大口徑高精度P91高壓蒸汽管冷拔工藝研究

汪向前,彭海龍

(攀鋼集團成都鋼釩金堂鋼管有限公司,四川成都 610403)

大口徑高精度P91高壓蒸汽管冷拔工藝研究

汪向前,彭海龍

(攀鋼集團成都鋼釩金堂鋼管有限公司,四川成都 610403)

P91鋼屬高強度馬氏體耐熱鋼。P91無縫鋼管的冷加工一般都采用冷軋工藝,但生產效率低,生產難度又比較大,易產生“劃道”和“掉肉”缺陷,缺陷嚴重時會導致整支鋼管報廢。針對此問題,對大口徑高精度P91高壓蒸汽管冷拔變形進行工藝研究,制定了合理的工藝制度,采取了有效的工藝控制措施,在生產實踐中取得了良好的效果,大大提高了生產效率,降低了生產成本。

P91高壓蒸汽管;大口徑;高精度;冷拔工藝

1 引言

P91屬高強度馬氏體耐熱鋼,具有良好的高溫持久強度、熱穩定性和高溫抗蠕變能力等綜合性能,已廣泛應用于國內外大型電站鍋爐主蒸汽管、再加熱蒸汽管、過熱器管和高溫蒸汽聯箱等設備的核心部件上。因其合金含量高,冷變形抗力大、易粘金屬,冷加工一般都采用冷軋工藝生產,但生產效率低。如能采用冷拔工藝生產將大大提高生產效率,但冷拔對工藝要求較高,且內外表面易產生“劃道”和“掉肉”缺陷,國內部分廠家即使采用冷拔工藝生產也只是減徑而不減壁。

攀鋼集團成都鋼釩金堂鋼管有限公司是國內最早生產冷軋(拔)無縫鋼管的生產廠家之一。有一個重要用戶急需一批P91大口徑高精度高壓蒸汽管合同,規格為φ273×29 (內徑×壁厚,mm),壁厚公差要求0～3 mm,內徑公差:±1%。因成品鋼管需加工J型坡口,實際內徑尺寸應控制在±0.5%以內,若內徑尺寸偏大,會影響J型坡口的加工質量。對于此規格的大口徑高精度P91鋼管而言,一般熱軋工藝難以實現,因此考慮熱軋后用液壓拔機冷拔減壁工藝來保證產品尺寸公差和壁厚均勻度要求。針對此規格P91鋼管的冷拔減壁工藝,金堂鋼管公司技術人員進行了專門研究,現介紹如下。

2 工藝方案設計

2.1 技術難點

(1)管坯熱處理工藝。熱軋后的P91管坯強度高、塑性差,需經特殊的熱處理工藝才能降低鋼管的強度、提高塑性,便于冷加工拔制。因此根據其組織、性能特點制定最合適的管坯熱處理工藝,是冷拔工藝順利實施的關鍵。

(2)酸洗、潤滑工藝。由于P91管坯熱處理時間長,氧化鐵皮厚且比較致密,普通的硫酸酸洗工藝不能徹底去除氧化鐵皮,必須采取特殊的方式才能去除干凈,以便得到較好的潤滑質量;另外P91中合金含量較高、僅Cr含量就在9%左右,其潤滑工藝不同于一般碳鋼、低合金鋼,需采用牛油石灰進行潤滑,而潤滑質量的好壞直接關系到冷拔過程能否順利實施和鋼管內外表面質量的好壞。

(3)冷拔減壁量的確定。因該批P91成品鋼管壁厚尺寸精度要求高,而熱軋管坯壁厚偏差較大,冷拔減壁變形有“均壁”作用,但不同的減壁量“均壁”效果也不一樣,一般來說,減壁量越大,“均壁”效果相對越好,但減壁量越大拔制力就越大,將超過液壓拔機的最大負荷,因此在既保證成品壁厚精度又使冷拔能夠順利進行的條件下確定合適的減壁量來保證成品鋼管尺寸高精度要求顯得尤為必要。

(4)工模具尺寸的選擇。冷拔變形系冷塑性變形,變形后的鋼管因彈性變形回復其尺寸有所變化,雖然其回復量較小,但對高精度要求的鋼管也應考慮其回復量對鋼管尺寸的影響,因此在工模具尺寸選擇時應充分考慮這些因素。

2.2 工藝方案設計

(1)熱軋管坯壁厚精度要求:根據成品鋼管壁厚精度要求和冷拔的“均壁”效果,確定熱軋管坯壁厚精度要求,優選軋管機組、優化軋管工藝參數,嚴格控制管坯壁厚尺寸。

(2)根據其組織、性能特點制定合適的管坯熱處理工藝。

(3)采取必要的精整措施清除熱處理后的氧化鐵皮和管坯表面細小缺陷,提高管坯表面質量,摸索最佳的潤滑工藝方案。

(4)根據熱軋管坯壁厚情況和冷拔“均壁”效果確定冷拔變形工藝,采取合適的減壁量;根據P91冷變形的回復量選擇最佳冷拔工模具尺寸,確保冷拔后的成品能完全滿足高精度尺寸要求。

