处理，防止钢锭内外应力差开裂和锻件表面裂痕)；
钢锭预热后再进行高温加热，温度为1230～1250℃，保温5～5.5小时，得到加热后的钢锭；高温加热使钢锭加热均匀化，在此温度区间合金元素充分固溶、组织完全奥实体化，提高钢锭可塑性，降低锻造难度；
(2)锻造：
第一工步：取加热完的钢锭，对钢锭锭身进行上、下平砧倒棱和切除水口、冒口；
第二工步：对第一步处理完的钢锭进行回炉加热后进行镦粗和宽砧强压W/H0＝0.6，式中所述W为宽砧长度，H0为钢锭锻件高度；并采用连接拔拔长工序，控制压下量为15～25％，得到中间锻材(采取高温大变形的方式充分破碎钢锭铸态组织)；
第三工步：对第二工步处理完的中间锻材再次回炉加热，加热后待锻材表面冷却至 750～820℃时(JTS法锻件表面降温锻造法)，采用D/H1＝0.8圆砧对锻材局部镦粗(在锻材中心部位旋转一周镦粗锻造)，式中所述D为圆砧直径，H1 为锻件高度；单边压下量控制在 10～15％，每镦粗一次停留2～3秒(使锻件心部缺陷充分变形焊合)，锻造后修平锻材平面回炉加热；然后对锻材另外一面重复第三工步操作；
第四工步：对第三步处理完的中间锻材再进行回炉加热，然后采用窄平砧对中间锻材表面和侧面局部修复，最后得到符合要求尺寸的管板毛坯锻件；
(3)锻后热处理：锻造后得到管板毛坯锻件热送正火，正火温度控制在900～950℃，正火保温时间16～20小时；正火之后炉冷至300～350℃，再升温至扩氢600～650℃进行保温，保温时长为T，保温后缓冷至200～220℃出炉空冷，得到最终锻件。
进一步地，步骤(2)所述第二工步中回炉加热的温度为1230～1250℃，保温时间为6～6.5 小时。
进一步地，步骤(2)所述第二工步中控制压下量为20％。
进一步地，步骤(2)所述第三工步中控制压下量为12～13％。
进一步地，步骤(2)所述第三工步中回炉加热的温度均为1220～1230℃，保温时间均为 3.5小时。
进一步地，步骤(2)所述第四工步中回炉加热的温度为1220～1230℃，保温时间为3.5 小时。
进一步地，步骤(3)中所述保温时长为T，单位h，T＝(5H/100)±2，式中所述H为锻件有效厚度，单位mm。
本发明的优点和技术效果是：
目前锻造工艺不当以及锻后热处理未充分扩氢造成管板用钢20MnMo的材质探伤不合格，锻件中心部分锻造不充分无法焊合同时氢原子来不及扩散在，便在锻件心部空穴中聚集结合成分子氢，就容易产生裂纹或应力集中区域；本发明采用JTS法锻件表面降温锻造法，使管板锻件心部压实焊合，采用锻件锻后先正火后扩氢热处理，解决目前管板探伤不合格问题，最终锻件磁粉检测满足NB/T47013.4质量等级1级要求。
附图说明
图1为传统锻造工艺管板密集型缺陷分布位置示意图；a图为管板主视图，b图为管板剖视图。
具体实施方式
以下结合实例对本发明进行详细描述，但本发明不局限于这些实施例。
实施例1：
本实施例涉及的20MnMo钢锭为18吨八角锭(钢锭尺寸参数见下表)，其化学成分按质量百分比计为：C：0.19％、Si：0.26％、Mn：1.25％、P:0.011％、S:0.002％、Cr：0.13％、Ni:0.03％、 Mo:0.26％、Al:0.023％、Cu:0.02％、N：24ppm、H:1.0ppm、O:21ppm；余量为Fe及不可避免杂质。
上述钢锭生产依次经过：(铁水约83％+废钢→电炉→LF精炼→VD真空精炼→模铸→带罩缓冷)电炉工序、LF精炼工序、VD真空工序生产出钢水，钢水全程保护浇注成钢锭，钢锭尺寸参数见下表，带模罩缓慢冷却。
表1钢锭参数
Figure BDA0003186762930000031
管板锻件生产依次经过：将钢锭进入加热炉加热，钢锭锻造分4个工步步骤进行，锻造完成后扩氢退火后出炉探伤：关键步骤如下所示；
(1)钢锭加热：将钢锭放置加热炉加热；首先进行预热处理：加热到510℃后加热升温至750℃并保温3.0小时；通过提前对锻件进行预热处理，防止锻件内外应力差开裂和锻件表面裂痕；
钢锭预热处理后再进行高温加热使钢锭加热均匀化，加热温度1240℃并保温5.5小时，在此温度区间合金元素充分固溶、组织完全奥实体化，提高钢锭可塑性，降低锻造难度。
(2)锻造：包括第一工步、第二工步、第三工步、第四工步；
第一工步：取加热完的钢锭，对钢锭锭身进行上下平砧倒棱和切除水口、冒口；
第二工步：对第一步处理完的钢锭回炉加热，加热温度为1240℃，保温6.3小时，然后进行进行镦粗和宽砧强压W/H0＝0.6，式中所述W为宽砧长度，H0为钢锭高度；至钢锭Φ1500mm，再采用连接拔拔长至直径Φ835mm，控制压下量为20％，本工步采取高温大变形的方式充分破碎钢锭铸态组织，得到中间锻材；
