摘 要:某大口徑厚壁１２Cr１MoVG 鋼制高壓鍋爐管硬度偏高,采用硬度測試、力學性能試驗、 金相檢驗等方法對硬度偏高問題進行了分析.結(jié)果表明:熱處理后的鋼管組織不均勻,導(dǎo)致鋼管的 力學性能不均勻,部分區(qū)域硬度不符合設(shè)計要求.根據(jù)電站機組特點,設(shè)計了正火后旋轉(zhuǎn)內(nèi)淋外噴 冷卻、正火后直接水冷和正火后“預(yù)冷＋水冷＋空冷”３種熱處理工藝方案,最終通過選用“預(yù)冷＋ 水冷＋空冷”工藝,將回火溫度和預(yù)冷時間控制在合理范圍,使鋼管硬度符合設(shè)計要求.
關(guān)鍵詞:大口徑厚壁鋼管;高壓鍋爐;熱處理;硬度
中圖分類號:TM６２１．２ 文獻標志碼:A 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１９)１１Ｇ０７４８Ｇ０５
１２Cr１MoVG 鋼是一種低合金耐熱鋼,具有較 高的持久強度和持久塑性、良好的抗氧化性能且無 熱脆傾向,主要用于制造電站鍋爐過熱器、集箱及鍋 爐主蒸汽管道部件等[１].電站鍋爐及管道大部分處 于高溫高壓等惡劣環(huán)境中,對其所用鋼材的力學性 能、顯微組織、晶粒尺寸等要求較高.１２Cr１MoVG 鋼在高壓鍋爐和超高壓鍋爐管中用量較大,分別占 到全部合金鋼管的８０％和３０％ [２].
某多規(guī)格大口徑厚壁１２Cr１MoVG 鋼制高壓鍋 爐管(外徑大于３８０mm,壁厚不小于７０mm)的表 面 硬 度 和 內(nèi) 部 硬 度 的 設(shè) 計 要 求 均 為 １４５ ~ １９０HBW,在生產(chǎn)過程中,連續(xù)出現(xiàn)多批次鋼管硬 度偏高的情況.筆者對出現(xiàn)問題的一批鋼管進行系 統(tǒng)分析,并根據(jù)電站機組特點,設(shè)計了３種不同的熱 處理工藝,通過試驗在不同的熱處理工藝下分別取 樣分析,找出合理的硬度控制工藝方案,使鋼管硬度 符合設(shè)計要求.
１ 理化檢驗
１．１ 硬度測試
采用 King３０００型便攜式布氏硬度計分別在出 現(xiàn)問題的外徑為５４６mm、壁厚為９５mm 的鋼管的 頭端、中間、尾端的同一截面上,沿圓周方向３６０°在 六等分處進行表面硬度測試,同時,對該鋼管的頭、 尾兩端按橫截面４個象限沿壁厚方向從外向內(nèi)每隔 １０mm 依次?。競€點進行硬度測試[３],結(jié)果如表１ 和表２所示.可見鋼管部分區(qū)域的表面硬度和絕大 部分的內(nèi)部硬度都超過設(shè)計要求;頭、尾端內(nèi)部硬度 不同測試點差異不大,由此可排除鋼管在回火過程 由于擺放位置不同造成的硬度差異.頭端硬度分布 在１８０~２００HBW 范圍內(nèi),４個象限的硬度中均有 部分 超 出 了 設(shè) 計 要 求;尾 端 硬 度 分 布 在 １８４~ ２０８HBW 范圍內(nèi),其中第２,３象限有部分測試點的 硬度超過設(shè)計要求,而第１,４象限測試點的硬度全 部超過設(shè)計要求,說明鋼管沿壁厚和圓周方向的硬 度均存在較明顯差異.
１．２ 力學性能試驗
在該鋼管尾端截面的第１象限內(nèi)１/４,１/２壁厚 處取樣,采用 WAWＧ３００型電液伺服拉伸試驗機進行力學性能測試,結(jié)果見表３,可以看出鋼管的屈服 強度、抗拉 強 度 和 斷 后 伸 長 率 均 符 合 GB５３１０－ ２００８e«高壓鍋爐用無縫鋼管»標準對１２Cr１MoVG 鋼的要求.
