鍛-軋結(jié)合工藝試制12Cr2Mo1VR鋼板

趙國(guó)昌，侯敬超，龍 杰，吳艷陽(yáng)，袁錦程，牛紅星

(舞陽(yáng)鋼鐵有限責(zé)任公司，河南舞鋼 462500)

0 引言

近年來(lái),由于我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)石化產(chǎn)品的需求量越來(lái)越大，但我國(guó)資源的特點(diǎn)是“缺油、富煤、少氣”[1]。我國(guó)石油儲(chǔ)備量少，且石油資源的劣質(zhì)化越來(lái)越嚴(yán)重，石油資源的獲得愈加困難；煤炭?jī)?chǔ)量大，但煤炭資源的利用難度很大，工藝不成熟；天然氣儲(chǔ)量少，且開(kāi)發(fā)難度極大，無(wú)法作為長(zhǎng)久使用資源。因此石化行業(yè)必須轉(zhuǎn)型發(fā)展，工藝技術(shù)要提質(zhì)升級(jí)，以便高效地利用石油和天然氣資源和將煤炭資源轉(zhuǎn)化為綠色環(huán)保的輕質(zhì)化清潔燃料[2]。

加氫反應(yīng)器作為石油、煤炭轉(zhuǎn)換為清潔能源的重要設(shè)備之一，一直是我國(guó)重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目[3-4]，加氫反應(yīng)器使用條件苛刻，常在高溫、高壓、臨氫環(huán)境下使用[5]，設(shè)備一旦發(fā)生故障，后果不堪設(shè)想，因此為保證設(shè)備正常運(yùn)行，設(shè)備用鋼的質(zhì)量尤為重要。12Cr2Mo1VR類鋼板是用于制造高溫高壓反應(yīng)器的材料，在高溫力學(xué)性能、抗氫能力、抗回火脆化能力、抗氫致剝離能力等方面都具有優(yōu)良的性能[6-8]。但大厚度加釩鋼一直被國(guó)外壟斷，大型設(shè)備用鋼需要進(jìn)口，因此，推進(jìn)大厚度加釩鋼國(guó)產(chǎn)化勢(shì)在必行。

河鋼舞鋼為國(guó)內(nèi)某石化項(xiàng)目供貨了主體材料為180 mm厚的12Cr2Mo1VR鋼板，所需鋼板單重最大43 t，已超過(guò)舞鋼采用鋼錠或電渣錠生產(chǎn)鋼板單重極限，鋼板的模擬焊后熱處理制度及性能要求極為嚴(yán)格，因此鋼板需要有良好的組織支撐。為滿足鋼板單重及性能的要求，采用鍛-軋結(jié)合工藝研發(fā)出該規(guī)格的12Cr2Mo1VR鋼板，鋼板性能優(yōu)良，表面及內(nèi)部質(zhì)量良好。

1 鋼板技術(shù)要求

根據(jù)GB/T 713—2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》，并參照加氫反應(yīng)器設(shè)備12Cr2Mo1VR鋼板采購(gòu)規(guī)范，制定12Cr2Mo1VR鋼板的技術(shù)條件。

1.1 成分要求

鋼板成分在滿足GB/T 713—2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》的前提下，對(duì)P，S等元素進(jìn)行了限定，如表1所示。

1.2 性能要求

鋼板的力學(xué)性能應(yīng)符合表2中的要求。

1.3 檢驗(yàn)要求

進(jìn)行鋼板性能檢驗(yàn)時(shí)，應(yīng)從正火(加速冷卻)+回火處理后的鋼板上取樣，且應(yīng)對(duì)成品逐個(gè)取樣檢驗(yàn)，試樣的切取位置、試驗(yàn)項(xiàng)目、試驗(yàn)方法、試樣數(shù)量和熱處理狀態(tài)應(yīng)符合表3中的要求。

1)T為鋼板厚度;2)Max.PWHT及Min.PWHT指從正火(加速冷卻)+回火處理后鋼板上取樣后，試樣在試驗(yàn)室進(jìn)行最大及最小模擬焊后熱處理;3)供貨狀態(tài)指鋼板正火(加速冷卻)+回火態(tài);4)回火脆化評(píng)定試驗(yàn)推薦沖擊溫度為-100,-80,-60,-40,-30,-10,0,20 ℃各組成一組進(jìn)行最小模擬焊后熱處理和最小模擬焊后熱處理+步冷脆化(SC)后的系列沖擊，其結(jié)果應(yīng)滿足vTr54+3ΔvTr54≤0 ℃。

