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大口径高压锅炉管热处理工艺优化研究

发表时间:2020-06-16 17:51:02

12Cr1MoVG是大口径高压锅炉管中最常见钢种之一,属于低合金热强钢,具有一系列优良性能,特别是在中高温下具有较高的热强性。因为高压锅炉管的工作环境恶劣,需在高温和应力下长期使用[1],要求其具有较高的强度和韧性,同时材料的抗蠕变性能要好。因此,GB/T 5310—2017《高压锅炉用无缝钢管》对高压锅炉管材料的化学成分、性能、热处理制度等有严格的要求;除此之外,各锅炉厂在我国标准要求的基础上又对材料的部分性能做了更加严格的限制,如冲击性能的提高,硬度范围的限制。硬度范围的限制,在我国标准要求回火温度范围窄的情况下相当于进一步缩小了回火温度区间,这给大生产带来了困难[4-7]。内蒙古包钢钢联股份有限公司钢管公司(简称包钢钢管公司)经过反复试验摸索,利用现有设备,创新性地提出了一种“间歇式淬火+回火”热处理工艺模式,成功生产出了高性能12Cr1MoVG高压锅炉管,并运用于国内数家锅炉厂,取得了良好的效果。

工业生产用材料选用的是包钢钢管公司生产的12Cr1MoVG高压锅炉管成品钢管,其化学成分满足GB/T 5310—2017标准。目前GB/T 5310—2017规定12Cr1MoVG高压锅炉管的热处理工艺有正火+回火、淬火+回火以及正火后快速冷却+回火的方式,回火温度为720~760℃,几乎没有可调整的余地。根据不同规格高压锅炉管经不同的热处理工艺调试后,高压锅炉管性能出现硬度偏高、冲击值为个位数、抗拉强度偏高、抗拉强度低于下限等情况,对不同热处理工艺下性能不合格高压锅炉管的拉伸、冲击、硬度进行检测,同时采用显微镜观察不同工艺下材料组织形貌。

从表1可以看出:工艺1采用正火+回火工艺,正火后风冷,大口径高压锅炉管特别容易出现屈服强度偏下限的情况,组织为铁素体+珠光体+少量B;采用不同参数的工艺2正火+回火,正火后自然冷却,冲击值为个位数,组织中有大块的贝氏体团存在,造成了冲击功的降低;高压锅炉管经工艺3淬火+回火热处理后,出现抗拉强度和硬度超上限的情况,组织为回火索氏体,其中有极少量的铁素体存在。回火索氏体具有良好的综合力学性能,韧性较好,但相较于铁素体+珠光体组织强度偏高,不满足GB/T 5310—2017要求。

12Cr1MoVG高压锅炉管中含有微合金化元素V,使得热处理对组织结构及热强性的影响趋于复杂[8],而GB/T 5310—2017对热处理有严格的限制,特别是回火温度只有40℃的区间范围,可调整的余地小。采用正火+回火工艺,回火温度设置为GB/T 5310—2017标准要求下限,但屈服强度还是会出现偏低的情况;采用正火+回火工艺冲击值为个位数的12Cr1MoVG高压锅炉管,其典型组织为铁素体+珠光体+贝氏体,同时存在大块的贝氏体团或者混晶的情况,回火脆化加剧,从而造成冲击值高低不均、分散度大。而这种粗大贝氏体团的产生,与轧管终轧温度过高使钢管中产生的粗大晶粒组织有很大关系,而粗大晶粒组织在随后热处理过程中,出现粗大贝氏体团混晶的几率就高,尤其是厚壁管在正火后冷却速度较慢的情况下更容易产生[9]。采用淬火+回火工艺处理后的12Cr1MoVG高压锅炉管,材料的抗拉强度和硬度又特别容易超出GB/T 5310—2017标准要求的上限,从金相组织也可以看到,采用直接水淬冷却方式处理,回火后组织主要以回火索氏体为主,虽然回火索氏体组织具有良好的综合力学性能,但其强度相对于正火态铁素体+珠光体组织来说要高,因此强度容易超过GB/T 5310—2017标准规定的上限。

从12Cr1MoVG大口径高压锅炉管的工业热处理制度调试以及性能、组织检测结果可以看出,采用正火+回火工艺,其厚壁12Cr1MoVG高压锅炉管的硬度能较好地满足要求,但极易出现拉伸强度低于GB/T 5310—2017标准下限要求和冲击值为个位数的情况;采用完全淬火+回火处理工艺,其厚壁12Cr1MoVG高压锅炉管的冲击较好,但强度偏高,而回火温度也没有提高的余地。


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