CN115029623B - 一种压力容器用12Cr2Mo1钢的冶炼及锻造热处理工艺方法 - Google Patents

一种压力容器用12Cr2Mo1钢的冶炼及锻造热处理工艺方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种压力容器用12Cr2Mo1钢的冶炼及锻造热处理工艺方法，采用EBT电弧炉‑LF炉精炼‑VD真空精炼‑模铸工艺路线进行钢锭的冶炼浇注。压力容器用12Cr2Mo1钢锻件通过控制不同规格锻件的加热温度，将钢锭加热到一定温度进行锻造，并在锻件锻造成型后进行热处理，获得了良好的组织及综合力学性能。本发明通过优化成分配比和合理选择冶炼、锻造、热处理工艺而制造一种压力容器用12Cr2Mo1钢锻件产品，所获材料具有较高的常温和高温拉伸强度、硬度、良好的低温冲击韧性、抗回火脆性及较高的蠕变强度和高温持久强度，本发明提高了产品的质量，降低了废品率，相对于现有技术，具有很大的实际应用价值。

Description

一种压力容器用12Cr2Mo1钢的冶炼及锻造热处理工艺方法
技术领域
本发明涉及压力容器用耐热钢技术领域，具体涉及一种压力容器用12Cr2Mo1钢的冶炼及锻造热处理工艺方法。
背景技术
随着装备技术与装置正在逐步向大型化、高参数化方向发展，纵观炼油化工、核电压工业、煤化工的发展趋势，由于压力容器用结构件逐渐倾向于采用锻焊结构，同时，压力容器的高温、高压等苛刻的操作条件对材料的选择提出了更高要求。GB713-2014标准对12Cr2Mo1钢材料成分及性能有了明确规定，但是要想获得综合性能优异的12Cr2Mo1钢重型锻焊式压力容器锻件，需要对材料成分配比进行优化，并合理选择锻件的冶炼、锻造和热处理工艺。
发明内容
本发明的目的在于提供一种压力容器用12Cr2Mo1钢的优选成分和冶炼及锻造热处理工艺，保证在强度、硬度、低温冲击韧性、抗回火脆性及高温持久强度等综合性能方面具有优势。
本发明的技术方案：一种压力容器用12Cr2Mo1钢的冶炼及锻造热处理工艺方法，12Cr2Mo1钢化学成分以重量百分比计由下列组份组成：C：0.08-0.15%、Si≤0.50%、Mn：0.40-0.50%、P：≤0.006%、S：≤0.006%、Cr：2.00-2.50%、Mo：0.90-1.10%、V：≤0.01%、Ti：≤0.030%、Nb：≤0.010%、Ni：≤0.20%、Al：0.010-0.040%、残余元素As≤0.010%、Sn≤0.004%、Sb≤0.003%、Cu≤0.13%，所含气体元素[H]≤1.6ppm、[O]≤18ppm、[N]≤80ppm，余量为Fe及不可避免的杂质，其特征在于：采用EBT电弧炉-LF炉精炼-VD真空精炼-模铸工艺路线冶炼浇注钢锭；钢锭经锻造成锻件，钢锭的初始加热温度定在1250℃，锻件锻造每一工序的终锻温度要求大于900℃，在最后一火的成形阶段，终锻温度大于850℃，锻造比大于4；锻件锻造成型后进行热处理，所述的热处理工艺包括如下步骤：
步骤一、预备热处理，正火+回火：450℃保温5h，以≤150℃/h速度加热至980±10℃保温10h；再以≤150℃/h速度加热至720±10℃保温12h，以≤80℃/h随炉冷却到400℃出炉空冷；
步骤二、性能热处理，淬火+回火：≤400℃装炉，以≤150℃/h速度加热至720±10℃保温2h，以≤80℃/h速度加热至950±10℃保温12h，出炉水冷；以≤400℃装炉，以≤150℃/h速度加热至720±10℃保温15h，出炉空冷。
