CN116676470B - 一种耐热钢无缝钢管及其热处理方法 - Google Patents

一种耐热钢无缝钢管及其热处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种耐热钢无缝钢管及其热处理方法，属于钢铁热处理技术，所述方法包括将钢管管坯放入连续式气氛保护炉中，充入保护气体，加热至一次正火温度，并保温一次正火时间，再次加热升温至二次正火温度，并保温二次正火时间，得正火处理后钢管管坯；将正火处理后钢管管坯出炉空冷却至固定温度，再放入连续式气氛保护炉中，充入保护气体，加热至回火温度，并保温回火时间，随后钢管管坯出炉空冷至室温。本发明的正火工艺采用阶梯式正火，选择低温进行一次正火，再升高温度进行二次正火，以保证既达到充分奥氏体化，又只产生少量的δ‑铁素体，同时，可防止该高合金无缝钢管在加热过程中因加热速率过快而发生开裂的现象。

Description

一种耐热钢无缝钢管及其热处理方法
技术领域
本发明属于钢铁热处理技术，特别涉及一种耐热钢无缝钢管及其热处理方法。
背景技术
第四代主蒸汽管道选用耐热钢P91无缝钢管，材料设计结合先进型核电机组的安全服役要求，在ASME规范的基础上，对适用于核设施部件用无缝钢管材料提出了更高和更为安全的特殊性能质量要求，因此，为确保该项目工程的顺利建成，有必要立项对其进行研发。
耐热钢P91合金含量高，在热处理过程中会因加热温度不当而产生δ铁素体，且在正火热处理冷却过程中，会因冷却温度不当而产生细小裂纹的现象。同时，钢管在热处理的过程中常常会在高温热处理的过程中产生氧化铁皮，而小口径无缝钢管，其内表面氧化铁皮的去除常常采用喷砂的方式去除，但常常会因为口径太小使得内表面氧化铁皮不能完全去除等问题。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种耐热钢无缝钢管及其热处理方法。
本发明的第一目的在于提供一种耐热钢无缝钢管的热处理方法，所述方法包括：
将钢管管坯放入连续式气氛保护炉中，充入保护气体，加热至一次正火温度，并保温一次正火时间，再次加热升温至二次正火温度，并保温二次正火时间，得正火处理后钢管管坯；
将正火处理后钢管管坯出炉空冷却至固定温度，再放入连续式气氛保护炉中，充入保护气体，加热至回火温度，并保温回火时间，随后钢管管坯出炉空冷至室温。
进一步地，所述钢管管坯采用平铺架空方式放入连续式气氛保护炉中。
进一步地，所述钢管管坯的化学成分按重量百分比计为：C 0.09%～0.12%、Si0.25%～0.50%、Mn 0.35%～0.60%、Cr 8.5%～9.5%、Mo 0.90%～1.05%、V 0.20%～0.25%、Pb≤0.008%、Bi≤0.008%、Sn+As+Sb+Pb≤0.020%余量为Fe和不可避免的杂质；
其中，上述的不可避免的杂质包括P和S，其中，按重量百分比计，P≤0.020%，S≤0.010%。
进一步地，正火步骤中，充入保护气体时，保护气体的流量≥100m3/h。
进一步地，所述加热至一次正火温度中，加热速率为30～50℃/h，一次正火温度为640-650℃，一次正火时间为40～60min。
进一步地，所述再次加热升温至二次正火温度中，加热速率为60～80℃/h，一次正火温度为1040～1090℃。
进一步地，所述二次正火时间按照下式计算：
H1=（4～6.5）×S，
其中，S为所述钢管管坯的壁厚，单位为mm，H1为二次正火时间，单位为min。
进一步地，所述固定温度为400+10℃。
进一步地，回火步骤中，充入保护气体时，保护气体的流量≥60m3/h。
进一步地，所述加热至回火温度中，加热速率为30～50℃/h，回火温度为740～780℃。
进一步地，所述回火时间按照以下方式计：
壁厚＜12mm的钢管管坯，所述回火时间为80～90min；
壁厚≥12mm的钢管管坯，所述回火时间时间按下式计算：
H2=（8～9.5）×S，
其中，S为所述钢管管坯的壁厚，单位为mm，H2为回火时间，单位为min。
