CN115058566B - 一种改善Cr-Mo-V耐热合金钢管晶粒均匀性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于耐热钢制造领域，提供了一种改善Cr‑Mo‑V耐热合金钢管晶粒均匀性的方法。所述方法包括对钢管依次进行如下处理：正火热处理和回火热处理；所述正火热处理依次包括加热、自然冷却和控制冷却步骤；其中，所述自然冷却包括：将加热后的钢管在空气中进行自然冷却，按钢管壁厚计算，所述自然冷却的时间为1.6秒/毫米～5秒/毫米；所述控制冷却是按照冷却速率≥28℃/min的方式冷却至400℃以下。本发明的方法能够改善现有技术中热处理所引起的晶粒异常长大或混晶的现象，从而能够改善晶粒度的均匀性、以及铁素体，珠光体和贝氏体的金相组织形态与比例，综合提高钢管的强韧性和厚壁钢管晶粒度均质性。

Description

一种改善Cr-Mo-V耐热合金钢管晶粒均匀性的方法
技术领域
本发明属于耐热钢制造领域，具体涉及一种改善Cr-Mo-V耐热合金钢管晶粒均匀性的方法。
背景技术
12Cr1MoVG钢是GB/T 5310标准中的材料牌号，是建国初期和后续相当长一段时期内火电机组建设项目中的主力材料。时至现今，也是火电建设领域中不可或缺的耐热钢主导材料。12Cr1MoVG钢在高温下长期使用时，具有高的组织稳定性和热强性，热处理时过热敏感性低，无回火脆性倾向。12Cr1MoVG钢在冷变形时塑性高，可切削性尚好。一般用于高温高压锅炉壁温≤580℃的受热面管子、壁温≤565℃的集箱、蒸汽导管以及介质温度≤565℃的管路附件、法兰以及其他用途的锻件等部件，长期以来是我国火电发电站领域内的主力材料。
12Cr1MoVG钢中的铬在金属中的作用是提高钢的热强性能和抗腐蚀稳定性，赋予碳化物以很好的热稳定性，阻止了碳化物的分解，同时也使高温下的碳化物聚集速度降低，阻止了钢的石墨化过程和钢中游离石墨的形成。铬与钼元素结合，可以显著的提升钢的蠕变强度和持久强度。钒是缩小奥氏体相区元素，溶于奥氏体内会抑制奥氏体向珠光体转变，有利于贝氏体的形成，对提高材料的高温持久强度作用显著。
上世纪80年代以后，我国开始引进国外先进技术，发电机组单机容量不断增加，所使用的蒸汽管道等大口管子壁厚不断增加，已经增至原壁厚的一倍以上，≥70mm壁厚的管子已经属于常用规格。随之而来的钢管尺寸效应逐步加大，即无论在锻制管坯环节、还是轧制成管环节，或是钢管的最终热处理环节，均需考虑因壁厚增加所带来的尺寸效应影响。其影响主要体现在，增加了加热、均温等高温段的停留时间，使高温下的奥氏体晶粒存在异常长大，导致正火+回火后的晶粒度严重的不均匀；壁厚增加导致空冷速度降低，综合性能也不理想。
按照现行标准GB/T 5310-2017，在大口径厚壁管热轧以后，对于壁厚大于30mm的大口径管有两种热处理方式：
其一，950℃～990℃淬火+720℃～760℃回火；
其二，980℃～1020℃正火(快速冷却)+720℃～760℃回火。
标准中的两种处理方法都存在明显的缺憾与不足。第一种方式降低了正火温度，尽量使晶粒尺寸不至于长的过大，用快速冷却来弥补强度的不足。但是，由于正火加热温度偏低，Cr、Mo、V等合金元素不能像正常正火温度下那样，在奥氏体化时得到充分的溶解与固溶，不利于持续保持高的高温持久性能和抗氧化性能；第二种方式，虽然提示了正火加热后要快速冷却，但没有明确快速冷却的方式、方法和冷速的量化，导致实际操作中热处理后获得的大口径厚壁管的性能参差不一、波动性比较大，晶粒混晶的情况也非常多。这样混晶组织和参差不齐的综合力学性能对产品制造和后期的安全运行都存在非常大的不确定性，更谈不上安全保证。
因此，由12Cr1MoVG及其类似材料制造的Cr-Mo-V耐热合金钢管的热加工工序中，改善可能产生的混晶及其所造成的综合力学性能的波动与质量的降低兼具研究意义和应用价值。
发明内容
为解决现有技术中随着钢管口径增大随之而来的尺寸效应，例如大口径厚壁管在热处理后出现晶粒混晶、性能参差不一、波动性比较大的问题，本发明提供一种改善Cr-Mo-V耐热合金钢管晶粒均匀性的方法，该方法可以获得稳定的等轴铁素体、粒状贝氏体组织和珠光体组织，能够消除组织转变应力等内应力，使各相组织保持良好的稳定性、改善钢管交货状态下的晶粒的均匀性及其综合性能。
针对上述缺陷，本发明的目的之一是提供一种改善Cr-Mo-V耐热合金钢管晶粒均匀性的方法；本发明的目的之二是提供由所述方法制备的钢管；本发明的目的之三是提供所述钢管在超临界或超超临界发电机组中的应用。