12Cr2Mo1钢的化学成分在GB713-2014标准要求范围基础上进行优化：C含量是保证强度满足规范要求的主要因素，C含量低，强度满足不了要求；C含量高，会降低12Cr2Mo1钢的低温韧性和焊接性。考虑到该钢种属于低合金钢，因此C含量控制在上限；Mn能提高钢的强度，能消弱和消除硫的不良影响，Ni既能提高钢的淬透性又能提高钢的低温韧性，因此Mn、Ni元素控制在中上限；Mo既能提高钢的淬透性，又可以减轻钢的回火脆性，所以Mo元素含量应控制在上限；V可以提高钢的淬透性和高温力学性能并能细化晶粒，且具有沉淀强化作用，但过多的V容易产生锻造裂纹，所以V控制在中限；Ti与V的作用类似，热处理后析出TiC稳定碳化物；Si元素是铁素体形成的主要元素，是强化因子也是促进脆化因子。Si自己不会引起脆化，而是对P的脆化起促进作用：当P高时，Si常会把P挤到晶界处（锻后热处理冷却速度慢时、回火次数多而造成回火参数Pt值大于某值时也会使脆化因子晶界析出）；而O也会和Si结合成SiO2类氧化物夹杂而富集晶界处，导致晶界处脆化；适量的Si含量能降低奥氏体转变温度，从而抑制先共析铁素体的析出，有利于形成细小的贝氏体组织，从而提高钢的强度和韧性；Nb属于钢中的微合金元素，需要严格控制其含量，Nb含量过高会使钢锭心部偏析粗大，出现Nb的碳化物，从而导致韧性下降，所以控制Nb含量不宜过高；压力容器用12Cr2Mo1钢对Cu、As、Sn、Sb等有害元素的限制极为严格，对上述有害元素提出了极为严格的控制要求。同时要求该材料具有良好的纯净度，并有良好的塑性、韧性，所以对S、P、H、O、N等有害元素和气体元素要求较严格。
本发明的有益效果：（1）本发明通过优化成分配比和合理选择冶炼、锻造及热处理工艺，使得12Cr2Mo1钢锻件具有较高的常温和高温强度、硬度、良好的低温冲击韧性、抗回火脆性及较高的蠕变强度和高温持久强度。经多次生产验证测定其强度、硬度满足NB/T47008-2017标准要求；同时，-30℃低温冲击韧性（Kv2）＞300J，回火脆性敏感性评定VTr54+3.0ΔVTr54＜-80℃，各项性能指标均具有较大的富余量。
（2）利用本发明所述的12Cr2Mo1钢采用目前普遍的冶炼浇注工艺，本发明的锻造热处理工艺容易实施。本发明提高了产品的质量，降低了废品率，相对于现有技术，具有很大的实际应用价值。
说明书附图
图1是实施例1锻件形状尺寸；
图2是实施例1淬火+回火后的金相显微图；
图3是实施例1淬火+回火+PWHT.min后的金相显微图；
图4是实施例1淬火+回火+PWHT.max后的金相显微图；
图5是实施例2锻件形状尺寸；
图6是实施例2淬火+回火后的金相显微图；
图7是实施例2淬火+回火+PWHT.min后的金相显微图；
图8是实施例2淬火+回火+PWHT.max后的金相显微图。
具体实施方式
下面对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
压力容器用12Cr2Mo1钢，该12Cr2Mo1钢的化学成分以质量百分比计由下列组份组成：C：0.08；Si:0.50；Mn：0.40；P：0.006；S：0.006；Cr：2.00；Mo：0.90；V：0.01；Ti：0.030；Nb：0.010；Ni：0.20；Al：0.010；残余元素As:0.010；Sn:0.004；Sb:0.003；Cu:0.13；气体元素[H]:1.6ppm；[O]:18ppm；[N]:80ppm；余量为Fe及不可避免的杂质。
压力容器用12Cr2Mo1钢冶炼工艺，上述的12Cr2Mo1钢包括以下制造工序：
（1）配料，炉料采用As含量较低的优质碳素废钢和压力容器类高铬钼废钢，合金料采用低碳锰铁、低碳铬铁、镍板、钼铁、钒铁、铌铁，合金提前烘烤干燥。
（2）冶炼浇注：采用EBT电弧炉-LF炉精炼-VD真空精炼-模铸工艺进行钢锭的制造。
采用得到的钢锭进行锻件锻造，所述的锻造工艺包括以下步骤：
以尺寸为外径D=∅675、内径d=∅230、长L=831mm筒体锻件为例进行说明。锻件重量采用6T规格的钢锭开坯至直径Φ640，用Φ640圆钢下料锻造，始锻温度：1250℃，终锻温度：900℃，锻造火次：2次，锻后进行炉冷，如图1所示。
对上述锻件进行热处理，所述的热处理工艺包括如下步骤：