本发明的第二个目的在于提供一种耐热钢无缝钢管，所述耐热钢无缝钢管包括如上所述的热处理方法制备而成，所述耐热钢无缝钢管的力学性能：屈服强度≥430MPa，抗张强度≥590MPa，延伸率≥22%，常温冲击值≥40J，布氏硬度180～260；
所述耐热钢无缝钢管的525℃高温拉伸性能满足：抗张强度≥400MPa，屈服强度≥300MPa。
本发明的有益效果：
本发明在正火步骤中，采用平铺架空方式布料，其中，平铺是为了保证保证钢管与钢管之间不重叠，架空的实现采用将钢管管坯放在布料架（耐高温材料制成）上，确保了钢管各个面加热的均匀性，防止“阴阳面”的产生；
且整个加热氛围为保护气体的流量≥100m3/h，有效防止了钢管在加热过程中内、外表面氧化铁皮的产生，降低了热处理后钢管因去除氧化铁皮而产生的生产成本；
本发明提供的正火工艺为阶梯式正火，因考虑小孔径（如P91）钢管管坯在正火过程中，加热温度越高，碳化物溶解得越多，温度过高或高温保温时间过长，都会使得钢管内的碳化物溶解，产生过多的δ-铁素体，使钢的性能恶化（降低强韧性、疲劳性能、蠕变性能），但是正火温度过低或保温时间过短，使得钢管内奥氏体化不充分，基于此，本发明正火工艺采用阶梯式正火，选择低温进行一次正火，再升高温度进行二次正火，以保证既达到充分奥氏体化，又只产生少量的δ-铁素体，同时，可防止该高合金无缝钢管在加热过程中因加热速率过快而发生开裂的现象；
且在本发明中提供了适合P91钢管管坯的阶梯式正火工艺参数：一次正火工艺：加热速率为30～50℃/h，一次正火温度为640-650℃，一次正火时间为40～60min；二次正火工艺，加热速率为60～80℃/h，一次正火温度为1040～1090℃，时间不宜过长，优选地为二次正火时间按照下式计算：H1=（4～6.5）×S，其中，S为所述钢管管坯的壁厚，H1为二次正火时间，单位为min；
在本发明中，在正火工艺结束后空冷步骤中，设置了空冷结束时钢管管坯的固定温度，固定温度不低于400℃进入回火工艺，有效预防钢管内外表面因温度差而产生细小裂纹或开裂的现象；
针对小孔径钢管管坯的回火工艺，本发明设置了回火温度为740～780℃，针对不同管壁壁厚设置了不同的保温时间，这是因为当回火温度高于740～780℃，随着温度的提高，原马氏体组织开始分解，板条粗大并逐步析出碳化物，可导致材料的硬度高，但韧性偏低的现象；
本发明的正火+回火工艺应用于P91钢管生产时，未发生钢管开裂现象，且所得的P91钢管的力学性能和高温拉伸性能完全满足第四代核电工况使用条件，热处理后的钢管力学性能：屈服强度（Rp0.2）：≥430MPa，抗张强度（Rm）：≥590MPa，延伸率（A）≥22%，常温冲击值（AKv）：≥40J，布氏硬度（HBW）：180～260，其综合力学性能较好。高温性能满足：525℃高温拉伸性能满足：抗张强度（Rm）≥400MPa，屈服强度（Rp0.2）≥300MPa；
综上所述，本发明提供的热处理方法既避免了钢管细小裂纹的产生，同时，热处理后钢管内外表面几乎无氧化铁皮，从而节约了因去除氧化铁皮而产生的生产成本，提高了小口径无缝钢管的经济效益，同时提高了核电合同兑现率，满足第四代核电装备的需求。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书中所指出的结构来实现和获得。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为说明本发明提供的正火+回火工艺应用于P91钢管生产时，能满足第四代核电装备的需求，表1中给出了P91钢管的产品技术要求。
P91的钢管管坯的化学成分按重量百分比计为：C 0.09%～0.12%、Si 0.25%～0.50%、Mn 0.35%～0.60%、Cr 8.5%～9.5%、Mo 0.90%～1.05%、V 0.20%～0.25%、Pb≤0.008%、Bi≤0.008%、Sn+As+Sb+Pb≤0.020%余量为Fe和不可避免的杂质；
其中，上述的不可避免的杂质包括P和S，其中，按重量百分比计，P≤0.020%，S≤0.010%。
实施例1
本实施例提供一种第四代核电用小口径无缝钢管热处理工艺，具体以规格Φ26.7×7.82mm的无缝钢管为例，其热处理工艺如下：
