12Cr2M o1鋼鍛件生產(chǎn)工藝研究

王鵬飛段飛虎朱 帥崔正陽馬 宏

(1.河南省大型鑄鍛件工程技術(shù)研究中心，河南471000;2.中信重工機械股份有限公司，河南471000)

12Cr2M o1鋼鍛件生產(chǎn)工藝研究

王鵬飛1段飛虎1朱 帥1崔正陽1馬 宏2

(1.河南省大型鑄鍛件工程技術(shù)研究中心，河南471000;2.中信重工機械股份有限公司，河南471000)

通過采用EAF-LF-VCD-VC冶煉工藝，嚴(yán)格控制鋼中夾雜物含量和S、P、Sn、As、Sb等殘余元素含量，并采用四火鍛造成型及鍛后正火+回火的熱處理工藝，最終生產(chǎn)出表面質(zhì)量良好、力學(xué)性能滿足要求的12Cr2Mo1鋼加氫反應(yīng)器鍛件。

12Cr2Mo1鋼;鍛件;生產(chǎn)工藝;力學(xué)性能

加氫反應(yīng)器是石油化工行業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備之一，材料主要選用抗高溫蠕變、抗氫蝕能力強的12Cr2Mo1鋼。由于在高溫、高壓、臨氫條件下工作，對鋼的質(zhì)量要求非常嚴(yán)格［1］。不僅要滿足強度、韌性和氫腐蝕的要求，還要具有良好的焊接性能和成型性能。CrMo鋼長期在350～575℃溫度范圍工作時會出現(xiàn)脆變現(xiàn)象，材料因回火脆性會引起韌性惡化，發(fā)生脆性斷裂，因此，還應(yīng)滿足鋼的抗回火脆化要求。研究［2～4］認(rèn)為鋼的回火脆性與P、Sn、As、Sb等殘余元素的含量有很大關(guān)系，這些元素會在奧氏體晶界偏析并引起晶界弱化。通過研究國內(nèi)外12Cr2Mo1鋼的生產(chǎn)工藝［5～8］，制定合理的生產(chǎn)工藝，中信重工機械股份有限公司成功開發(fā)出加氫反應(yīng)器用12Cr2Mo1筒體鍛件。本文主要介紹12Cr2Mo1鋼鍛件的生產(chǎn)工藝。

1 技術(shù)要求

1.1 化學(xué)成分要求

采用EBT電爐冶煉→LF精煉→VCD真空處理→VC真空澆鑄→鋼錠熱送→加熱→鍛造→鍛后熱處理的工藝生產(chǎn)12Cr2Mo1鍛件。其標(biāo)準(zhǔn)成分及生產(chǎn)內(nèi)控成分見表1。氣體元素含量見表2。

LF精煉出鋼前不計燒損按0.04%加入Nb，殘余元素含量內(nèi)控要求如下:wSb≤0.002%，wSn≤0.006% ，wAs≤0.010% ，wCu≤0.15%。材料的主要化學(xué)成分和殘余元素還應(yīng)滿足式(1)規(guī)定的回火脆化敏感性系數(shù)J和式(2)規(guī)定的焊縫金屬脆化敏感性系數(shù)X。

表1 12Cr2M o1鋼的化學(xué)成分要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chem ical com position requirement of 12Cr2M o1 steel(mass fraction，%)

表2 氣體元素含量(×10-6)Table 2 Gas element content(×10-6)

式(1)、(3)中元素以質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計算;式(2)中元素以×10-6含量計算。

1.2 質(zhì)量及性能要求

鍛件不允許存在裂紋、折疊、夾層、夾渣、白點、縮孔及嚴(yán)重偏析等缺陷。晶粒度大于6級(符合標(biāo)準(zhǔn)YB/T6394規(guī)定)。非金屬夾雜物按標(biāo)準(zhǔn)GB10561規(guī)定的B法評級圖Ⅱ進行評定，A類、B類、C類、D類及Ds類均不得大于1.5級，且應(yīng)滿足A+C≤2.0，B+D+Ds≤2.5，A+B+C +D+Ds≤4.0。超聲檢測按JB/T4730.3—2005逐件進行100%檢測，合格級別為:單個缺陷、底波降低量及密集區(qū)缺陷都是Ⅰ級。JB 4726—2000規(guī)定的12Cr2Mo1鋼力學(xué)性能要求如表3所示。

