CN113564327A - 一种适用于制造电站锅炉用厚壁钢管的热处理工艺 - Google Patents

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CN113564327A CN202110821170.6A CN202110821170A CN113564327A CN 113564327 A CN113564327 A CN 113564327A CN 202110821170 A CN202110821170 A CN 202110821170A CN 113564327 A CN113564327 A CN 113564327A
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Abstract

本申请涉及厚壁钢管制造技术的领域，具体公开了一种适用于制造电站锅炉用厚壁钢管的热处理工艺，该热处理工艺包括以下步骤：S1、将出炉后的钢管在空气中预冷3‑16min；S2、将步骤S1中预冷后的钢管冷却2‑9min,冷却速度大于0.75℃/s；S3、将步骤S2中冷却后的钢管在空气中自然冷却至常温。厚壁钢管在预冷时析出铁素体，避免出现表面硬度超上限，再快速降温至400℃‑500℃，又可获得珠光体和部分贝氏体组织，由此方法制备出的钢管，金相组织良好，具有良好的力学性能和高温蠕变性能。

Description

一种适用于制造电站锅炉用厚壁钢管的热处理工艺
技术领域
本申请涉及厚壁钢管制造技术的领域，尤其是涉及一种适用于制造电站锅炉用厚壁钢管的热处理工艺。
背景技术
12Cr1MoVG钢是电站锅炉用量最大的低合金耐热钢，该钢主要采用Cr、Mo合金元素进行固溶强化，并加入一定量的V元素与C元素结合形成VC等碳化物进行弥散强化，其组织结构稳定且具有较高的持久强度,主要用于制作高压锅炉壁温≤580℃的过热器管以及管温≤580℃的集箱管、蒸汽导管和主蒸汽管等。
常规生产的热处理工艺按GB/T5310-2017执行,对于壁厚≥30mm的钢管采用正火+回火或淬火+回火的工艺，正火后应快速冷却。
针对上述中的相关技术，发明人在实际生产中发现：厚壁12CrlMoVG钢管经常规“正火+回火”处理后钢管的冲击韧性、稳定性较差，其性能随热处理工艺波动的问题更加突出。若按标准要求采用调质工艺处理后，会出现表面硬度和强度超上限的情况，且伸长率等塑性指标较低，钢管的综合性能较差。
发明内容
为了提高厚壁钢管的综合性能，本申请提供一种适用于制造电站锅炉用厚壁钢管的热处理工艺。
本申请提供的一种适用于制造电站锅炉用厚壁钢管的热处理工艺，采用如下的技术方案：
一种适用于制造电站锅炉用厚壁钢管的热处理工艺，包括以下步骤：
S1、将出炉后的钢管在空气中预冷3-16min；
S2、将步骤S1中预冷后的钢管冷却2-9min,冷却速度大于0.75℃/s；
S3、将步骤S2中冷却后的钢管在空气中自然冷却至常温。
通过采用上述技术方案，钢的奥氏体化后的冷却速度对其组织结构均有较大的影响,本申请中的钢管优选为12Cr1MoVG钢管，先将钢管在空气中预冷3-16min，使得钢管降温至750℃-800℃，析出铁素体，避免出现表面硬度超上限，再控制冷却速度，使12Cr1MoVG钢管在中温区发生组织转变，保持大于0.75℃/S冷却速度将钢管降温至400℃-500℃，又可获得珠光体和部分贝氏体组织；由此方法制备出的钢管，其金相组织含有比例优化的贝氏体、铁素体和珠光体，具有良好的力学性能和高温蠕变性能。步骤S2中的冷却速度进一步优选为大于1℃/s，再进一步优选为大于2℃/s。
优选的，步骤S2中通过对钢管喷水进行冷却。
通过采用上述技术方案，采用喷水的方式对钢管进行快速冷却，冷却效果佳，成本低，且便于操作。
优选的，所述钢管壁厚为30mm≤S≤50mm，当空气温度≤15℃时，步骤S1中预冷时间为3-5min，步骤S2中冷却时间为2-3min，当空气温度＞15℃时，步骤S1中预冷时间为4-6min，步骤S2中冷却时间为3-4min。