（1）正火：
首先，将小口径无缝钢管按纵向方式平铺在布料架上，且保证钢管与钢管之间不重叠。并将布料架放入连续式气氛保护炉中（炉内充氮气流量不低于100m3/h）按加热速率50℃/h加热至650℃，保温40分钟。然后，将钢管按加热速率80℃/h加热至1060℃，保温时间按36分钟。最后，待钢管保温后出炉进行空冷至管温降至400+10℃。
（2）回火：
待管坯冷却至400+10℃后，将布料架放入连续式气氛保护炉中（炉内充氮气流量不低于60m3/h）按加热速率50℃/h加热至770℃，保温时间90分钟，待保温完后钢管出炉空冷至室温。
实施例2
本实施例提供一种第四代核电用小口径无缝钢管热处理工艺，具体以规格Φ33.4×6.35mm的无缝钢管为例，其热处理工艺如下：
（1）正火：
首先，将小口径无缝钢管按纵向方式平铺在布料架上，且保证钢管与钢管之间不重叠。并将布料架放入连续式气氛保护炉中（炉内充氮气流量不低于100m3/h）按加热速率40℃/h加热至650℃，保温40分钟。然后，将钢管按加热速率70℃/h加热至1060℃，保温时间按29分钟。最后，待钢管保温后出炉进行空冷至管温降至400+10℃。
（2）回火：
待管坯冷却至400+10℃后，将布料架放入连续式气氛保护炉中（炉内充氮气流量不低于60m3/h）按加热速率40℃/h加热至770℃，保温时间90分钟，待保温完后钢管出炉空冷至室温。
实施例3
本实施例提供一种第四代核电用小口径无缝钢管热处理工艺，具体以规格Φ168.3×17.12mm的无缝钢管为例，其热处理工艺如下：
（1）正火：
首先，将小口径无缝钢管按纵向方式平铺在布料架上，且保证钢管与钢管之间不重叠。并将布料架放入连续式气氛保护炉中（炉内充氮气流量不低于100m3/h）按加热速率30℃/h加热至650℃，保温65分钟。然后，将钢管按加热速率60℃/h加热至1060℃，保温时间按70分钟。最后，待钢管保温后出炉进行空冷至管温降至400+10℃。
（2）回火：
待管坯冷却至400+10℃后，将布料架放入连续式气氛保护炉中（炉内充氮气流量不低于60m3/h）按加热速率40℃/h加热至770℃，保温时间160分钟，待保温完后钢管出炉空冷至室温。
对比例1
与实施例3相比，正火工艺不同，其他的工艺和参数相同，其中，正火工艺如下所示：
首先，将小口径无缝钢管按纵向方式平铺在布料架上，且保证钢管与钢管之间不重叠。并将布料架放入连续式气氛保护炉中（炉内充氮气流量不低于100m3/h）按加热速率30℃/h加热至650℃，保温60分钟。然后，将钢管按加热速率60℃/h加热至1150℃，保温时间按70分钟。最后，待钢管保温后出炉进行空冷至管温降至不低于400℃。
对比例2
与实施例3相比，正火工艺不同，其他的工艺和参数相同，其中，正火工艺如下所示：
首先，将小口径无缝钢管按纵向方式平铺在布料架上，且保证钢管与钢管之间不重叠。并将布料架放入连续式气氛保护炉中（炉内充氮气流量不低于100m3/h）按加热速率30℃/h加热至650℃，保温60分钟。然后，将钢管按加热速率60℃/h加热至1060℃，保温时间按120分钟。最后，待钢管保温后出炉进行空冷至管温降至400℃左右。
对比例3
与实施例3相比，正火工艺不同，其他的工艺和参数相同，其中，正火工艺如下所示：
首先，将小口径无缝钢管按纵向方式平铺在布料架上，且保证钢管与钢管之间不重叠。并将布料架放入连续式气氛保护炉中（炉内充氮气流量不低于100m3/h）按加热速率50℃/h加热至1060℃，保温70分钟。最后，待钢管保温后出炉进行空冷至管温降至400℃左右。
热处理后，取出钢管发现有的钢管表面有细小裂纹，有的钢管甚至出现了开裂的现象，表明直接高温正火，易使得钢管产生细小裂纹，甚至开裂，原因是正火时直接高温处理易导致钢管组织未能完全均匀化而产生细小裂纹，甚至开裂的现象。
对比例4
与实施例3相比，回火工艺不同，其他的工艺和参数相同，其中，回火工艺如下所示：
待管坯冷却至不高于400℃后，将布料架放入连续式气氛保护炉中（炉内充氮气流量不低于60m3/h）按加热速率40℃/h加热至850℃，保温时间160分钟，待保温完后钢管出炉空冷至室温。