表3 12Cr2M o1鋼的力學(xué)性能要求Table 3 M echanical properties of 12Cr2M o1 steel

2 制造過程

2.1 冶煉

為了提高鋼的綜合力學(xué)性能，在煉鋼過程中應(yīng)嚴(yán)格控制P、S、Sn、As、Sb、Cu等殘余元素及H、O、N氣體元素的含量，減小回火脆化傾向。Sn、As、Sb等殘余元素與O的親和能力比Fe低，在煉鋼過程中無法有效去除，因此電爐冶煉應(yīng)選用低殘余元素、低硫、低磷廢鋼和料頭。

電爐冶煉:熔清確保殘余Cu≤0.15%、Sb≤0.002%、Sn≤0.006%、As≤0.010%、S≤0.015%、P≤0.015%。隨一次料配入的活性石灰為鋼水重量的5%～6%，氧化期及時大量放渣和補加渣料，脫磷主要在電爐冶煉期間完成，精煉時由于脫氧造成爐渣氧化性的降低會使鋼水出現(xiàn)一定量的回磷。此外合金化也會帶入磷，總的回磷量約為0.003% ～0.004%。為了確保成品磷含量達(dá)到內(nèi)控要求，電爐出鋼應(yīng)確保P≤0.002%。初煉爐出鋼溫度1650～1680℃，出鋼時禁用碳粉增碳。出鋼前10 min通知鑄錠置換氬氣。出鋼時氬氣壓力控制在0.6 MPa～1.0 MPa。隨鋼流加入活性石灰、電解錳、金屬鉻，嚴(yán)禁加入含Si合金及脫氧劑、預(yù)熔渣。采用留鋼留渣操作，禁止氧化渣進入精煉包。

鋼水精煉:在精煉過程中盡可能多的用C粉擴散脫氧，擴散脫氧劑要分批加入，保持還原氣氛，少用硅鋁鈣鋇粉脫氧，以提高鋼水的純凈度。并且采用高堿度精煉渣進行白渣操作完成脫硫，合金加完后要求精煉白渣保持時間≥20 min。渣料組成為石灰和螢石(石灰:螢石=4～5:1)，爐渣厚度控制在200 mm～300 mm。出鋼溫度在1 670～1 680℃之間。精煉出鋼前加入微量合金元素Nb細(xì)化晶粒、優(yōu)化成分。VCD真空碳脫氧時，在真空度小于66.7 Pa下處理時間大于15 min。要隨時觀察爐渣的噴濺情況，一旦有噴濺預(yù)兆，應(yīng)充氣降低真空度。

2.2 鍛造

在185 MN油壓機上鍛造，選用75 t鋼錠，鍛件重量為47.98 t，鋼錠利用率為64%。將熱送的鋼錠送入加熱爐內(nèi)加熱(升溫速率V≤65℃/h)，在1 170～1 210℃溫度區(qū)間保溫3 h后倒棱。然后迅速返爐升溫(升溫速率V≤85℃/h)，將鍛件加熱到1 220～1 260℃溫度區(qū)間，保溫16 h后進行鍛造。分四火鍛造成型，鍛造溫度1 250～750℃，變形過程總鍛造比為6.4。鍛造過程如表4所示。

2.3 鍛后熱處理

化學(xué)成分與熱處理是決定鋼性能的最重要因素，鍛后熱處理方式采用正火+回火。12Cr2Mo1鋼比較理想的組織是貝氏體組織，貝氏體組織具有良好的強韌性、組織穩(wěn)定性、耐熱疲勞性，并且比馬氏體組織或鐵素體+珠光體具有更高的抗回火能力。鍛后熱處理工藝如圖1所示。

