厚壁12Cr1MoVG高壓鍋爐管熱處理工藝優(yōu)化措施研究

朱培榮 賈奇

[摘? ? 要]12Cr1MoVG合金材料被廣泛用于鍋爐的蒸汽高壓管道中，此合金材料的熱處理方式對材料的綜合性能起到關(guān)鍵作用，但利用現(xiàn)有的兩種熱處理方式不能很好地滿足鍋爐運(yùn)行對于管道的要求，因此本文在“正火+回火”、“淬火+回火”2種方式基礎(chǔ)之上，通過間歇淬火來控制回火后的冷卻速率，保證材料組織中存在一定含量的鐵素體和貝氏體，最終使得材料在強(qiáng)度、韌性和硬度方面均能達(dá)標(biāo)。

[關(guān)鍵詞]熱處理;高壓鍋爐管;合金材料

[中圖分類號]TG162.7 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2020）10–0–02

Research on Optimization Measures of Heat Treatment Process for Thick Wall 12Cr1MoVG High Pressure Boiler Tube

Zhu Pei-rong，，Jia Qi

[Abstract]12Cr1MoVG alloy material is widely used in high-pressure steam pipe of boiler. The heat treatment method of this alloy material plays a key role in the comprehensive performance of the material， but the existing two heat treatment methods can not meet the requirements of boiler operation for the pipeline. Therefore， based on the two ways of "normalizing + tempering" and "quenching + tempering"， this paper adopts intermittent heat treatment Quenching is used to control the cooling rate after tempering to ensure that there is a certain amount of ferrite and bainite in the structure of the material， and finally the strength， toughness and hardness of the material can reach the standard.

[Keywords]heat treatment; high pressure boiler tube; alloy material

12Cr1MoVG鋼合金材料廣泛應(yīng)用于電站鍋爐中，該低合金耐熱鋼結(jié)構(gòu)主要由Cr/Mo元素進(jìn)行固溶處理，同時(shí)加入一定量的V元素、C元素，此結(jié)構(gòu)體具有較好的抗拉強(qiáng)度和持久強(qiáng)度。在鍋爐制備中，此材料主要用于蒸汽管和過熱管道。按照相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，此材料可以利用“正火+回火”、“淬火+回火”2種方式進(jìn)行熱處理，在熱處理中，其正火、回火和淬火的溫度至關(guān)重要，直接對處理后的材料性能造成影響。另外，各鍋爐廠在我國標(biāo)準(zhǔn)要求的基礎(chǔ)上又對材料的部分性能做了更加嚴(yán)格的限制，如沖擊性能的提高，硬度范圍的限制。硬度范圍的限制，在我國標(biāo)準(zhǔn)要求回火溫度范圍窄的情況下相當(dāng)于進(jìn)一步縮小了回火溫度區(qū)間，這給大生產(chǎn)帶來了困難。對于厚壁12Cr1MoVG合金材料，采取“正火+回火”熱處理方法，極容易出現(xiàn)抗拉強(qiáng)度不足的情況;采取“淬火+回火”熱處理方法，極容易出現(xiàn)抗拉強(qiáng)度超限的情況。因此，充分保證12Cr1MoVG合金材料性能的關(guān)鍵是科學(xué)控制熱處理工藝。

1 合金材料熱處理概述

高溫合金一般采用電弧爐或非真空感應(yīng)爐冶煉、真空感應(yīng)爐冶煉，但為了進(jìn)一步降低夾雜物的含量，改善夾雜物的分布狀態(tài)和鑄錠的結(jié)晶組織，一般采用冶煉+二次重熔的工藝，重熔的主要手段有真空自耗爐和電渣重熔。冶煉后可采用鍛造開坯、熱軋、冷軋或冷拔成材，或水壓機(jī)或快鍛液壓機(jī)鍛造。高溫合金的性能與其材料成分、組織有密切關(guān)系，同時(shí)還和冶煉和成型工藝相關(guān)。

不同類型的合金其內(nèi)部組織截然不同，即便同種合金材料，采用的處理方法差異也會導(dǎo)致產(chǎn)生不同結(jié)構(gòu)的組織結(jié)構(gòu)，而合金的組織結(jié)構(gòu)對于材料性能的發(fā)揮至關(guān)重要，合金內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)（晶粒情況、碳化物的具體分布等）的調(diào)整和控制可以利用熱處理方式實(shí)現(xiàn)。一般的熱處理方式可以細(xì)分為固溶處理方式和穩(wěn)定化處理方式2種。