热处理后，取出钢管发现有的钢管出现了开裂，表明850℃回火温度过高，导致钢管开裂缺陷，原因是回火温度过高使得金相组织处于两相区，由于组织差异较大，易导致钢管开裂缺陷。
对比例5
与实施例3相比，回火工艺不同，其他的工艺和参数相同，其中，回火工艺如下所示：
待管坯冷却至不高于400℃后，将布料架放入连续式气氛保护炉中（炉内充氮气流量不低于60m3/h）按加热速率40℃/h加热至770℃，保温时间200分钟，待保温完后钢管出炉空冷至室温。
热处理后，取出钢管发现有的钢管表面有裂纹，表明回火时保温时间过长，导致钢管产生裂纹，原因是回火保温时间过长，易导致析出相碳化物粗大，进而导致钢管产生裂纹。
根据本实施1-3和对比例1-2所获得的产品经热处理后的力学性能如表2所示：
从表1和表2的数据中可以看出，实施例3生产的P91产品满足第四代核电装备的需求，实施例1-2生产的P91产品除常温冲击值外（因实施例1-2生产的钢管管径小，管壁薄，无法制成冲击试验的试样，未测常温冲击值），剩余常温力学性能和高温性能满足第四代核电装备的需求。
对比例1和对比例2生产的P91产品对应的常温力学性能均低于实施例1-3生产的P91产品力学性能，但是高温性能方面，由于对比例1和对比例2中晶粒粒度较粗，对应的高温性能微高于实施例1-3生产的P91产品的高温力学性能，但是对比例1-2生产的P91产品常温力学性能低于表1中给出了P91钢管的产品技术要求，不满足第四代核电装备的需求。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.一种耐热钢无缝钢管热处理方法，其特征在于，包括：
将钢管管坯放入连续式气氛保护炉中，充入保护气体，加热至一次正火温度，并保温一次正火时间，再次加热升温至二次正火温度，并保温二次正火时间，得正火处理后钢管管坯；
将正火处理后钢管管坯出炉空冷却至固定温度，再放入连续式气氛保护炉中，充入保护气体，加热至回火温度，并保温回火时间，随后钢管管坯出炉空冷至室温；
所述钢管管坯的外径×壁厚的尺寸为：Φ26.7～168.3mm×5.56～17.12mm；
正火步骤中，充入保护气体时，保护气体的流量≥100m3/h；
所述加热至一次正火温度中，加热速率为30～50℃/h，一次正火温度为640-650℃，一次正火时间为40～60min；
所述再次加热升温至二次正火温度中，加热速率为60～80℃/h，二次正火温度为1040～1090℃；
所述二次正火时间按照下式计算：
H1=（4～6.5）×S，
其中，S为所述钢管管坯的壁厚，单位为mm，H1为二次正火时间，单位为min；
P91的钢管管坯的化学成分按重量百分比计为：C 0.09%～0.12%、Si 0.25%～0.50%、Mn0.35%～0.60%、Cr 8.5%～9.5%、Mo 0.90%～1.05%、V 0.20%～0.25%、Pb≤0.008%、Bi≤0.008%、Sn+As+Sb+Pb≤0.020%余量为Fe和不可避免的杂质；
其中，上述的不可避免的杂质包括P和S，其中，按重量百分比计，P≤0.020%，S≤0.010%；
所述固定温度为400+10℃；
所述加热至回火温度中，加热速率为30～50℃/h，回火温度为740～780℃；
所述回火时间按照以下方式计：
壁厚＜12mm的钢管管坯，所述回火时间为80～90min；
壁厚≥12mm的钢管管坯，所述回火时间按下式计算：
H2=（8～9.5）×S，
其中，S为所述钢管管坯的壁厚，单位为mm，H2为回火时间，单位为min。
2.根据权利要求1所述的一种耐热钢无缝钢管热处理方法，其特征在于，回火步骤中，充入保护气体时，保护气体的流量≥60m3/h。
3.一种耐热钢无缝钢管，其特征在于，包括权利要求1-2任一项所述的热处理方法制备而成，所述耐热钢无缝钢管的力学性能：屈服强度≥430MPa，抗张强度≥590MPa，延伸率≥22%，常温冲击值≥40J，布氏硬度180～260。
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