1.4 其他要求

(1)鋼板冶煉方法。

鋼由電弧爐或氧氣轉(zhuǎn)爐+爐外精煉的方式冶煉，并進(jìn)行真空處理。

(2)鋼板交貨狀態(tài)。

鋼板以正火(加速冷卻)+回火的熱處理狀態(tài)交貨。為改善鋼板性能，可以采用多次正火(加速冷卻)+回火的熱處理方式。

(3)鋼板探傷要求。

鋼板應(yīng)逐張進(jìn)行超聲檢測(cè)，檢測(cè)方法按NB/T 47013.3—2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第3部分：超聲檢測(cè)》(含第1號(hào)修改單)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，合格級(jí)別為TⅠ級(jí)。

(4)鋼板晶粒度、顯微組織及夾雜物要求。

鋼板原奧氏體晶粒度級(jí)別大于等于5級(jí)；鋼板貝氏體組織不得低于90%；鋼板中硫化物夾雜(A類)、氧化物夾雜(B類)、硅酸鹽夾雜(C類)、球狀氧化物夾雜(D類)、單顆粒球狀類夾雜(Ds類)等非金屬夾雜物，粗、細(xì)系列均不得大于1.5級(jí)，且應(yīng)滿足A+C≤2.0級(jí)，B+D≤2.0級(jí)，A+B+C+D+Ds≤4.0級(jí)。

(5)試樣進(jìn)行性能檢驗(yàn)前，模擬焊后熱處理的要求。

最大模擬焊后熱處理制度(Max.PWHT)：705±10 ℃×32～34 h；最小模擬焊后熱處理制度(Min.PWHT)：705±10 ℃×8～10 h。試樣裝出爐溫度≤400 ℃，升降溫速度≤55 ℃/h。

2 鋼板工藝控制要點(diǎn)

為保證鋼板的表面質(zhì)量、探傷質(zhì)量及性能滿足要求，在鋼板生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)煉鋼過(guò)程、鍛造錠開(kāi)坯過(guò)程、軋鋼過(guò)程及熱處理過(guò)程進(jìn)行工藝優(yōu)化，確保鋼板質(zhì)量滿足要求。

2.1 成分設(shè)計(jì)

由于12Cr2Mo1VR鋼板常用于高溫、高壓環(huán)境中，并且鋼板的模擬焊后熱處理溫度高、時(shí)間長(zhǎng)，裝出爐溫度及升降溫速度要求嚴(yán)格，因此成分設(shè)計(jì)時(shí)，C,Cr,Mo,V元素含量尤為重要。C元素是鋼中最基本強(qiáng)化元素，其含量控制在0.13%～0.15%；Cr,Mo元素能提高鋼板的淬透性及高溫性能[9]，Cr含量控制在2.4%～2.5%，Mo含量控制在1.0%～1.1%；V元素能夠通過(guò)沉淀強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化作用，能提高鋼板的抗回火脆化能力、抗氫腐蝕能力及抗拉強(qiáng)度等[7,10]，但鋼中加入V元素后會(huì)產(chǎn)生碳化釩析出，在焊接和熱處理時(shí)影響氫陷阱、氫缺陷及應(yīng)力松弛，使12Cr2Mo1VR容器制造過(guò)程中硬度升高、韌性降低、裂紋敏感性增加[11]，V含量按0.27%～0.31%控制。12Cr2Mo1VR加氫反應(yīng)器設(shè)計(jì)溫度處于高溫回火脆化溫度范圍之內(nèi)，并且鋼板中的P,Sn,As,Sb等有害元素會(huì)加劇鋼板的回火脆化傾向[12]，因此，P,Sn,As,Sb元素含量應(yīng)盡量控制在較低的水平[13]。

2.2 煉鋼過(guò)程控制

12Cr2Mo1VR鋼要求Si含量≤0.1%，低Si鋼冶煉較為困難，主要表現(xiàn)在：(1)冶煉過(guò)程中添加的Cr鐵、Mo鐵、V鐵合金中均含有Si元素，且石灰、螢石等造渣劑中也均含有Si元素，鋼液中Si含量控制難度較大；(2)低Si鋼鋼液流動(dòng)性較差，鍛造錠澆注過(guò)程中夾雜物及卷入鋼液保護(hù)渣不易上浮，留存到錠身，造成鋼板探傷不合格。

為解決低Si鋼冶煉時(shí)存在的問(wèn)題，煉鋼工藝要進(jìn)行優(yōu)化并嚴(yán)格控制。電爐出鋼時(shí)控制Si含量≤0.01%，為后續(xù)冶煉過(guò)程中增Si留出余量，喂Al線強(qiáng)脫氧前，采用碳粉、電石進(jìn)行弱脫氧[14]，減少喂Al量。碳粉、電石弱脫氧不僅可以減少Al元素還原出的Si元素量，減少增Si量，還可以減少鋼液中Al2O3夾雜物含量，提高鋼液潔凈度；鋼錠在澆注時(shí)適當(dāng)提高過(guò)熱度，提高渣子上浮效率；澆注時(shí)采用低熔點(diǎn)、低表面張力的保護(hù)渣，減小保護(hù)渣和鋼液的粘附功[15]，避免保護(hù)渣卷入鋼液。