为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种改善Cr-Mo-V耐热合金钢管晶粒均匀性的方法，所述方法包括对钢管依次进行如下处理：正火热处理和回火热处理；所述正火热处理依次包括加热、自然冷却和控制冷却步骤；
其中，所述自然冷却包括：将加热后的钢管在空气中进行自然冷却，按钢管壁厚计算，所述自然冷却的时间为1.6秒/毫米～5秒/毫米(例如2.0秒/毫米、2.5秒/毫米、3秒/毫米、3.5秒/毫米、4秒/毫米、4.5秒/毫米)；所述控制冷却是按照冷却速率≥28℃/分钟(例如35℃/分钟、40℃/分钟、45℃/分钟、50℃/分钟、55℃/分钟、60℃/分钟、70℃/分钟、80℃/分钟)的方式冷却至400℃以下(例如380℃、360℃、340℃、320℃)。
在上述改善Cr-Mo-V耐热合金钢管晶粒均匀性的方法中，作为一种优选实施方式，所述钢管的制备方法包括合金冶炼、管坯制备和制管步骤。
在上述改善Cr-Mo-V耐热合金钢管晶粒均匀性的方法中，作为一种优选实施方式，所述合金冶炼的步骤依次包括：电炉或转炉冶炼、炉外精炼和真空脱气冶炼；优选地，管坯制备的方式包括铸造或者连铸，或者铸造和锻造的组合；优选地，制管步骤为将管坯于加热炉内加热，通过热轧方式制备成钢管。
在上述改善Cr-Mo-V耐热合金钢管晶粒均匀性的方法中，作为一种优选实施方式，自然冷却至温度处于Ar3～Ar1之间后再进行控制冷却步骤；优选地，自然冷却至790℃～900℃(例如800℃、825℃、850℃、875℃)后再进行控制冷却步骤。
在上述改善Cr-Mo-V耐热合金钢管晶粒均匀性的方法中，作为一种优选实施方式，按钢管壁厚计算，自然冷却的时间为5秒/毫米。
亚共析钢在完全奥氏体化以后空冷(自然冷却)，一般会在晶界或晶内析出先析铁素体。这种铁素体的硬度较低，使其均匀在材料内分散可以提高材料整体的韧性，使材料冲击韧性得到了整体的提升，个别单值偏低或不合格的现象也被很好的解决了。同时，还能改善两相组织的比例和分布。为了使钢管的晶粒更均匀，并保证其具有较好的强韧性。本发明中，自然冷却阶段是将钢管自然冷却至温度处于Ar3～Ar1之间，当温度降至Ar3以下，沿晶界或晶内会分散先析出铁素体，分割并抑制正火加热及保温期间可能会出现的粗大奥氏体群。控制冷却阶段是将温度冷却至400℃左右。
在上述改善Cr-Mo-V耐热合金钢管晶粒均匀性的方法中，作为一种优选实施方式，所述控制冷却的冷却速率≥30℃/分钟(例如35℃/分钟、40℃/分钟、45℃/分钟、50℃/分钟、55℃/分钟、60℃/分钟、70℃/分钟)。
在上述改善Cr-Mo-V耐热合金钢管晶粒均匀性的方法中，作为一种优选实施方式，控制冷却的冷却速率为30℃/分钟～80℃/分钟(例如35℃/分钟、40℃/分钟、45℃/分钟、50℃/分钟、55℃/分钟、60℃/分钟、70℃/分钟)。
本发明的Cr-Mo-V耐热合金钢管主要用于高温高压的火力发电厂用材。该材料在运行中要保持良好的组织稳定性，组织的稳定性好的材质才能保证良好的高温蠕变与持久强度，电厂才能安全运行。过大的冷却速度，会产生淬硬性马氏体组织等过饱和不稳定组织，这种组织对长期运行的工况不利。本发明通过控制冷却(水雾冷却)速率为30℃/分钟～80℃/分钟，以获得比较理想的贝氏体组织。
在上述改善Cr-Mo-V耐热合金钢管晶粒均匀性的方法中，作为一种优选实施方式，控制冷却的方式为水冷；进一步优选为水雾冷却、喷淋或淬水；优选为水雾冷却，进一步优选为水雾冷却至300℃～400℃之间(例如380℃、360℃、340℃、320℃)；更优选为水雾冷却至300℃～400℃之间后(例如380℃、360℃、340℃、320℃)，再空冷至室温。
在上述改善Cr-Mo-V耐热合金钢管晶粒均匀性的方法中，作为一种优选实施方式，进行水雾冷却时，当所述钢管壁厚＜75mm(例如10mm、20mm、30mm、40mm、50mm、60mm、70mm)，所述水雾冷却采用外部喷淋，当所述钢管壁厚≥75mm(例如80mm、90mm、100mm、110mm、120mm、130mm、140mm)，所述水雾冷却采用内外部同时喷淋。
当钢管壁厚＜75mm时水雾冷却过程采用内外部同时喷淋，会引起钢管截面的应力分布不均，对后期的部件制作等工艺有一定的影响。但是钢管壁厚≥75mm时，水雾冷却采用内外部同时喷淋，可以增加冷却能力，以获得比较理想的贝氏体组织，保证了产品性能。