通过采用上述技术方案，对于壁厚为30mm≤S≤50mm的钢管，预冷时间和喷水冷却时间均控制的较短，在环境温度不高于15℃时，预冷时间仅为3-5min，喷水冷却时间仅为2-3min，即可得到屈服强度为400MPa左右、抗拉强度高于500MPa、延伸率约为28％、冲击性能和硬度均稳定的钢管；在环境温度高于15℃时，预冷时间仅为4-6min，喷水冷却时间仅为3-4min，所得钢管的屈服强度、抗拉强度和延伸率也均较高、冲击性能和硬度均稳定，钢管性能良好。
优选的，所述钢管壁厚为50mm＜S≤70mm，当空气温度≤15℃时，步骤S1中预冷时间为5-7min，步骤S2中冷却时间为3-4min，当空气温度＞15℃时，步骤S1中预冷时间为6-8min，步骤S2中冷却时间为4-5min。
通过采用上述技术方案，对于壁厚为50mm＜S≤70mm的钢管，在较短的预冷时间和喷水冷却时间内，所得到的钢管具有较高的屈服强度、抗拉强度和延伸率，冲击性能和硬度也较稳定，钢管的金相组织含有铁素体、珠光体和贝氏体，并且铁素体的晶粒度和贝氏体图案的尺寸细小且均匀，所得钢管具有较为理想的金相组织。
优选的，所述钢管壁厚为70mm＜S≤90mm，当空气温度≤15℃时，步骤S1中预冷时间为7-9min，步骤S2中冷却时间为4-5min，当空气温度＞15℃时，步骤S1中预冷时间为8-10min，步骤S2中冷却时间为5-6min。
通过采用上述技术方案，对于壁厚为70mm＜S≤90mm的钢管，在较短的预冷时间和喷水冷却时间内，即可得到抗拉强度在510-540MPa之间、延伸率为26％-28％、冲击性能和硬度均稳定的钢管。
优选的，所述钢管壁厚为90mm＜S≤100mm，当空气温度≤15℃时，步骤S1中预冷时间为9-11min，步骤S2中冷却时间为5-6min，当空气温度＞15℃时，步骤S1中预冷时间为10-12min，步骤S2中冷却时间为6-7min。
通过采用上述技术方案，对于壁厚为90mm＜S≤100mm的钢管，根据外界温度的不同，控制不同的预冷和喷水冷却时间，所得到的钢管金相组织较为理想，具有优化比例的贝氏体、铁素体和珠光体组织，具有良好的常温性能和高温蠕变性能。
优选的，所述钢管壁厚为100mm＜S≤110mm，当空气温度≤15℃时，步骤S1中预冷时间为11-13min，步骤S2中冷却时间为6-7min，当空气温度＞15℃时，步骤S1中预冷时间为12-14min，步骤S2中冷却时间为7-8min。
通过采用上述技术方案，对于壁厚为100mm＜S≤110mm的钢管，在环境温度不高于15℃时，预冷时间为11-13min，喷水冷却时间仅为6-7min，即可得到屈服强度为470MPa左右、抗拉强度为460-490MPa、延伸率较高、冲击性能和硬度均较稳定的钢管；在环境温度高于15℃时，预冷时间仅为12-14min，喷水冷却时间仅为7-8min，所得到的钢管的屈服强度为460-480MPa，抗拉强度为480MPa左右，延伸率为20％左右、冲击性能和硬度均较稳定。
优选的，所述钢管壁厚为110mm＜S≤120mm，当空气温度≤15℃时，步骤S1中预冷时间为13-15min，步骤S2中冷却时间为7-8min，当空气温度＞15℃时，步骤S1中预冷时间为14-16min，步骤S2中冷却时间为8-9min。
通过采用上述技术方案，对于壁厚为110mm＜S≤120mm的钢管，预冷时间较长且喷水冷却时间较短的情况下，即可得到具有良好的金相组织的钢管，其屈服强度、抗拉强度和延伸率均较高、冲击性能和硬度均较稳定。
优选的，步骤S3中通过对钢管喷防腐涂层剂进行冷却，所述防腐涂层剂主要由以下重量份的原料制成：1000-1500份磷酸二氢铝粉末、10000-20000份水、80-140份铝粉和90-150份石墨。
通过采用上述技术方案，12Cr1MoVG钢管主要用于制作高压锅炉壁温≤580℃的过热器管以及管温≤580℃的集箱管、蒸汽导管和主蒸汽管等，长期处于高温条件下，钢管随着使用时间的增长会出现高温疲劳、电化学腐蚀等情况，通过将防腐涂层剂喷涂于钢管上对钢管进行冷却，一方面由于喷涂时钢管处于高温状态，防腐涂层剂更易附着在钢管表面，在钢管的表面形成保护膜，有助于防止钢管在之后的使用过程中被腐蚀；