第三工步：对第二工步处理完的中间锻材回炉加热，加热温度为1225℃，保温3.5小时，待锻材表面冷却至800℃时(采用JTS法锻件表面降温锻造法)，采用条件D/H1＝0.8圆砧对锻材局部镦粗，式中所述D为圆砧直径，H1 为锻件高度；在锻材中心部位旋转一周镦粗锻造，单边压下量控制在13％，每镦粗一次停留3秒，使锻材心部缺陷充分变形焊合，锻造后修平锻材平面回炉加热，加热温度为1225℃，保温3.5小时；然后对锻材另外一面重复第三工步操作；
第四工步：对第三步处理完的中间锻材再次进行回炉加热，加热温度1225℃，保温3.5 小时，采用窄平砧对锻件表面局部修复，再对中间锻材侧面修复，最后得到Φ2250*460mm 尺寸的管板毛坯锻件；
(3)锻后热处理：锻造后锻件热送正火，正火温度在930℃，保温16.5小时，之后炉冷至310℃升温至扩氢650℃保温21小时，缓冷至220℃出炉空冷至室温，得到最终锻件。
(4)机加工：对管板锻件上、下端面机械加工见光。
(5)探伤：对锻件进行超声波探伤。
图1为传统锻造工艺管板锻件探伤不合格缺陷部位，缺陷当量Φ2～Φ5mm；这是普遍存在的问题；基于本发明以上实施例步骤完成后，管板锻件探伤质量，表2为管板探伤结果，通过本发明锻造工艺及热处理方法合计生产的管板锻件10件全部探伤合格，具体结构见表2。
表2管板探伤结果
Figure BDA0003186762930000041
通过表2可以看出，本发明采用JTS法锻件表面降温锻造法，使管板锻件心部压实焊合，采用锻件锻后先正火后扩氢热处理，解决了目前管板探伤不合格的问题，最终锻件磁粉检测满足NB/T47013.4质量等级1级要求。
说明：以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (7)

1.一种20MnMo管板用钢的锻造与热处理工艺，其特征在于，包括以下步骤：
（1）钢锭加热：将钢锭放置加热炉加热；首先进行预热处理：加热到480~515℃后加热升温至700~750℃，保温2.5~3.0小时；
钢锭预热处理后再进行高温加热，温度为1230~1250℃，保温5~5.5小时，得到加热后的钢锭；
（2）锻造：
第一工步：取加热后的钢锭，对钢锭锭身进行上、下平砧倒棱和切除水口、冒口；
第二工步：对第一步处理完的钢锭进行回炉加热后进行镦粗和宽砧强压W/H0=0.6，式中所述W为宽砧长度，H0为钢锭高度；并采用连接拔拔长工序，控制压下量为15~25%，得到中间锻材；
第三工步：对第二工步处理完的中间锻材再次回炉加热，加热后待锻材表面冷却至750~820℃时，采用条件D/H1=0.8圆砧对锻材局部镦粗，式中所述D为圆砧直径，H1为锻件高度；单边压下量控制在10~15%，每镦粗一次停留2~3秒，锻造后修平锻材平面回炉加热；然后对锻材另外一面重复第三工步操作；
第四工步：对第三步处理完的中间锻材再进行回炉加热，然后采用窄平砧对中间锻材表面和侧面局部修复，最后得到符合要求尺寸的管板毛坯锻件；
（3）锻后热处理：锻造后得到管板毛坯锻件热送正火，正火温度控制在900~950℃，正火保温时间16~20小时；正火之后炉冷至300~350℃，再升温至扩氢600~650℃进行保温，保温时长为T，保温后缓冷至200~220℃出炉空冷，得到最终锻件；
所述20MnMo管板用钢，由下列重量百分比的成分组成：
C：0.17～0.23%、Si：0.15～0.40%、Mn：1.10～1.40%、P≤0.025%、S≤0.010%、Cr：≤0.030%、Ni≤0.030%、Mo：0.20～0.35%、Cu ≤0.20%、N≤100ppm、H≤2.0ppm、O≤25ppm；余量为Fe及不可避免杂质。
2.根据权利要求1所述的一种20MnMo管板用钢的锻造与热处理工艺，其特征在于，步骤（2）所述第二工步中回炉加热的温度为1230~1250℃，保温时间为6~6.5小时。
3.根据权利要求1所述的一种20MnMo管板用钢的锻造与热处理工艺，其特征在于，步骤（2）所述第二工步中控制压下量为20%。
4.根据权利要求1所述的一种20MnMo管板用钢的锻造与热处理工艺，其特征在于，步骤（2）所述第三工步中控制压下量为12~13%。
5.根据权利要求1所述的一种20MnMo管板用钢的锻造与热处理工艺，其特征在于，步骤（2）所述第三工步中回炉加热的温度均为1220~1230℃，保温时间均为3.5小时。
6.根据权利要求1所述的一种20MnMo管板用钢的锻造与热处理工艺，其特征在于，步骤（2）所述第四工步中回炉加热的温度为1220~1230℃，保温时间为3.5小时。
7.根据权利要求1所述的一种20MnMo管板用钢的锻造与热处理工艺，其特征在于，步骤（3）中所述保温时长为T，单位h，T=（5H/100）±2，式中所述H为锻件有效厚度，单位mm。
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