在上述改善Cr-Mo-V耐热合金钢管晶粒均匀性的方法中，作为一种优选实施方式，在所述正火热处理中，加热过程中的均热温度为980℃～1020℃(例如990℃、1000℃、1010℃)，均温时间按钢管壁厚计算，为1.5分钟/毫米～2.5分钟/毫米(例如1.75分钟/毫米、2分钟/毫米、2.25分钟/毫米)；更优选地，所述加热在步进式加热炉中完成。
本发明中，在正火热处理中，自然冷却阶段，使先析铁素体在晶界或晶内均匀的析出，使其他尚未开始转变的过冷奥氏体区域中的碳及其合金元素有相对高的含量或浓度，为获得稳定的粒状贝氏体组织和珠光体组织，做好了成分准备。
本发明中，对于壁厚大于30毫米的大口径厚壁钢管，通过控制冷却速度为30℃/分钟～80℃/分钟，可以抑制析出物(析出物指磷、砷、锑和锡等残余有害元素，这些元素的析出，会导致材料冲击韧性的波动或下降)沿晶界析出，促进粒状贝氏体和珠光体的形成、提高钢管的强韧性、获得良好的综合性能。
在上述改善Cr-Mo-V耐热合金钢管晶粒均匀性的方法中，作为一种优选实施方式，在所述回火热处理中，回火保温温度为720℃～760℃(例如730℃、740℃、750℃)，均温时间按照钢管壁厚计算，为2.5分钟/毫米～3.5分钟/毫米(例如2.75分钟/毫米、3分钟/毫米、3.25分钟/毫米)。
在上述改善Cr-Mo-V耐热合金钢管晶粒均匀性的方法中，作为一种优选实施方式，所述钢管中各元素的质量百分比为：C 0.08％～0.15％、Si 0.17～0.50％、Mn 0.40％～0.70％、P≤0.025％、S≤0.010％、Cr 0.90％～1.20％、Mo 0.25％～0.35％、V 0.15％～0.30％、余量为Fe和不可避免杂质。
上述改善Cr-Mo-V耐热合金钢管晶粒均匀性的方法中，作为一种优选实施方式，所述钢管的外径为219mm～800mm(例如219mm、273mm、400mm、530mm、600mm、720mm)，壁厚为30mm～150mm(例如40mm、50mm、70mm、90mm、110mm、130mm)。
第二方面，本发明提供一种上述改善Cr-Mo-V耐热合金钢管晶粒均匀性的方法所制备的Cr-Mo-V耐热合金钢管，所述钢管的屈服强度≥255MPa，抗拉伸强度470MPa～640MPa，断后伸长率≥19％，冲击吸收功≥27J，硬度为145HB～195HB；优选地，所述钢管的屈服强度350～380MPa(例如355MPa、360MPa、365MPa、370MPa、375MPa)，抗拉伸强度500MPa～540MPa(例如510MPa、520MPa、530MPa)，断后伸长率23％～33％(例如25％、27％、29％、31％)，冲击吸收功100J～250J(例如125J、150J、175J、200J、225J)，硬度为150HB～180HB(例如155HB、160HB、165HB、170HB、175HB)。
在上述Cr-Mo-V耐热合金钢管中，作为一种优选实施方式，所述Cr-Mo-V耐热合金钢管的晶粒度级别为6～8；优选地，同一钢管中晶粒度级差小于等于2，优选为0。
第三方面，本发明提供上述Cr-Mo-V耐热合金钢管在超临界或超超临界发电机组中的应用；优选地，所述应用是指所述钢管在超临界或超超临界发电机组中作为蒸汽管道、集箱部件或水冷壁用合金管的应用。
本发明与现有技术相比，具有如下积极效果：
(1)本发明通过以壁厚计算，在正火工序中，将自然冷却的时间控在1.6秒/毫米～5秒/毫米，使自然冷却温度能够稳定落在Ar3～Ar1之间，使其在自然冷却阶段沿晶界或晶内先分散析出铁素体，分割并抑制可能在正火加热、保温期间可能存在的粗大奥氏体群，形成均匀的贝氏体或珠光体组织。本发明可以获得稳定的等轴铁素体、粒状贝氏体组织和珠光体组织，能够消除组织转变应力等内应力，因此，本发明使热处理后的钢管的晶粒微观组织与综合性能得到精准控制，制备得到的厚壁(即壁厚大于30mm以上)Cr-Mo-V高压锅炉管一检合格率在98％以上，所得炉管晶体细小均匀，晶粒度级别分布在6～8之间，同一炉管中晶粒度级差小于等于2，最低可以达到0。
(2)通过本发明的方法得到的Cr-Mo-V耐热合金大口径钢管，其性能为屈服强度≥255MPa，抗拉强度≥470MPa～640MPa，断后伸长率≥19％，冲击吸收功≥27J，硬度为145HB～195HB，完全符合现行标准GB/T 5310-2017中高压锅炉用无缝钢管的标准。
(3)通过本发明的方法得到的Cr-Mo-V耐热合金钢管可以作为蒸汽管道、集箱部件、水冷壁用合金管应用于超临界发电机组和超超临界发电机组。