石墨具有较好的导热性，有助于钢管温度的降低，且其化学性质稳定，耐腐蚀，同酸、碱等不易发生反应，提高了钢管的防腐蚀性；铝粉与氧气反应，在钢管表面形成致密的氧化铝薄膜，对钢管进行保护，磷酸二氢铝具有较高的粘结性，附着力好，可将石墨和铝粉粘接在一起，形成P-O-AL网状交联结构，提高粘结剂的稳定性。
综上所述，本申请具有以下至少一种有益技术效果：
1.本申请的适用于制造电站锅炉用厚壁钢管的热处理工艺先将12Cr1MoVG钢管在空气中预冷至750℃-800℃，析出铁素体，避免出现表面硬度超上限，再控制冷却速度，保持大于0.75℃/S的冷却速度将钢管降温至400℃-500℃，又可获得珠光体和部分贝氏体组织，由此方法制备出的钢管，具有良好的力学性能和高温蠕变性能。
2.本申请的适用于制造电站锅炉用厚壁钢管的热处理工艺中，通过向钢管表面喷洒防腐涂层剂进行降温，其中，石墨具有较好的导热性，有助于钢管温度的降低，铝在高温条件下在钢管表面形成致密氧化铝的保护膜，石墨和氧化铝的性质稳定，耐高温，可防止钢管在使用过程中被腐蚀，磷酸二氢铝具有较高的粘结性，附着力好，与铝粉形成P-O-AL网状交联结构，粘结剂的稳定性好。
附图说明
图1是经本申请热处理工艺处理后的实施例11的厚壁12CrlMoVG钢管的金相组织图。
图2是经本申请热处理工艺处理后的实施例21的厚壁12CrlMoVG钢管的金相组织图。
图3是经本申请热处理工艺处理后的实施例25的厚壁12CrlMoVG钢管的金相组织图。
具体实施方式
以下结合附图1-3实施例对本申请作进一步详细说明。
制备例
制备例1
本制备例的防腐涂层剂的制备方法包括如下步骤：
将1000g粒径为325目的磷酸二氢铝粉末溶于20L水中，加入80g粒径为400目的铝粉和150g粒径为400目的石墨，搅拌均匀。
制备例2-7的防腐涂层剂的制备方法参考制备例1，各原料的配比如表1所示。
表1制备例1-7中的各原料的配比
制备例 磷酸二氢铝/g 水/L 铝粉/g 石墨/g
制备例1 1000 10 80 90
制备例2 1200 15 80 90
制备例3 1500 20 80 90
制备例4 1200 15 110 90
制备例5 1200 15 140 90
制备例6 1200 15 110 120
制备例7 1200 15 110 150
实施例
实施例1
本实施例的一种适用于制造电站锅炉用厚壁钢管的热处理工艺包括如下步骤：
S1、预冷：壁厚为40mm、外径为660mm的12Cr1MoVG钢管出炉后，当环境温度为13℃时，将钢管放置于空气中自然冷却3min，使钢管中析出部分铁素体；
S2、喷水冷却：将步骤S1预冷后的钢管放置于雾冷机上，对钢管喷水雾2min，将钢管快速冷却，使钢管中产生珠光体和部分贝氏体组织；
S3、空冷：将步骤S2水冷后的钢管放置于空气中自然沥干、冷却至室温。
实施例2-26
实施例2-26与实施例1的区别之处在于，钢管尺寸、外界温度、步骤S1中的预冷时间和步骤S2中的喷水冷却时间不完全相同,实施例1-26中的钢管尺寸、外界温度、预冷时间和喷水冷却时间如表2所示。
表2实施例1-26中钢管尺寸、外界温度、预冷时间和喷水冷却时间
实施例 钢管尺寸/mm 外界温度/℃ 预冷时间/min 喷水冷却时间/min
实施例1 660*40 13 3 2
实施例2 660*40 19 4 3
实施例3 813*48 13 4 3
实施例4 813*48 17 5 4
实施例5 660*50 12 4 3
实施例6 660*50 17 5 4
实施例7 864*50 14 5 3
实施例8 864*50 18 6 4
实施例9 711*55 13 5 3
实施例10 711*55 17 6 4
实施例11 457*60 14 7 4
实施例12 457*60 16 8 5
实施例13 406*80 15 7 4