１．３ 金相檢驗
圖１ 鋼管內(nèi)部不同部位的顯微組織形貌 Fig敭１ Microstructuremorphologyofdifferentpartsinsteelpipe a neartheoutersurfaceofsteelpipe b neartheinnersurface ofsteelpipe c inthemiddleofsteelpipe 在鋼管尾端截取金相試樣,采用 DM６０００M 型 萊卡研究級全自動顯微鏡觀察顯微組織.由圖１可 以看出,鋼管靠近外表面和內(nèi)表面組織均為９５％貝 氏體＋５％鐵素體,而鋼管內(nèi)部中間組織為珠光體＋鐵素體,這導(dǎo)致鋼管內(nèi)部不同區(qū)域的硬度存在差異, 即鋼管靠近外表面和內(nèi)表面的硬度比鋼管內(nèi)部中間 的硬度高.
２ 分析與討論
對上述鋼管所在批次的全部鋼管的硬度情況進行 了統(tǒng)計,結(jié)果如圖２所示.可以看出該批次鋼管的硬 度在各區(qū)間呈正態(tài)分布,８０％以上的硬度值在設(shè)計要 求的范圍內(nèi).由于１２Cr１MoVG鋼是高壓鍋爐鋼管中 對熱處理工藝較敏感的鋼種之一,其組織對熱強性能 有很大影響,而且熱處理過程中各環(huán)節(jié)相互制約[４],特 別是大口徑厚壁鋼管(壁厚一般不小于５０mm)熱處理 時組織不均勻,導(dǎo)致力學性能波動較大,一旦預(yù)冷時間 控制不當,鋼管表面冷卻速度快形成較多貝氏體,鋼管 內(nèi)部冷卻速度慢形成鐵素體＋珠光體,就會導(dǎo)致鋼管 各部位組織不均勻,從而導(dǎo)致鋼管的力學性能不均勻, 部分區(qū)域硬度不符合設(shè)計要求,因此控制正火后的冷 卻方式和冷卻速度是關(guān)鍵[５].
該批次 鋼 管 生 產(chǎn) 采 用 了 “預(yù) 冷 ＋ 水 冷 ＋ 空 冷＋回火”工 藝,正 火 溫 度 為 ９８０ ℃,預(yù) 冷 時 間 為 ８min,回火溫度為７２０ ℃.從以往的生產(chǎn)實踐來 看,該工藝能滿足通常的大口徑厚壁１２Cr１MoVG 鋼管的組織和力學性能要求.但對硬度有特殊要 求的產(chǎn)品而言,從上述分析來看,該工藝生產(chǎn)的鋼 管各部位的 顯 微 組 織 存 在 差 異,導(dǎo) 致 產(chǎn) 品 的 硬 度 不符合設(shè)計要求.
３ 熱處理工藝試驗
根據(jù)上述分析對１２Cr１MoVG 鋼管設(shè)計了３種 熱處理工藝:
(１)采用正火后旋轉(zhuǎn)內(nèi)淋外噴冷卻工藝,然后 通過合理的回火溫度確保鋼管硬度符合要求.
(２)采用正火后直接水冷工藝,然后通過提高 回火溫度降低鋼管硬度.
(３)采用正火后預(yù)冷工藝,通過控制正火后的 預(yù)冷時間,讓鋼管表面先析出部分鐵素體,再采用 “水冷＋空冷”工藝,并在一定的回火溫度下降低鋼 管硬度.
３．１ 正火后旋轉(zhuǎn)內(nèi)淋外噴冷卻工藝
３．１．１ 試驗工藝
選 取 外 徑 為 ６１０ mm、壁 厚 為 １０５ mm 的 １２Cr１MoVG鋼管作為試驗對象.鋼管的正火工藝為: 起始溫度為室溫,升溫３００ min達到９８０ ℃后保溫 １９０min.鋼管出爐后,采用旋轉(zhuǎn)內(nèi)淋外噴的方式使鋼管 表面溫度冷卻至２００℃以下.取熱處理后的試樣分別 在７２０,７４０,７６０℃回火,回火保溫時間為２h.
３．１．２ 硬度測試
分別對不同溫度下回火處理后的試樣從距內(nèi)表 面８mm 處開始沿壁厚方向從內(nèi)到外每隔１０ mm 取一個點進行硬度測試,結(jié)果如表４和圖３所示. 可見隨著回火溫度的升高,試樣的硬度逐漸降低;當 回火溫度為７６０ ℃時,試樣的硬度全部符合設(shè)計要 求;當回火溫度為７２０,７４０℃時,有部分試樣的硬度 超出了設(shè)計要求.