附图说明
图1为本发明实施例1制得的无缝钢管的×100倍的金相组织图；
图2为本发明实施例2制得的无缝钢管的×100倍的金相组织图；
图3为本发明实施例3制得的无缝钢管的×100倍的金相组织图；
图4为本发明实施例4制得的无缝钢管的×100倍的金相组织图；
图5为本发明实施例5制得的无缝钢管的×100倍的金相组织图；
图6为本发明实施例6制得的无缝钢管的×100倍的金相组织图；
图7为本发明实施例7制得的无缝钢管的×100倍的金相组织图；
图8为本发明对比例1制得的无缝钢管的×100倍的金相组织图；
图9为本发明对比例2制得的无缝钢管的×100倍的金相组织图；
图10为本发明对比例3制得的无缝钢管的×100倍的金相组织图。
具体实施方式
本发明通过量化热处理(加热保温、自然冷却和控制冷却步骤)工艺，使热处理后的晶粒微观组织与综合性能得到精准控制，对12Cr1MoVG及其类似材料的组织与综合性能，及其在压力管道、集箱及其关键等部件的优质安全应用都具有非常重要的意义。在本发明的一种优选实施方式中，通过将正火温度加热保温(均温)后的钢管首先在空气中空冷，使温度降至
Figure GDA0004199265500000072
之间，然后控制冷却(如水雾或喷淋)直至400℃以下，从而得到晶粒均匀、综合性能好的Cr-Mo-V耐热合金钢管。
本发明通过控制先析出铁素体的数量与分布，使其他过冷奥氏体区域的碳元素和合金元素有更高的含量或相对高的浓度，然后借助量化水雾、量化喷淋及量化淬水等工艺及其参数，实现正火冷却过程中的冷速控制，从而获得稳定的粒状贝氏体组织和珠光体组织，在进行高温回火热处理后，消除组织转变应力等内应力，使各相组织等保持良好的稳定性。本发明能够避免现有标准要求(淬火+回火或正火(加速冷却)+回火)热处理所不可规避的大口径厚壁钢管的混晶组织和正火温度偏低等可能引起持久与抗氧化的性能不足等缺陷，从而改善交货状态下钢管的晶粒的均匀性与综合性能，保证钢管的抗氧化性、持久(蠕变)性能和大口径Cr-Mo-V厚壁钢管的均质性(氧化性、持久(蠕变)性能不变)。
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以使本领域的技术人员能够实践和再现。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下实施例1～7与对比例1～3中通过合金冶炼工序得到的合金钢的牌号为12Cr1MoVG，各元素成分的质量百分比如表1所示；
表1 12Cr1MoVG合金钢中各元素成分的质量百分比(余量为Fe和不可避免杂质)
Figure GDA0004199265500000071
本发明钢管制备工艺为本领域常规工艺，因此详细工艺参数在此处不再赘述。
实施例1
合金钢冶炼：采用电炉冶炼、炉外精炼、真空脱气冶炼工艺冶炼出合金钢液；
管坯制备：将上述合金钢液通过铸造得到铸锭、然后将其锻造成φ460mm管坯；
制管：将上述管坯在环形加热炉内加热，均热段温度为1260℃，均温时间为3分钟/毫米，然后采用阿塞尔热轧管机组制成φ495mm×90mm荒管(直径×壁厚)；
正火热处理(加热保温、自然冷却、控制冷却)：
(i)加热保温：将上述荒管在步进式加热炉内进行加热，加热至990℃后进行均温，均温时间为1.5分钟/毫米；
(ii)自然冷却：保温结束后空冷，空冷时间为5秒/毫米，降至867℃；
(iii)控制冷却：将自然冷却后的钢管水雾冷至372℃，平均冷却速率37℃/毫米。然后，在空气自然冷却至室温。
回火热处理：将上述正火热处理得到的钢管放置在步进式加热炉内进行回火热处理，回火热处理的保温温度为740℃，均温时间为2.5分钟/毫米，然后在空气中冷却至室温；
通过内外机械修磨工艺得到规格为φ495mm×90mm×7.25m的12Cr1MoVG耐热合金无缝钢管，其屈服强度、抗拉伸强度、断后伸长率、晶粒度、硬度和冲击功的检测数据如下表2所示；图1为实施例1所制备的钢管的金相组织，从图1中可以看到，所得晶粒细小均匀，晶粒度级别为7～8级。
本实施例制造的12Cr1MoVG耐热合金无缝钢管在高压锅炉管一检中合格率为100％。
实施例2
合金钢冶炼：采用电炉冶炼、炉外精炼、真空脱气冶炼工艺冶炼出合金钢液；
管坯制备：将上述合金钢液通过铸造得到铸锭、然后将其锻造成φ460mm管坯；
制管：将上述管坯在环形加热炉内加热，均热段温度为1250℃，均温时间为3分钟/毫米，然后采用阿塞尔热轧管机组制成φ508mm×80mm的荒管(直径×壁厚)；