实施例14 406*80 17 8 5
实施例15 457*80 14 9 5
实施例16 457*80 18 10 6
实施例17 457*95 13 9 5
实施例18 457*95 19 10 6
实施例19 762*95 13 10 5
实施例20 762*95 18 11 6
实施例21 559*100 14 11 6
实施例22 559*100 17 12 7
实施例23 559*110 14 12 7
实施例24 559*110 16 13 8
实施例25 610*120 15 14 8
实施例26 610*120 18 15 9
实施例27
实施例27与实施例1的区别之处在于，在步骤S2中，使用制备例1的防腐涂层剂对钢管喷涂进行快速冷却，步骤S2的冷却时间为4min，其余步骤与实施例1中的步骤相同。
实施例28-40
实施例28-40与实施例27的区别之处在于，外界温度、制备例、步骤S1中的预冷时间和步骤S2中的喷水冷却时间均不同,实施例27-40中的外界温度、防腐涂层剂的种类、预冷时间和喷水冷却时间如表3所示。
表3实施例27-40中外界温度、预冷时间和喷水冷却时间
实施例 外界温度/℃ 防腐涂层剂 预冷时间/min 喷水冷却时间/min
实施例27 14 制备例1 3 4
实施例28 17 制备例1 4 5
实施例29 13 制备例2 3 4
实施例30 17 制备例2 4 5
实施例31 13 制备例3 3 4
实施例32 18 制备例3 4 5
实施例33 14 制备例4 3 4
实施例34 16 制备例4 4 5
实施例35 14 制备例5 3 4
实施例36 17 制备例5 4 5
实施例37 13 制备例6 3 4
实施例38 16 制备例6 4 5
实施例39 14 制备例7 3 4
实施例40 16 制备例7 4 5
对比例
对比例1-26分别与实施例1-26的区别之处在于，将经正火处理后的12Cr1MoVG钢管保温30min后出炉，然后在空气中自然冷却至室温，再回火750℃，保温2.5h。
性能检测试验
成本分析
采用本申请的热处理工艺，将平均热处理次数降低至1.5次，每吨少消耗燃气105m3，平均吨钢降低成本约300元，按年3000吨产品计算，降低成本约90万元。
试验
根据GB/T5310-2017中记载的试验方法，分别对实施例1-40和对比例1-26中处理后的钢管进行屈服强度、抗拉强度、延伸率、冲击性能和硬度的检测，检测结果如表4所示。
表4实施例1-40及对比例1-26中处理后的钢管的性能检测结果
Figure BDA0003172011430000061
Figure BDA0003172011430000071
Figure BDA0003172011430000081
结合实施例1-40和对比例1-26及表3，对于同种规格的钢管，无论在外界温度≤15℃还是外界温度＞15℃时，经正火后再回火处理的钢管，部分样品的屈服强度和硬度超上限，而经空冷再经快速喷水冷却处理后的钢管，屈服强度和硬度均在标准范围内；经空冷再经快速喷水冷却处理后的钢管的抗拉强度、延伸率和冲击性能均高于经正火后再回火处理的钢管；经正火后再回火处理的钢管的冲击性能较分散，而经空冷再经快速喷水冷却处理后的钢管的冲击性能较为集中。
采用中性盐雾试验对实施例1-2和实施例27-40的耐腐蚀性进行检测，试验设备为HS-101B盐雾试验箱，在盐雾箱中添加质量浓度为3.5％的NaCl溶液，设定试验时间与喷雾方式，根据GB/T10125-2012《人造气氛腐蚀试验盐雾试验》进行试验，试验温度为35℃，试验周期为1000小时，每隔24h观察记录试样表面变化，根据标准对试样表面腐蚀情况进行评级，评级标准以腐蚀缺陷面积为准，具体评级标准如表5所示，试验结果如表6所示。
表5涂层耐腐蚀保护评级标准
缺陷面积(A/％) 保护评级(RP)
无缺陷 10
0＜A≤0.1 9
0.1＜A≤0.25 8
0.25＜A≤0.5 7
0.5＜A≤1.0 6
1.0＜A≤2.5 5
2.5＜A≤5.0 4