3 鍛件檢驗結(jié)果

(1)化學(xué)成分對2012年生產(chǎn)的12Cr2Mo1鋼錠進行統(tǒng)計，成品化學(xué)成分滿足工藝要求，鋼中磷含量≤0.006%，硫含量≤0.004%，總氧含量≤18 ×10-6，氫含量≤1.8×10-6，氮含量≤69×10-6。鋼中Sn、As、Sb殘余元素含量低，由實際化學(xué)成分計算的最大J系數(shù)和X系數(shù)分別為62和10.9，P+Sn≤0.010。

表4 12Cr2M o1鋼的鍛造過程Table 4 Forging process of 12Cr2M o1 steel

圖1 鍛后熱處理工藝Figure 1 Heat treatment process after forging

圖2 冶煉過程夾雜物的尺寸分布Figure 2 Distribution of inclusions size during smelting process

表5 非金屬夾雜物評級Table 5 Non-metallic inclusion grade

部分爐次的磷含量達(dá)到內(nèi)控上限，考慮到精煉期間的回磷量，電爐出鋼應(yīng)嚴(yán)格保證［P］≤0.002%。LF精煉由于采用高堿度低氧化性精煉渣操作，渣系為CaO-CaF2-SiO2，(FeO+MnO)含量≤1%，脫硫、脫氧效果良好。

(2)鋼中夾雜物

采用VCD真空碳脫氧工藝，脫氧產(chǎn)物為CO氣體，對鋼水不會造成污染，并且氣體在上浮過程中更有利于去除夾雜物，達(dá)到凈化鋼液的目的。通過SEM、EDS等試驗手段對鋼中夾雜物的大小、形貌、數(shù)量進行研究，發(fā)現(xiàn)鋼中夾雜物多為脫氧產(chǎn)物及合金料和耐火材料的氧化產(chǎn)物，主要為硅鋁酸鹽復(fù)合夾雜物(CaO-SiO2-MgO-Al2O3系、CaO-SiO2-Al2O3系 和 MnO-SiO2-Al2O3系)。12Cr2Mo1鋼的純凈度較高，大于10μm的夾雜物約為0.47%。冶煉過程各工序鋼中夾雜物尺寸分布如圖2所示。

非金屬夾雜物級別達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，A+C≤ 2.0，B+D+Ds≤2.5，A+B+C+D+Ds≤4.0，非金屬夾雜物檢驗值如表5所示。

(3)質(zhì)量及性能

外形尺寸及允許偏差符合標(biāo)準(zhǔn)要求，表面質(zhì)量良好。由于LF精煉出鋼前加入微量元素Nb (不計燒損按0.04%添加)進行細(xì)化晶粒，并且通過合理的鍛造及鍛后熱處理工藝，晶粒度得到了細(xì)化，晶粒度為8級，組織為貝氏體。鋼的力學(xué)性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，如表6所示。超聲檢測合格。

表6 12Cr2M o1鋼的力學(xué)性能檢測結(jié)果Table 6 M echanical properties test resultof 12Cr2M o1 steel

4 結(jié)論

(1)冶煉12Cr2Mo1鋼時，應(yīng)嚴(yán)格控制鋼中P、S、Sn、As、Sb等雜質(zhì)元素含量，電爐出鋼應(yīng)保證磷≤0.002%。LF選用高堿度低氧化性精煉渣，取得了良好的脫氧、脫硫效果。VCD真空碳脫氧工藝可以提高鋼水純凈度，降低鋼中夾雜物含量。

(2)采用四火鍛造成型及鍛后正火+回火的熱處理工藝，可以滿足鍛件對質(zhì)量及性能的要求。

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編輯 杜青泉

Research on Production Process of 12Cr2Mo1 Steel Forgings

W ang Pengfei，Duan Feihu，Zhu Shuai，Cui Zhengyang，M ao Hong

By adopting EAF-LF-VCD-VC melting process，strict controlling residual elements contents of S，P，Sn，As＆Sb in steel and inclusion contents in steel，using four-pass forge and normalizing+tempering heat treatment after forge，as a result，12Cr2Mo1 steel forging of good surface quality and satisfiedmechanical property for the hydrogenation reactor is produced.

12Cr2Mo1 Steel，forging，production process，mechanical property

TG316

A

2013—05—22

王鵬飛(1980—)，男，工程師，主要從事特殊鋼冶煉澆鑄工藝技術(shù)研究。