合金熱處理中的固溶處理目的是將組織結(jié)構(gòu)中的碳化物進(jìn)行消除，利用溶解的方式實(shí)現(xiàn)碳化物含量的控制，保證組織形成均勻的過飽和固溶體，體系再次結(jié)晶時(shí)可以形成粒徑均勻和γ等強(qiáng)化相，消除熱應(yīng)力。通過熱處理得到的穩(wěn)定固溶體具有均勻的顆粒度，可以有效保證合金的高溫蠕變性能，滿足一些航空和航天領(lǐng)域的特殊要求。另外，對于特殊領(lǐng)域要求的合金熱處理，可以采取較高的固溶處理溫度，空氣中冷卻。中間處理是二次固溶處理或中間時(shí)效處理，主要的作用是改善晶界面析出碳化物的含量和分布，合理分布兩種不同大小的γ等強(qiáng)化相，有效提升合金的持久性的塑性效果。另外，此處理方式在保溫和冷卻過程中，能夠產(chǎn)生鏈狀碳化物，強(qiáng)化界面，提升材料性能。

2 12Cr1MoVG熱處理生產(chǎn)出現(xiàn)的問題

12Cr1MoVG合金材料的熱處理工藝主要采取“正火+回火”方式，但從目前的應(yīng)用情況分析，針對壁厚大于25 mm的合金材料性能不穩(wěn)定，尤其對于抗拉強(qiáng)度性能，經(jīng)常會出現(xiàn)沖擊韌性不合適，出現(xiàn)性能的波動，強(qiáng)度偏下限的情況。然而如果采取“淬火+回火”熱處理方法，強(qiáng)度和硬度指標(biāo)又會偏高，給材料的性能控制帶來極大的不穩(wěn)定性。

以φ457 mm×φ55 mm鋼管為例，分別采取上述2種熱處理方法，對比熱處理后的性能情況。其中，“正火+回火”熱處理方法中，正火溫度控制在990 ℃，保溫1h，回火溫度控制在730 ℃，保溫時(shí)間150min。“淬火+回火”熱處理方法中，淬火溫度控制在1000 ℃，保溫1h，回火溫度控制在760 ℃，保溫時(shí)間150min。其中，合金材料經(jīng)過“正火+回火”熱處理后抗拉強(qiáng)度為507 MPa，硬度197，沖擊功為8 kV2/J;合金材料經(jīng)過“淬火+回火”熱處理后抗拉強(qiáng)度為665 MPa，硬度205，沖擊功為60 kV2/J。

鋼管結(jié)構(gòu)體通過“正火+回火”熱處理后，抗拉強(qiáng)度能夠滿足要求，但沖擊功偏低，不能滿足規(guī)定范圍。出現(xiàn)此情況的主要原因是結(jié)構(gòu)體中產(chǎn)生較多的貝氏體，因此引起沖擊韌性偏差。鋼管結(jié)構(gòu)體通過“淬火+回火”熱處理后，抗拉強(qiáng)度和硬度偏上限，不能滿足規(guī)定范圍。出現(xiàn)此情況的主要原因是結(jié)構(gòu)體中產(chǎn)生回火索氏體，回火索氏體的力學(xué)強(qiáng)度和沖擊韌性均較佳，但此結(jié)構(gòu)組織硬度偏高。

沖擊韌性不達(dá)標(biāo)的合金組織結(jié)構(gòu)中主要由鐵素體、珠光體和貝氏體，結(jié)構(gòu)中同時(shí)存在粗大的貝氏體，造成回火脆化嚴(yán)重，出現(xiàn)沖擊偏差情況。粗大貝氏體的產(chǎn)生與軋鋼過程中的溫度過高有關(guān)，同時(shí)正火處理過程中的冷卻速率也會對粗大貝氏體的產(chǎn)生起到促進(jìn)作用。因此，通過控制正火后的冷卻速率，使其速度介于水冷和空冷之間，使得結(jié)構(gòu)體中主要為鐵素體、貝氏體和馬氏體，這樣通過回火后的組織中存在含量較多的鐵素體，保證材料的沖擊韌性。同時(shí)，結(jié)構(gòu)體中還存在貝氏體和馬氏體，保證足夠的強(qiáng)度，硬度也能得到控制。

3 厚壁12Cr1MoVG高壓鍋爐管熱處理工藝優(yōu)化

正火后的冷卻速率控制通過現(xiàn)有的淬火設(shè)備來實(shí)現(xiàn)，對于不同壁厚的合金材料，通過控制淬火冷卻間隔時(shí)間、次數(shù)來分析合適的處理工藝方法。