步骤一、预备热处理，正火+回火：450℃保温5h，以150℃/h速度加热至980±10℃保温10h；再以150℃/h速度加热至720±10℃保温12h，以80℃/h随炉冷却到400℃出炉空冷；
步骤二、性能热处理，淬火+回火：400℃装炉，以150℃/h速度加热至720±10℃保温2h，以80℃/h速度加热至950±10℃保温12h，出炉水冷；以400℃装炉，以150℃/h速度加热至720±10℃保温15h，出炉空冷。
对利用上述冶炼、锻造及热处理工作所制备的压力容器用12Cr2Mo1钢锻件进行性能检测：锻件分别经淬火+回火+性能热处理690℃保温29h（PWHT.max）和淬火+回火+性能热处理720℃保温8h（PWHT.min）后，取样做力学性能、显微组织、非金属夹杂物及晶粒度检测，检测结果完全满足NB/T 47008-2017要求。如图2、图3、图4所示，金相显微组织为贝氏体回火组织。12Cr2Mo1钢经回火脆性敏感性评定试验得到，vTr54前=-90℃，vTr54后=-87℃，从而vTr54+3.0△vTr54=-90+3.0×3=-81℃（＜0℃），符合技术要求。
淬火（950℃保温12h水冷）+回火（720℃保温12h）Rel/MPa=411，Rm/MPa=555，A%=27，Z%=82，Akv2（-20℃）/J≥54，侧向膨胀率/mm=90，硬度（HB）=147（≤220），PρO2（350℃）=350，显微组织为贝氏体回火组织，晶粒度等级为7.5级，非金属夹杂物等级满足均不大于1.5级，且A+C≤2.0，B+D≤2.0，总数A+B+C+D+Ds≤4.5。
淬火+回火+Min.PWHT（690℃保温8h）Rel/MPa=405，Rm/MPa=540，A%=29.5，Z%=84，Akv2（-20℃）/J≥54，侧向膨胀率/mm=90，硬度（HB）=161（≤220），PρO2（350℃）=360，显微组织为贝氏体会或组织，晶粒度等级为7.5级，非金属夹杂物等级满足均不大于1.5级，且A+C≤2.0，B+D≤2.0，总数A+B+C+D+Ds≤4.5。
淬火+回火+Max.PWHT（690℃保温26h）Rel/MPa=381，Rm/MPa=532，A%=29.5，Z%=84，Akv2（-20℃）/J≥54，侧向膨胀率/mm=90，硬度（HB）=178（≤220），PρO2（350℃）=330，显微组织为贝氏体回火组织，晶粒度等级为8级，非金属夹杂物等级满足均不大于1.5级，且A+C≤2.0，B+D≤2.0，总数A+B+C+D+Ds≤4.5。
实施例2
压力容器用12Cr2Mo1钢，该12Cr2Mo1钢的化学成分以质量百分比计由下列组份组成：C：0.15；Si:0.50；Mn：0.50；P：0.006；S：0.006；Cr：2.50；Mo：1.10；V：0.01；Ti：0.030；Nb：0.010；Ni：0.20；Al：0.040；残余元素As:0.010；Sn:0.004；Sb:0.003；Cu:0.13；气体元素[H]:1.6ppm；[O]:18ppm；[N]:80ppm；余量为Fe及不可避免的杂质。
压力容器用12Cr2Mo1钢冶炼工艺，上述的12Cr2Mo1钢包括以下制造工序：
（1）配料，同实施例1。
（2）冶炼浇注，同实施例1。
采用得到的钢锭进行锻件锻造，所述的锻造工艺包括以下步骤：
以尺寸为外径D=∅1220、内径d=∅613、长L=902mm筒体锻件为例进行说明。锻件重量采用10T规格的钢锭开坯至直径Φ1220，用Φ600圆钢下料锻造，始锻温度：1250℃，终锻温度：900℃，锻造火次：2次，锻后进行炉冷，如图5所示。
对上述锻件进行热处理，所述的热处理工艺包括如下步骤：
步骤一、预备热处理，正火+回火：450℃保温5h，以150℃/h速度加热至980±10℃保温10h；再以150℃/h速度加热至720±10℃保温12h，以80℃/h随炉冷却到400℃出炉空冷；