2.3 工藝流程

設計的生產工藝流程如下:

熱軋管坯→管坯熱處理→內外表面處理→制頭→酸洗→涂牛油石灰→烘烤→冷拔成品→成品熱處理→內外表面處理→全長測厚、探傷、性能檢驗→包裝入庫

3 方案實施

3.1 熱軋管坯的壁厚控制

為保證成品的尺寸精度,必須嚴格控制熱軋管坯的斷面壁厚極差。通過對連軋管機組和周期軋管機組所供熱軋管坯進行試拔實驗,并對冷拔前后壁厚測量情況進行對比分析,發現連軋管機組管坯壁厚偏差要小于周期軋管機組,冷拔后的成品精度前者要高于后者。因此最終選用由連軋管機組供坯,并結合試拔實驗情況確定了熱軋管坯的壁厚控制要求(極差小于3.6 mm),為冷拔成品尺寸達到產品技術要求創造了良好的條件。

3.2 管坯熱處理工藝

熱軋P91管坯熱處理工藝是冷拔工藝順利實施的關鍵技術,P91這樣的高合金鋼,常規熱處理工藝難以將其軟化。通過對不同熱處理工藝的金相組織性能分析和反復摸索實驗,制定了能夠滿足冷拔工藝要求的一次完全退火工藝,見圖1。

圖1 完全退火工藝

但按以上工藝進行退火后有部分管坯在拔制時出現拔制力異常偏大(500～550 t)、鋼管抖動、模具粘鋼的現象,拔出后鋼管易產生“劃道”和“掉肉”缺陷(見圖2),缺陷嚴重時會導致整支鋼管報廢。經過取樣分析發現該管坯的金相組織中出現類似于珠光體的組織,見圖3,力學性能試驗也發現屈服強度為420～470 MPa,冷拔時拔制力過高無法進行拔制。通過對P91連續冷卻轉變曲線(見圖4)進行分析后發現,P91鋼在950℃保溫一段時間后以不同的冷卻速度冷卻,一般都會形成一定比例的馬氏體,而馬氏體的強度和硬度都比較高,只有在冷卻速度非常慢的的條件下才會形成強度和硬度都比較低的“鐵素體+碳化物”組織,因此退火工藝需要進行調整,由圖4可以看出,P91從950℃慢速冷卻,在830℃左右保溫一段時間后再緩慢冷卻,這樣就可以保證得到我們想要得到的金相組織,因此重新制定了退火工藝,見圖5。該工藝通過兩段等溫再緩慢冷卻的方式,就可以克服由于退火爐設備差異導致高、低溫度段的冷卻不一致而產生的性能波動。此種工藝得到的金相組織是F基上分布的顆粒狀碳化物,見圖3(a),其強度較低、塑性較高,從而保證了冷拔工序的順利進行。

圖2 “劃道”和“掉肉”缺陷

圖3 管坯金相組織分析

圖4 T91/P91鋼的奧氏體連續冷卻轉變曲線(CCT)

圖5 重新制定的退火工藝

3.3 管坯內外表面氧化鐵皮的處理和潤滑

P91鋼管冷加工變形對酸洗潤滑的工藝要求較高,因P91管坯熱處理時間較長,其內外表面氧化鐵皮較厚且致密,普通的硫酸酸洗工藝難以去除干凈,這樣冷拔時將會造成拔制困難易產生內外劃道;另外由于熱軋P91管坯表面易產生細裂紋等缺陷,因而考慮對管坯采用“內外表面整體修磨+酸洗”的措施,以保證管坯表面氧化鐵皮和缺陷能完全去除干凈。

與碳鋼及低、中合金鋼鋼管不同,P91屬于高鉻鋼,鋼管在冷加工時變形抗力高,同時它們的導熱系數低,變形過程中產生的大量熱能由于傳導散熱很慢而集中于鋼管表面,它們又具有別的鋼種鋼管所少有的粘性,金屬容易粘在工具表面上,影響工具的使用壽命和鋼管的表面質量。因此P91鋼管的冷拔必須使用耐壓、能吸熱、摩擦系數小和能防止金屬粘在工具上的潤滑劑,生產中我們采用了牛油石灰涂層作潤滑劑,通過生產過程中不斷摸索和總結,已掌握了牛油石灰的最佳配制方法,牛油石灰需要均勻的涂抹在鋼管的內外表面,然后在250℃左右烘干待拔制,見圖6。

