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，最終使得材料在強度、韌性和硬度方面均能達標。

[關鍵詞]熱處理;高壓鍋爐管;合金材料

[中圖分類號]TG162.7 [文獻標志碼]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鋼合金材料廣泛應用于電站鍋爐中，該低合金耐熱鋼結構主要由Cr/Mo元素進行固溶處理，同時加入一定量的V元素、C元素，此結構體具有較好的抗拉強度和持久強度。在鍋爐制備中，此材料主要用于蒸汽管和過熱管道。按照相關的標準，此材料可以利用“正火+回火”、“淬火+回火”2種方式進行熱處理，在熱處理中，其正火、回火和淬火的溫度至關重要，直接對處理后的材料性能造成影響。另外，各鍋爐廠在我國標準要求的基礎上又對材料的部分性能做了更加嚴格的限制，如沖擊性能的提高，硬度范圍的限制。硬度范圍的限制，在我國標準要求回火溫度范圍窄的情況下相當于進一步縮小了回火溫度區(qū)間，這給大生產帶來了困難。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)抗拉強度超限的情況。因此，充分保證12Cr1MoVG合金材料性能的關鍵是科學控制熱處理工藝。

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爐冶煉、真空感應爐冶煉，但為了進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，或水壓機或快鍛液壓機鍛造。高溫合金的性能與其材料成分、組織有密切關系，同時還和冶煉和成型工藝相關。

不同類型的合金其內部組織截然不同，即便同種合金材料，采用的處理方法差異也會導致產生不同結構的組織結構，而合金的組織結構對于材料性能的發(fā)揮至關重要，合金內部組織結構（晶粒情況、碳化物的具體分布等）的調整和控制可以利用熱處理方式實現(xiàn)。一般的熱處理方式可以細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構中的碳化物進行消除，利用溶解的方式實現(xiàn)碳化物含量的控制，保證組織形成均勻的過飽和固溶體，體系再次結晶時可以形成粒徑均勻和γ等強化相，消除熱應力。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域的特殊要求。另外，對于特殊領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，能夠產生鏈狀碳化物，強化界面，提升材料性能。

2 12Cr1MoVG熱處理生產出現(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，尤其對于抗拉強度性能，經常會出現(xiàn)沖擊韌性不合適，出現(xiàn)性能的波動，強度偏下限的情況。然而如果采取“淬火+回火”熱處理方法，強度和硬度指標又會偏高，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 ℃，保溫時間150min。其中，合金材料經過“正火+回火”熱處理后抗拉強度為507 MPa，硬度197，沖擊功為8 kV2/J;合金材料經過“淬火+回火”熱處理后抗拉強度為665 MPa，硬度205，沖擊功為60 kV2/J。

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

沖擊韌性不達標的合金組織結構中主要由鐵素體、珠光體和貝氏體，結構中同時存在粗大的貝氏體，造成回火脆化嚴重，出現(xiàn)沖擊偏差情況。粗大貝氏體的產生與軋鋼過程中的溫度過高有關，同時正火處理過程中的冷卻速率也會對粗大貝氏體的產生起到促進作用。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，使得結構體中主要為鐵素體、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，結構體中還存在貝氏體和馬氏體，保證足夠的強度，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)有的淬火設備來實現(xiàn)，對于不同壁厚的合金材料，通過控制淬火冷卻間隔時間、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，外噴淋時間控制X1，停水時間X2，內噴淋時間控制X3，停水時間X4反復進行。回火的溫度控制750 ℃，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、硬度都滿足技術要求，圓周方向上性能均勻，圓周方向上拉伸強度相差不超過50 MPa，沖擊韌性都在350 J以上，超過了標準要求，硬度值也均勻。

通過采取“間歇淬火+回火”的熱處理方式，保證材料內部存在鐵素體、回火索氏體和貝氏體，利用間歇淬火方式，嚴格控制回火后的冷卻速率，防止因回火后冷卻速度不足產生大塊貝氏體，同時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決定性作用，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度和高溫蠕變強度，在合金材料的組織結構中，馬氏體具有較高的持久強度，貝氏體持久強度次之，鐵素體強度最低。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度達標。

4 結語

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度性能不穩(wěn)定，經常會出現(xiàn)沖擊韌性不合適，出現(xiàn)性能的波動、強度偏下限的情況。“淬火+回火”方式獲得的材料強度和硬度指標偏上限，極容易超過標準范圍，極不穩(wěn)定。

（2）“正火+回火”熱處理方式獲得的組織結構內產生較多的貝氏體，抗拉強度能夠滿足要求，但沖擊功偏低。“淬火+回火”熱處理方式獲得的組織結構內產生較多的回火索氏體，回火索氏體的力學強度和沖擊韌性均較佳，但此結構組織硬度偏高。

（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，合理調整組織結構內構成，確保材料內部存在鐵素體、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生大塊貝氏體，同時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構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構。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，使得結構體中主要為鐵素體、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，結構體中還存在貝氏體和馬氏體，保證足夠的強度，硬度也能得到控制。

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