2.3 鍛造成坯過(guò)程控制

12Cr2Mo1VR鋼合金元素含量較高，內(nèi)應(yīng)力大，特別對(duì)于70 t大錠，鍛造開(kāi)坯過(guò)程中極易產(chǎn)生裂紋或炸裂現(xiàn)象，影響坯料質(zhì)量。因此鍛造錠開(kāi)坯前需進(jìn)行高溫完全退火處理，退火結(jié)束后對(duì)錠身進(jìn)行清理，確保鍛造開(kāi)坯前錠身質(zhì)量；鍛造加熱前先進(jìn)行去應(yīng)力退火，進(jìn)一步降低鍛造錠內(nèi)應(yīng)力；加熱過(guò)程中嚴(yán)格控制升溫速率，避免升溫過(guò)快造成鍛造錠加熱不均現(xiàn)象；采用2次鍛造過(guò)程，分別對(duì)鉗口和錠身進(jìn)行鍛造。

2.4 軋鋼過(guò)程控制

鋼板軋制過(guò)程不晾鋼，熱軋直接成材，避免因晾鋼造成坯料溫降較多，坯料溫度低，會(huì)使軋制后期壓下量過(guò)小且鋼板表面易出現(xiàn)拉裂缺陷。坯料軋制采用低速大壓下軋制工藝，保證坯料心部壓下量，確保鋼板內(nèi)部質(zhì)量。鋼板軋制后需進(jìn)行堆冷處理。

2.5 熱處理過(guò)程控制

鋼板熱處理為正火(加速冷卻)+回火，采用高于鋼板AC3溫度20～40 ℃正火，并保證足夠的保溫時(shí)間，確保鋼板完全奧氏體化。鋼板正火出爐后采用高低壓淬火工藝?yán)鋮s[16]，在鐵素體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間淬火時(shí)，采用壓力較大冷卻水，鋼板冷速較快，從而避開(kāi)鐵素體轉(zhuǎn)變區(qū)；在貝氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間內(nèi)，采用壓力較小冷卻水，鋼板冷速較慢，進(jìn)入貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)，確保鋼板生成貝氏體組織。根據(jù)鋼板的模擬焊后熱處理工藝和性能要求，確定鋼板回火溫度為680～700 ℃。

3 鋼板實(shí)物質(zhì)量以及與進(jìn)口鋼板的對(duì)比

國(guó)產(chǎn)加釩鋼和進(jìn)口加釩鋼除應(yīng)分別滿足GB/T 713—2014和ASME SA-542外，還應(yīng)滿足設(shè)備制造更嚴(yán)格的技術(shù)條件，為尋求國(guó)產(chǎn)鋼板及進(jìn)口鋼板的技術(shù)差異，應(yīng)從鋼板探傷質(zhì)量、成分、組織及常規(guī)力學(xué)性能等方面進(jìn)行綜合對(duì)比。以下是舞陽(yáng)鋼鐵公司生產(chǎn)鍛-軋結(jié)合180 mm厚加釩鋼板(牌號(hào)12Cr2Mo1VR)實(shí)物質(zhì)量分析，并將部分實(shí)物質(zhì)量與阿賽洛生產(chǎn)的160 mm厚加釩鋼板(牌號(hào)SA 542 Type D Cl 4A)進(jìn)行對(duì)比。

3.1 探傷質(zhì)量

舞鋼鍛-軋結(jié)合生產(chǎn)的180 mm厚鋼板探傷質(zhì)量滿足NB/T 47013.3—2015(含第1號(hào)修改單)TⅠ級(jí)要求，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水準(zhǔn)。

3.2 化學(xué)成分

表4列出舞鋼鋼板與阿賽洛鋼板的主要化學(xué)成分及J系數(shù)對(duì)比。可以看出，舞鋼鋼板與阿賽洛鋼板主要有害元素P,S,As,Sn,Sb均控制較低，C,Si,Mn元素相差不大。因此，國(guó)產(chǎn)舞鋼鋼板與進(jìn)口阿賽洛鋼板相比，在成分控制方面，特別是有害元素控制方面水平相當(dāng)。