步骤二、性能热处理，淬火+回火：400℃装炉，以150℃/h速度加热至720±10℃保温2h，以80℃/h速度加热至950±10℃保温12h，出炉水冷；以400℃装炉，以150℃/h速度加热至720±10℃保温15h，出炉空冷。
对利用上述冶炼、锻造及热处理工作所制备的压力容器用12Cr2Mo1钢锻件进行性能检测：锻件分别经淬火+回火+性能热处理690℃保温29h（PWHT.max）和淬火+回火+性能热处理720℃保温8h（PWHT.min）后，取样做力学性能、显微组织、非金属夹杂物及晶粒度检测，检测结果完全满足NB/T 47008-2017要求。如图6、图7、图8所示，金相显微组织为贝氏体回火组织。12Cr2Mo1钢经回火脆性敏感性评定试验得到，vTr54前=-87℃，vTr54后=-85℃，从而vTr54+3.0△vTr54=-87+3.0×3=-78℃＜0℃，符合技术要求。
淬火（950℃保温12h水冷）+回火（720℃保温12h）Rel/MPa=405，Rm/MPa=542，A%=23，Z%=81，Akv2（-20℃）/J≥51，侧向膨胀率/mm=90，硬度（HB）=151（≤220），PρO2（350℃）=350，显微组织为贝氏体回火组织，晶粒度等级为7.5级，非金属夹杂物等级满足均不大于1.5级，且A+C≤2.0，B+D≤2.0，总数A+B+C+D+Ds≤4.5。
淬火+回火+Min.PWHT（690℃保温8h）Rel/MPa=408，Rm/MPa=542，A%=23，Z%=80，Akv2（-20℃）/J≥54，侧向膨胀率/mm=90，硬度（HB）=171（≤220），PρO2（350℃）=360，显微组织为贝氏体会或组织，晶粒度等级为7.5级，非金属夹杂物等级满足均不大于1.5级，且A+C≤2.0，B+D≤2.0，总数A+B+C+D+Ds≤4.5。
淬火+回火+Max.PWHT（690℃保温26h）Rel/MPa=393，Rm/MPa=547，A%=28.3，Z%=81，Akv2（-20℃）/J≥54，侧向膨胀率/mm=90，硬度（HB）=164（≤220），PρO2（350℃）=330，显微组织为贝氏体回火组织，晶粒度等级为8级，非金属夹杂物等级满足均不大于1.5级，且A+C≤2.0，B+D≤2.0，总数A+B+C+D+Ds≤4.5。

Claims (1)

1.一种压力容器用12Cr2Mo1钢的冶炼及锻造热处理工艺方法，12Cr2Mo1钢化学成分以重量百分比计由下列组份组成：C：0.08-0.15%、Si≤0.50%、Mn：0.40-0.50%、P：≤0.006%、S：≤0.006%、Cr：2.00-2.50%、Mo：0.90-1.10%、V：≤0.01%、Ti：≤0.030%、Nb：≤0.010%、Ni：≤0.20%、Al：0.010-0.040%、残余元素As≤0.010%、Sn≤0.004%、Sb≤0.003%、Cu≤0.13%，所含气体元素[H]≤1.6ppm、[O]≤18ppm、[N]≤80ppm，余量为Fe及不可避免的杂质，其特征在于：采用EBT电弧炉-LF炉精炼-VD真空精炼-模铸工艺路线冶炼浇注钢锭；钢锭经锻造成锻件，钢锭的初始加热温度定在1250℃，锻件锻造每一工序的终锻温度要求大于900℃，在最后一火的成形阶段，终锻温度大于850℃，锻造比大于4；锻件锻造成型后进行热处理，所述的热处理工艺包括如下步骤：
步骤一、预备热处理，正火+回火：450℃保温5h，以≤150℃/h速度加热至980±10℃保温10h；再以≤150℃/h速度加热至720±10℃保温12h，以≤80℃/h随炉冷却到400℃出炉空冷；
步骤二、性能热处理，淬火+回火：≤400℃装炉，以≤150℃/h速度加热至720±10℃保温2h，以≤80℃/h速度加热至950±10℃保温12h，出炉水冷；以≤400℃装炉，以≤150℃/h速度加热至720±10℃保温15h，出炉空冷。
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