３．２ 正火后直接水冷工藝
３．２．１ 試驗工藝
選 取 外 徑 為 ３８１ mm、壁 厚 為 ７８ mm 的 １２Cr１MoVG 鋼管作為進行試驗對象.鋼管的正火 工藝為:起始溫度為室溫,升溫２００min達到９８０℃ 后保溫１６０min.鋼管出爐后,采用直接水冷工藝, 鋼管內(nèi)、外 表 面 的 入 水 溫 度 分 別 為 ８７０~９００ ℃, ９８０ ℃.取水冷后的試樣,分別在７２０,７４０,７６０ ℃回 火,回火保溫時間為２h.
３．２．２ 硬度測試
分別對不同溫度下回火處理后的試樣從距內(nèi)表 面５mm 處開始沿壁厚方向從內(nèi)到外每隔１０ mm 取一個點進行硬度測試,結(jié)果如表５和圖４所示,可 見隨著回火溫度的升高,試樣的硬度逐漸降低;當回 火溫度為７２０,７４０ ℃時,試樣的硬度全部超出設(shè)計 要求的上限;當回火溫度為７６０℃時,除了距內(nèi)表面 ５,１５mm 處硬度符合設(shè)計要求外,其余部位硬度均 超過設(shè)計要求的上限.
３．３ 正火后“預(yù)冷＋水冷＋空冷”工藝
３．３．１ 試驗工藝
選 取 ８ 個 批 次 中 外 徑 為 ５０８ mm、壁 厚 為７０mm 的１２Cr１MoVG 鋼管作為試驗對象.鋼管的 正火工藝為:起始溫度為室溫,升溫 ２１０ min達到 ９８０ ℃后保溫１２６ min.鋼管出爐后,采用預(yù)冷工 藝,通過控制正火后的預(yù)冷時間,讓鋼管表面先析出 部分鐵素體,再采用“水冷＋空冷”工藝,并在一定的 回火溫度下降低鋼管硬度.預(yù)冷時間為９ min(從 鋼管出爐停止開始計時,到入水時截止的時間為預(yù) 冷時間),鋼管內(nèi)、外表面的入水溫度分別為８５０~ ８９５ ℃,７３０~７６５ ℃.取冷卻后的試樣,在７３０ ℃ 下回火,回火保溫時間為２h.
３．３．２ 硬度測試
分別對經(jīng)上述熱處理后的８個批次的試樣從距內(nèi) 表面 １５ mm 處 開 始 沿 壁 厚 方 向 從 內(nèi) 到 外 每 隔 １０mm取一個點進行硬度測試,結(jié)果如表６和圖５所 示,可見通過控制正火后的預(yù)冷時間、升溫時間和保溫 時間,上述試樣所有測試部位的硬度均符合設(shè)計要求.
４ 試驗結(jié)果分析及實施效果
４．１ 試驗結(jié)果分析
文獻[６]指出,隨著預(yù)冷時間延長,大口徑厚壁１２Cr１MoVG 鋼管硬度逐漸降低.從上述３種熱處 理工藝試 驗 結(jié) 果 可 以 看 出,提 高 回 火 溫 度 可 降 低 １２Cr１MoVG 鋼 管 硬 度,因 此 通 過 采 用 正 火 后 “預(yù) 冷＋水冷＋空冷”熱處理工藝,調(diào)整回火溫度和控制 預(yù)冷時間,可使鋼管硬度滿足設(shè)計要求.
４．２ 實施效果
對于采用正火后“預(yù)冷＋水冷＋空冷”熱處理工 藝生產(chǎn)大口徑厚壁１２Cr１MoVG 鋼管的實際情況進 行了４個月跟蹤,對生產(chǎn)的３４５批次鋼管的硬度進 行了測試和統(tǒng)計,結(jié)果如圖６所示.統(tǒng)計結(jié)果顯示, 熱處理工藝優(yōu)化后的的大口徑厚壁１２Cr１MoVG 鋼 管的硬度值均滿足設(shè)計要求.
５ 結(jié)論
大口徑厚 壁 １２Cr１MoVG 鋼 制 高 壓 鍋 爐 管 熱 處理后組織不均勻,導(dǎo)致其力學性能不均勻,部分 區(qū)域硬度 不 符 合 設(shè) 計 要 求.選 用 正 火 后“預(yù) 冷 ＋ 水冷＋空冷”工藝,將回火溫度和預(yù)冷時間控制為 合理值(７３０ ℃,９min),可使鋼管的硬度符合設(shè)計 需求.
參考文獻:
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