3.3 金相組織

圖1示出鋼板全厚度方向顯微組織，可以看出，鋼板全厚度方向均為貝氏體，組織均勻且晶粒細(xì)小。表5列出國(guó)產(chǎn)鋼板夾雜物、顯微組織及晶粒度與進(jìn)口阿賽洛鋼板對(duì)比，可以看出，國(guó)產(chǎn)鋼板與進(jìn)口鋼板相比，夾雜物及晶粒度級(jí)別控制均良好，顯微組織均為貝氏體。

圖1 鋼板金相照片F(xiàn)ig.1 Metallographic photographs of steel plate

3.4 常規(guī)力學(xué)性能

為充分體現(xiàn)國(guó)產(chǎn)鋼板與進(jìn)口鋼板性能上的異同，以下就鋼板的常溫拉伸性能、高溫拉伸性能及低溫沖擊性能進(jìn)行對(duì)比分析。

3.4.1 常溫拉伸性能

表6列出舞鋼鋼板與進(jìn)口阿賽洛鋼板常溫拉伸性能對(duì)比，供貨態(tài)拉伸性能均滿足表2要求，對(duì)比鋼板Min.PWHT及Max.PWHT的強(qiáng)度，舞鋼鋼板與阿賽洛鋼板處于同一水準(zhǔn)，舞鋼鋼板經(jīng)高溫長(zhǎng)時(shí)模擬焊后熱處理后，其拉伸性能仍滿足表2要求并且有一定的富余量。

表6 鋼板常溫拉伸性能對(duì)比Tab.6 Comparison of tensile properties of steel plate at room temperature

3.4.2 高溫拉伸性能

表7列出舞鋼鋼板與進(jìn)口阿賽洛鋼板454 ℃高溫拉伸性能對(duì)比。對(duì)比鋼板Min.PWHT高溫拉伸性能，舞鋼鋼板屈服強(qiáng)度高于阿賽洛鋼板，抗拉強(qiáng)度實(shí)物水平接近；對(duì)比鋼板Max.PWHT高溫拉伸性能，兩者屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均達(dá)到較高的水平。

表7 鋼板454 ℃高溫拉伸性能對(duì)比Tab.7 Comparison of tensile properties of steel plate at 454 ℃

3.4.3 低溫沖擊性能

表8列出舞鋼鋼板與進(jìn)口阿賽洛鋼板-30 ℃沖擊性能對(duì)比。可以看出，舞鋼鋼板和阿賽洛鋼板均表現(xiàn)出良好的低溫沖擊韌性，沖擊吸收能量距表2要求有較大富余量，沖擊性能均控制在200 J以上。

表8 鋼板-30 ℃沖擊性能對(duì)比Tab.8 Comparison of impact properties of steel plate at -30 ℃

3.5 步冷脆化試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

由于12Cr2Mo1VR加氫反應(yīng)器設(shè)計(jì)溫度處于高溫回火脆化溫度區(qū)間內(nèi)，為保證設(shè)備后期的正常運(yùn)行，12Cr2Mo1VR鋼板需有良好的抗回火脆化能力。因此需要對(duì)鋼板的回火脆化傾向進(jìn)行評(píng)定，通常以步冷脆化試驗(yàn)結(jié)果表征鋼板回火脆化傾向。表9列出舞鋼鋼板與阿賽洛鋼板步冷脆化試驗(yàn)結(jié)果，可以看出，舞鋼鋼板與阿賽洛鋼板步冷脆化試驗(yàn)結(jié)果接近，且完全滿足鋼板步冷試驗(yàn)vTr54+3ΔvTr54≤0 ℃的要求，國(guó)產(chǎn)舞鋼加釩鋼板的抗回火脆化能力控制已接近于進(jìn)口阿賽洛鋼板。

表9 鋼板步冷脆化試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Tab.9 Comparison of step-cooling embrittlement test results of steel plate

4 結(jié)論

(1)通過(guò)合理的成分設(shè)計(jì)，并對(duì)冶煉工藝、鍛造工藝、軋制及熱處理工藝進(jìn)行優(yōu)化并精確控制，舞陽(yáng)鋼鐵公司采用鍛-軋結(jié)合生產(chǎn)工藝成功生產(chǎn)出厚度180 mm、單重43 t的12Cr2Mo1VR鋼板，其性能優(yōu)良，探傷滿足NB/T 47013.3—2015(含第1號(hào)修改單)TⅠ級(jí)要求。

(2)舞鋼鋼板的成分控制嚴(yán)格，有害元素含量較低；顯微組織、晶粒度及夾雜物控制良好，滿足技術(shù)要求；鋼板模擬焊后熱處理態(tài)常溫拉伸性能、高溫拉伸性能及低溫沖擊性能與技術(shù)要求相比均有一定的富余量；鋼板的步冷脆化試驗(yàn)結(jié)果體現(xiàn)了鋼板較好的抗回火脆化能力。