正火热处理(加热保温、自然冷却、控制冷却)：
(i)加热保温：将上述荒管在步进式加热炉内进行加热，加热至991℃后进行均温，均温时间为1.5分钟/毫米；
(ii)自然冷却：保温结束后空冷，空冷时间为4.5秒/毫米，降至849℃；
(iii)控制冷却：将自然冷却后的钢管水雾冷至341℃，冷却速率30℃/分钟。
回火热处理：将上述正火热处理得到的钢管放置在步进式加热炉内进行回火热处理，回火热处理的保温温度为740℃，保温时间为2.5分钟/毫米，然后在空气中冷却至室温；
通过内外机械修磨工艺得到规格为φ508mm×80mm×6.51m的12Cr1MoVG耐热合金无缝钢管，其屈服强度、抗拉伸强度、断后伸长率、晶粒度、硬度和冲击功的检测数据如下表2所示；图2为实施例2所制备的钢管的金相组织，从图2中可以看到，所得晶粒细小均匀，晶粒度级别为8级。
本实施例制造的12Cr1MoVG耐热合金无缝钢管在高压锅炉管一检中合格率为100％。
实施例3
合金钢冶炼：采用电炉冶炼、炉外精炼、真空脱气冶炼工艺冶炼出合金钢液；
管坯制备：将上述合金钢液通过铸造得到铸锭、然后将其锻造成φ460mm管坯；
制管：将上述管坯在环形加热炉内加热，保温温度为1260℃，保温时间为3分钟/毫米，然后采用阿塞尔热轧管机组制成φ508×65mm的荒管(直径×壁厚)；
正火热处理(加热保温、自然冷却、控制冷却)：
(i)加热保温：将上述荒管在步进式加热炉内进行加热，加热至992℃后进行均温，均温时间为1.5分钟/毫米；
(ii)自然冷却：保温结束后空冷，空冷时间为4.5秒/毫米，降至854℃；
(iii)控制冷却：将自然冷却后的钢管水雾冷至300℃，冷却速率36℃/min。
回火热处理：将上述正火热处理得到的钢管放置在步进式加热炉内进行回火热处理，回火热处理的保温温度为740℃，保温时间为2.5分钟/毫米，然后在空气中冷却至室温；
通过内外机械修磨工艺得到规格为φ508mm×65mm×7.84m的12Cr1MoVG耐热合金无缝钢管，其屈服强度、抗拉伸强度、断后伸长率、晶粒度、硬度和冲击功的检测数据如下表2所示；图3为实施例3所制备的钢管的金相组织，从图3中可以看到，所得晶粒细小均匀，晶粒度级别为7～8级。
本实施例制造的12Cr1MoVG耐热合金无缝钢管在高压锅炉管一检中合格率为100％。
实施例4
合金钢冶炼：采用电炉冶炼、炉外精炼、真空脱气冶炼工艺冶炼出合金钢液；
管坯制备：将上述合金钢液通过铸造得到铸锭、然后将其锻造成φ460mm管坯；
制管：将上述管坯在环形加热炉内加热，保温温度为1260℃，保温时间为3分钟/毫米，然后采用阿塞尔热轧管机组制成φ483×65mm的荒管(直径×壁厚)；
正火热处理(加热保温、自然冷却、控制冷却)：
(i)加热保温：将上述荒管在步进式加热炉内进行加热，加热至990℃后进行均温，均温时间为1.5分钟/毫米；
(ii)自然冷却：保温结束后空冷，空冷时间为3.5秒/毫米，降至863℃；
(iii)控制冷却：将自然冷却后的钢管水雾冷至305℃，冷却速率36℃/分钟。
回火热处理：将上述正火热处理得到的钢管放置在步进式加热炉内进行回火热处理，回火热处理的保温温度为740℃，保温时间为2.5分钟/毫米，然后在空气中冷却至室温；
通过内外机械修磨工艺得到规格为φ483mm×65mm×8.37m的12Cr1MoVG耐热合金无缝钢管，其屈服强度、抗拉伸强度、断后伸长率、晶粒度、硬度和冲击功的检测数据如下表2所示；图4为实施例4所制备的钢管的金相组织，从图4中可以看到，所得晶粒细小均匀，晶粒度级别为7～8级。
本实施例制造的12Cr1MoVG耐热合金无缝钢管在高压锅炉管一检中合格率为100％。
实施例5
合金钢冶炼：采用电炉冶炼、炉外精炼、真空脱气冶炼工艺冶炼出合金钢液；
管坯制备：将上述合金钢液通过铸造得到铸锭、然后将其锻造成φ460mm管坯；
制管：将上述管坯在环形加热炉内加热，保温温度为1260℃，保温时间为3分钟/毫米，然后采用阿塞尔热轧管机组制成φ457×55mm的荒管(直径×壁厚)；
正火热处理(加热保温、自然冷却、控制冷却)：
(i)加热保温：将上述荒管在步进式加热炉内进行加热，加热至991℃后进行均温，均温时间为1.5分钟/毫米；
(ii)自然冷却：保温结束后空冷，空冷时间为3.5秒/毫米，降至850℃；
(iii)控制冷却：将自然冷却后的钢管水雾冷至328℃，冷却速率35℃/min。