5.0＜A≤10 3
10＜A≤25 2
25＜A≤50 1
50＜A 0
表6耐腐蚀性实验结果
Figure BDA0003172011430000082
Figure BDA0003172011430000091
结合实施例1-2和实施例27-40及表4，喷涂防腐涂层冷却的钢管的耐腐蚀性能优于喷水冷却的钢管，结合实施例27-40及表4，喷涂不同制备例制备出的防腐涂层剂的钢管的耐腐蚀性能无明显差异。
对实施例11、实施例21和实施例25分别进行金相组织检测，检测结果如图1-图3所示。
结合图1-图3，经空冷再经快速喷水冷却处理后的钢管，其金相组织均含有铁素体、珠光体和贝氏体，铁素体晶粒度与贝氏体图案的尺寸较细小且较为均匀，贝氏体为粒状，金相组织较为理想。
以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种适用于制造电站锅炉用厚壁钢管的热处理工艺，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将出炉后的钢管在空气中预冷3-16min；
S2、将步骤S1中预冷后的钢管冷却2-9min,冷却速度大于0.75℃/s；
S3、将步骤S2中冷却后的钢管在空气中自然冷却至常温。
2.根据权利要求1所述的一种适用于制造电站锅炉用厚壁钢管的热处理工艺，其特征在于：步骤S2中通过对钢管喷水进行冷却。
3.根据权利要求2所述的一种适用于制造电站锅炉用厚壁钢管的热处理工艺，其特征在于：所述钢管壁厚为30mm≤S≤50mm，当空气温度≤15℃时，步骤S1中预冷时间为3-5min，步骤S2中冷却时间为2-3min，当空气温度＞15℃时，步骤S1中预冷时间为4-6min，步骤S2中冷却时间为3-4min。
4.根据权利要求2所述的一种适用于制造电站锅炉用厚壁钢管的热处理工艺，其特征在于：所述钢管壁厚为50mm＜S≤70mm，当空气温度≤15℃时，步骤S1中预冷时间为5-7min，步骤S2中冷却时间为3-4min，当空气温度＞15℃时，步骤S1中预冷时间为6-8min，步骤S2中冷却时间为4-5min。
5.根据权利要求2所述的一种适用于制造电站锅炉用厚壁钢管的热处理工艺，其特征在于：所述钢管壁厚为70mm＜S≤90mm，当空气温度≤15℃时，步骤S1中预冷时间为7-9min，步骤S2中冷却时间为4-5min，当空气温度＞15℃时，步骤S1中预冷时间为8-10min，步骤S2中冷却时间为5-6min。
6.根据权利要求2所述的一种适用于制造电站锅炉用厚壁钢管的热处理工艺，其特征在于：所述钢管壁厚为90mm＜S≤100mm，当空气温度≤15℃时，步骤S1中预冷时间为9-11min，步骤S2中冷却时间为5-6min，当空气温度＞15℃时，步骤S1中预冷时间为10-12min，步骤S2中冷却时间为6-7min。
7.根据权利要求2所述的一种适用于制造电站锅炉用厚壁钢管的热处理工艺，其特征在于：所述钢管壁厚为100mm＜S≤110mm，当空气温度≤15℃时，步骤S1中预冷时间为11-13min，步骤S2中冷却时间为6-7min，当空气温度＞15℃时，步骤S1中预冷时间为12-14min，步骤S2中冷却时间为7-8min。
8.根据权利要求2所述的一种适用于制造电站锅炉用厚壁钢管的热处理工艺，其特征在于：所述钢管壁厚为110mm＜S≤120mm，当空气温度≤15℃时，步骤S1中预冷时间为13-15min，步骤S2中冷却时间为7-8min，当空气温度＞15℃时，步骤S1中预冷时间为14-16min，步骤S2中冷却时间为8-9min。
9.根据权利要求1所述的一种适用于制造电站锅炉用厚壁钢管的热处理工艺，其特征在于：步骤S2中通过对钢管喷防腐涂层剂进行冷却，所述防腐涂层剂主要由以下重量份的原料制成：1000-1500份磷酸二氢铝粉末、10000-20000份水、80-140份铝粉和90-150份石墨。
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