同樣以φ457 mm×φ55 mm鋼管為例，采取“間歇淬火+回火”方式進(jìn)行熱處理，采取間歇噴淋方式控制冷卻速率，控制淬火溫度1000 ℃，保溫1h，外噴淋時(shí)間控制X1，停水時(shí)間X2，內(nèi)噴淋時(shí)間控制X3，停水時(shí)間X4反復(fù)進(jìn)行?；鼗鸬臏囟瓤刂?50 ℃，保溫150min。具體材料性能見表1所示。

優(yōu)化后的拉伸性能、沖擊韌性、硬度都滿足技術(shù)要求，圓周方向上性能均勻，圓周方向上拉伸強(qiáng)度相差不超過50 MPa，沖擊韌性都在350 J以上，超過了標(biāo)準(zhǔn)要求，硬度值也均勻。

通過采取“間歇淬火+回火”的熱處理方式，保證材料內(nèi)部存在鐵素體、回火索氏體和貝氏體，利用間歇淬火方式，嚴(yán)格控制回火后的冷卻速率，防止因回火后冷卻速度不足產(chǎn)生大塊貝氏體，同時(shí)回火后冷卻速度又比完全淬火要低。

淬火后的冷卻方式對鋼管后續(xù)回火后的組織和性能起到?jīng)Q定性作用，12Cr1MoVG高壓管使用溫度一般在550 ℃作用，需要材料具備一定的高溫持久強(qiáng)度和高溫蠕變強(qiáng)度，在合金材料的組織結(jié)構(gòu)中，馬氏體具有較高的持久強(qiáng)度，貝氏體持久強(qiáng)度次之，鐵素體強(qiáng)度最低。厚壁12Cr1MoVG在淬火保溫冷卻階段，利用“間歇淬火+回火”方式控制冷卻速率，使得冷卻速率介于空氣冷卻和完全淬火冷卻之間，避免材料體中產(chǎn)生過多的馬氏體，保證貝氏體和鐵素體的含量。鐵素體存在保證鋼管材料具備良好的韌性和延展性，貝氏體的存在保證鋼管強(qiáng)度達(dá)標(biāo)。

4 結(jié)語

通過本文的分析介紹，可以得知：

（1）傳統(tǒng)的熱處理方式“正火+回火”和“淬火+回火”均不能滿足厚壁合金的性能要求。其中針對壁厚大于25 mm的合金材料，“正火+回火”方式獲得的材料抗拉強(qiáng)度性能不穩(wěn)定，經(jīng)常會出現(xiàn)沖擊韌性不合適，出現(xiàn)性能的波動、強(qiáng)度偏下限的情況?！按慊?回火”方式獲得的材料強(qiáng)度和硬度指標(biāo)偏上限，極容易超過標(biāo)準(zhǔn)范圍，極不穩(wěn)定。

（2）“正火+回火”熱處理方式獲得的組織結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生較多的貝氏體，抗拉強(qiáng)度能夠滿足要求，但沖擊功偏低?！按慊?回火”熱處理方式獲得的組織結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生較多的回火索氏體，回火索氏體的力學(xué)強(qiáng)度和沖擊韌性均較佳，但此結(jié)構(gòu)組織硬度偏高。

（3）通過采取“間歇淬火+回火”的熱處理方式，控制回火后的冷卻速度，合理調(diào)整組織結(jié)構(gòu)內(nèi)構(gòu)成，確保材料內(nèi)部存在鐵素體、回火索氏體和貝氏體，控制回火后的冷卻速率，防止因回火后冷卻速度不足產(chǎn)生大塊貝氏體，同時(shí)回火后冷卻速度又比完全淬火要低，保證材料中存在一定量的鐵素體，提升合金材料的韌性，降低硬度。

因此，12Cr1MoVG合金材料中的組織結(jié)構(gòu)對于材料的性能具有直接作用，而熱處理方式直接影響合金的組織結(jié)構(gòu)。通過控制正火后的冷卻速率，使其速度介于水冷和空冷之間，使得結(jié)構(gòu)體中主要為鐵素體、貝氏體和馬氏體，這樣通過回火后的組織中存在含量較多的鐵素體，保證材料的沖擊韌性。同時(shí)，結(jié)構(gòu)體中還存在貝氏體和馬氏體，保證足夠的強(qiáng)度，硬度也能得到控制。

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