回火热处理：将上述正火热处理得到的钢管放置在步进式加热炉内进行回火热处理，回火热处理的保温温度为740℃，保温时间为2.5分钟/毫米，然后在空气中冷却至室温；
通过内外机械修磨工艺得到规格为φ457mm×55mm×8.41m的12Cr1MoVG耐热合金无缝钢管，其屈服强度、抗拉伸强度、断后伸长率、晶粒度、硬度和冲击功的检测数据如下表2所示；图5为实施例5所制备的钢管的金相组织，从图5中可以看到，所得晶粒细小均匀，晶粒度级别为7～8级。
本实施例制造的12Cr1MoVG耐热合金无缝钢管在高压锅炉管一检中合格率为100％。
实施例6
合金冶炼：采用电炉冶炼、炉外精炼、真空脱气冶炼工艺冶炼出合金钢液；
管坯制备：将上述合金钢液通过铸造得到铸锭、然后将其锻造成φ460mm管坯；
制管：将上述管坯在环形加热炉内加热，保温温度为1260℃，保温时间为3min/mm，然后采用460阿塞尔热轧管机组制成φ508×45mm的荒管(直径×壁厚)；
正火热处理(加热保温、自然冷却、控制冷却)：
(i)加热保温：将上述荒管在步进式加热炉内进行加热，加热至990℃后进行均温，均温时间为1.5分钟/毫米；
(ii)自然冷却：保温结束后空冷，空冷时间为4.0秒/毫米，降至885℃；
(iii)控制冷却：将自然冷却后的钢管水雾冷至337℃，冷却速率39℃/分钟。
回火热处理：将上述正火热处理得到的钢管放置在步进式加热炉内进行回火热处理，回火热处理的保温温度为740℃，保温时间为2.5分钟/毫米，然后在空气中冷却至室温；
通过内外机械修磨工艺得到规格为φ508mm×45mm×9.34m的12Cr1MoVG耐热合金无缝钢管，其屈服强度、抗拉伸强度、断后伸长率、晶粒度、硬度和冲击功的检测数据如下表2所示；图6为实施例6所制备的钢管的金相组织，从图6中可以看到，所得晶粒细小均匀，晶粒度级别为7～8级。
本实施例制造的12Cr1MoVG耐热合金无缝钢管在高压锅炉管一检中合格率为100％。
实施例7
合金钢冶炼：采用电炉冶炼、炉外精炼、真空脱气冶炼工艺冶炼出合金钢液；
管坯制备：将上述合金钢液通过连铸410mm×530mm方坯料，经轧制得到φ330圆管坯；
制管：将上述管坯在环形加热炉内加热，保温温度为1260℃，保温时间为3分钟/毫米，然后采用阿塞尔热轧管机组制成φ325×45mm的荒管(直径×壁厚)；
正火热处理(加热保温、自然冷却、控制冷却)：
(i)加热保温：将上述荒管在步进式加热炉内进行加热，加热至991℃后进行均温，均温时间为1.5分钟/毫米；
(ii)自然冷却：保温结束后空冷，空冷时间为3秒/毫米，降至870℃；
(iii)控制冷却：将自然冷却后的钢管水雾冷至376℃，冷却速率56℃/分钟。
回火热处理：将上述正火热处理得到的钢管放置在步进式加热炉内进行回火热处理，回火热处理的保温温度为740℃，保温时间为2.5分钟/毫米，然后在空气中冷却至室温；
通过内外机械修磨工艺得到规格为φ325mm×45mm×8.54m的12Cr1MoVG耐热合金无缝钢管，其屈服强度、抗拉伸强度、断后伸长率、晶粒度、硬度和冲击功的检测数据如下表2所示；图7为实施例7所制备的钢管的金相组织，从图7中可以看到，所得晶粒细小均匀，晶粒度级别为7～8级。
本实施例制造的12Cr1MoVG耐热合金无缝钢管在高压锅炉管一检中合格率为100％。
对比例1
合金钢冶炼：采用电炉冶炼、炉外精炼、真空脱气冶炼工艺冶炼出合金钢液；
管坯制备：将上述合金钢液通过铸造得到铸锭并锻造成φ460管坯；
制管：将上述管坯在环形加热炉内加热，均热段温度为1260℃，均温时间为3分钟/毫米，然后采用阿塞尔热轧管机组制成荒管φ457mm×35mm的荒管(直径×壁厚)；
正火热处理(加热保温、冷床上吹风冷却)：
加热保温：将上述荒管在步进式加热炉内进行加热，加热至1000℃进行均温，均温时间为1.5分钟/毫米；
冷却：保温结束后，在冷床上空冷至室温；
回火热处理：将上述正火热处理得到的钢管放置在步进式加热炉内进行回火热处理，回火热处理的保温温度为740℃，保温时间为2.5分钟/毫米，然后保温后在空气中进行冷却至室温。
经内磨修磨工艺得到规格为φ457mm×35mm×6.6m的耐热合金无缝钢管，其屈服强度、抗拉伸强度、断后伸长率、晶粒度、硬度和冲击功的检测数据如下表2所示，金相组织析出的碳化物沿晶界析出，其金相组织图如图8所示，从图8中可以看到，所得晶粒度级差较大，分布在6～9级。经检测，室温夏比V型冲击吸收能量不稳定，且有不符合现行标准GB/T5310-2017中高压锅炉用无缝钢管的标准要求；室温抗拉强度偏低或不足。