圖6 P91鋼管涂抹牛油石灰后的情況

3.4 減壁量的確定

一般來說,冷拔道次減壁量相比冷軋要小,如果減壁量過大,易造成因拔制力過大導致拔制困難,但過小的減壁量對壁厚的“均壁”效果有限,因此大口徑高精度P91鋼管冷拔減壁量必須綜合考慮設備能力、壁厚“均壁”效果來確定減壁量的大小。最后根據不同的變形量下拔制力的大小、拔后的壁厚均勻化程度確定了P91的冷拔減壁量為2.2 mm。另外考慮到冷拔后成品要進行熱處理和內外表面處理,鋼管壁厚因氧化鐵皮要減小0.3～0.5 mm,因此冷拔成品平均壁厚按31 mm進行控制,最終確定了冷拔變形工藝為:φ336 mm×33.2 mm→φ335 mm× 31 mm。

3.5 冷拔模具配置

冷拔變形后的彈性變形回復會影響鋼管尺寸精度,當變形抗力高,彈性變形回復大,對鋼管尺寸精度影響較大。高合金鋼的變形抗力較大,必須綜合考慮鋼管的鋼種、規格及產品允許偏差等因素來確定冷拔模具尺寸。通過多次試驗基本掌握了大口徑P91鋼管精拔變形后的彈性回復量,然后在設計內外模具尺寸時進行了充分考慮,外模尺寸選用φ334.8 mm,內模尺寸選用φ273 mm,使成品精度得到進一步提高。

3.6 冷拔過程

P91管坯內外表面均勻涂抹牛油石灰經烘烤后就可以在液壓拔機上進行拔制,在經過適當的熱處理制度和良好的潤滑條件下,冷拔過程比較平穩,模具也不會出現粘鋼現象,拔制后的管坯內外表面質量好,在實際減壁量為2～2.2 mm的情況下拔制力約為330～380 t。選取了6支鋼管,冷拔前和冷拔后對同一橫截面壁厚進行了測量,壁厚測量情況見表1和表2。從表中可以看出,冷拔前、冷拔后平均壁厚極差分別為3.41 mm,2.70 mm,平均均壁率為20.82%(注:平均均壁率=(冷拔前平均壁厚極差-冷拔后平均壁厚極差)/冷拔前平均壁厚極差。

表1 P91冷拔前壁厚

表2 P91冷拔后壁厚

3.7 成品熱處理

P91冷拔后還要進行成品熱處理(正火+回火),以滿足成品鋼管所需的各項性能指標,實際檢驗結果表明,成品熱處理后P91鋼管各項性能指標均滿足ASTM A335及P91供貨技術要求。

4 結論

(1)大口徑高精度P91高壓蒸汽管大減壁冷拔工藝的成功改變了金堂鋼管公司以前只能通過冷軋減壁工藝生產P91的歷史。通過以上冷拔工藝生產的大口徑高精度P91無縫鋼管內外表面質量好,尺寸精度明顯提高,一個冷拔道次“均壁”能力能達到20%～25%。

(2)P91管坯熱處理后屈服強度低于380 MPa,抗拉強度低于600 MPa時冷拔過程比較順利,強度越高,拔制力越大,拔制時內、外模易粘鋼,鋼管易產生“劃道”和“掉肉”缺陷。

(3)從此次P91的冷拔實際情況看,牛油石灰的配制、涂抹、烘烤對鋼管的冷拔都有一定程度的影響。

針對大口徑高精度P91鋼管的冷拔變形特點,通過采取上述技術措施,解決了大口徑高精度P91無縫鋼管生產的難題,成材率可達81.4%,大大降低了生產成本,提高了生產效率。

[1] 蘇俊,張錚,李進.P91高壓鍋爐管的開發[J].鋼管,2008,37(1):33-37.

[2] 郭元蓉,吳紅.P91無縫鋼管國產化研究進展[J].鋼管,2008,37(1):22-27.

[3] 郭元蓉,陳雨,詹勇,等.P91熱軋無縫鋼管中δ鐵素體的研究[J].鋼管,2011,40(1):17-20.

[4] 王然,賀明賢.熱處理對T91鋼金相組織和及顯微硬度的影響[J].金屬熱處理,2000(11):6 -8.

Study on the Cold Drawing Process of Large Caliber High Precision P91 High Pressure Steam Pipe

WANG Xiang-qian,PENG Hai-long

(Pangang Group Chengdu steel vanadium Jintang Steel Pipe Co.,Ltd.,Chengdu 610403,Sichuan,China)

P91 steel is a high-strength martensitic heat-resistant steel,cold working of the P91 seamless steel tube are generally used in cold rolling process,but low production efficiency;such as the use of cold drawing process production difficulty is relatively large,easy to produce“row”and“drop meat”defects,severe defect will lead to scrap the whole branch pipe.To solve this problem we studied on the tube drawing deformation of large diameter and high precision P91 high pressure steam,established reasonable process system,take the effective measure of process control,and good results have been obtained in the production practice,which greatly improve the production efficiency,reducing the production cost.

P91 high pressure steam pipe,large diameter,high precision,cold drawing process

TG335.71

A

汪向前,工程師,主要從事無縫鋼管生產工藝和質量管理工作。

1001-5108(2016)05-0028-06