对比例2
合金钢冶炼：采用转炉冶炼、炉外精炼、真空脱气冶炼工艺冶炼出合金钢液；
管坯制备：将上述合金钢液通过连铸410mm×530mm方坯料，经轧制得到φ270圆管坯；
制管：将上述管坯在环形加热炉内加热，均热段温度为1250℃，均温时间为3分钟/毫米，然后采用阿塞尔热轧管机组制成219x30(mm)规格荒管(直径×壁厚)。
正火热处理(加热保温、冷却)：
(i)加热保温：将上述荒管在步进式加热炉内进行加热，加热至1000℃进行均温，均温时间为1.5min/mm；
(ii)冷却：保温结束后保温后在空气中进行冷却，快速吹风冷却至室温。
回火热处理：将上述正火热处理得到的钢管放置在步进式加热炉内进行回火热处理，回火热处理的保温温度为740℃，保温时间为2.5min/mm，然后保温后在空气中进行冷却至室温。
通过内外机械修磨工艺得到规格为φ219mm×30mm×10.25m的耐热合金无缝钢管，其屈服强度、抗拉伸强度、断后伸长率、晶粒度、硬度和冲击功的检测数据如下表2所示，相比于实施例
Figure GDA0004199265500000141
晶粒度级差较大，晶粒度级别为5级、7级、8级和9级，出现混晶，有粗大的贝氏体组织，其金相组织图如图9所示。经检测，室温夏比V型冲击吸收能量不稳定，有超标准下限值数据不符合GB/T5310-2017中高压锅炉用无缝钢管的标准。
对比例3
与实施例7相同，区别仅在于步骤(ii)自然冷却：保温结束后空冷，空冷时间为1.5秒/毫米，降至930～960℃之间，然后进行控制冷却。
本对比例中，保温结束后将温度降至Ar3以上就进行控制冷却，未等其在自然冷却阶段沿晶界或晶内先析铁素体，就进入控制冷却阶段，出现混晶，晶粒度级别为2、7、8级，其金相组织图如图10所示。
本对比例制造的12Cr1MoVG耐热合金无缝钢管虽然符合GB/T 5310-2017中高压锅炉用无缝钢管的标准，但是出现混晶，性能不够稳定，在高压锅炉管一检中合格率为60％～70％。
性能测试
对本申请实施例1-7和对比例1-2得到的12Cr1MoVG耐热合金无缝钢管的性能进行检测。
超声探伤试验的测试依据标准为：GB/T 5777-2019《无缝和焊接(埋弧焊除外)钢管纵向和/或横向缺欠的全圆周自动超声检测》；涡流探伤测试依据标准为：GB/T 7735-2018《无缝和焊接(埋弧焊除外)钢管缺欠的自动涡流检测》；本申请实施例1-7和对比例1-3所制备的钢管都满足无损检测标准。
抗拉伸强度Rm(MPa)通过拉伸试验检测，选取同一钢管的两端或不同的两支钢管同一位置的壁厚中心位置进行取样检测，测试依据标准为：GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》，检测结果如表2所示；
冲击功(J)通过室温冲击试验检测，测试依据标准为：GB/T 229-2020《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》，检测结果如下表2所示，其中，冲击功选取同一钢管的两端或不同的两支钢管同一位置的1/4壁厚位置(优选横向)取样进行检测，为避免偶然性，每个位置取3个试样进行检测。
屈服强度Rp0.2(MPa)、断后伸长率A(MPa)和硬度(HB)的测试依据标准为：GB/T5310-2017高压锅炉用无缝钢管标准，检测结果如表2所示，其中，屈服强度Rp0.2(MPa)、断后伸长率A(MPa)和硬度(HB)都是选取同一钢管的两端或不同的两支钢管同一位置的1/4壁厚位置(优选横向)进行检测。
晶粒度级别测试依据标准为：《GB/T6394金属平均晶粒度测定方法》，检测结果如下表2所示。
表2本申请实施例1-7和对比例1-2得到12Cr1MoVG耐热合金无缝钢管的性能数据
Figure GDA0004199265500000151
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均在本发明待批权利要求保护范围之内。

Claims (22)

1.一种改善Cr-Mo-V耐热合金钢管晶粒均匀性的方法，其特征在于，所述方法包括对钢管依次进行如下处理：正火热处理和回火热处理；所述正火热处理依次包括加热、自然冷却和控制冷却步骤；
其中，所述自然冷却包括：将加热后的钢管在空气中进行自然冷却，按钢管壁厚计算，所述自然冷却的时间为5秒/毫米；所述控制冷却是按照冷却速率≥28℃/min的方式冷却至300℃~380℃；
自然冷却至825℃~900℃后再进行控制冷却步骤；
同一钢管中晶粒度级差小于等于2；
所述钢管中各元素的质量百分比为：C 0.08%~0.15%、Si 0.17～0.50%、Mn 0.40%~0.70%、P≤0.025%、S≤0.010%、Cr 0.90%~1.20%、Mo 0.25%~0.35%、V 0.15%~0.30%、余量为Fe和不可避免杂质。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述钢管的制备方法包括合金冶炼、管坯制备和制管步骤。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述合金冶炼的步骤依次包括：电炉或转炉冶炼、炉外精炼和真空脱气冶炼。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，管坯制备的方式包括铸造或者连铸，或者铸造和锻造的组合。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，制管步骤为将管坯于加热炉内加热，通过热轧方式制备成钢管。
6.如权利要求1-5任一所述的方法，其特征在于，所述控制冷却的冷却速率≥30℃/分钟。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，控制冷却的冷却速率为30℃/分钟~80℃/分钟。
8.如权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于，控制冷却的方式为水冷。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，控制冷却的方式为水雾冷却、喷淋或淬水。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，控制冷却的方式为水雾冷却，水雾冷却至300℃~380℃之间。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，水雾冷却至300℃~380℃之间后，再空冷至室温。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，进行水雾冷却时，当所述钢管壁厚＜75mm，所述水雾冷却采用外部喷淋，当所述钢管壁厚≥75mm，所述水雾冷却采用内外部同时喷淋。
13.如权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于，在所述正火热处理中，加热过程中的均热温度为980℃～1020℃，均温时间按钢管壁厚计算，为1.5 分钟/毫米～2.5 分钟/毫米。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述加热在步进式加热炉中完成。
15.如权利要求1-5任一所述的方法，其特征在于，在所述回火热处理中，回火保温温度为720℃～760℃，均温时间按照钢管壁厚计算，为2.5分钟/毫米～3.5分钟/毫米。
16.如权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于，所述钢管的外径为219mm~800mm，壁厚为30mm~150mm。
17.如权利要求1-5任一项所述的方法制备的Cr-Mo-V耐热合金钢管，其特征在于，所述钢管的屈服强度≥255MPa，抗拉伸强度470MPa～640MPa，断后伸长率≥19%，冲击吸收功≥27J，硬度为145HB～195HB。
18.如权利要求17所述的Cr-Mo-V耐热合金钢管，其特征在于，所述钢管的屈服强度350~380MPa，抗拉伸强度500MPa～540MPa，断后伸长率23%~33%，冲击吸收功100J~250J，硬度为150HB～180HB。
19.如权利要求17所述的Cr-Mo-V耐热合金钢管，其特征在于，所述Cr-Mo-V耐热合金钢管的晶粒度级别为6~8。
20.如权利要求17所述的Cr-Mo-V耐热合金钢管，其特征在于，同一钢管中晶粒度级差为0。
21.如权利要求17所述的Cr-Mo-V耐热合金钢管在超临界或超超临界发电机组中的应用。
22.如权利要求21所述的应用，其特征在于，所述应用是指所述钢管在超临界或超超临界发电机组中作为蒸汽管道、集箱部件或水冷壁用合金管的应用。
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