大口徑厚壁15CrMoG鍋爐管現場熱處理工藝

河北宏潤重工股份有限公司 （鹽山 061300） 曹銅壁

2012年6月份，目前世界最大5萬t垂直熱擠壓鋼管機組在河北宏潤重工股份有限公司投產使用。該機組可擠壓碳鋼、合金鋼、不銹鋼等不同材質規格鋼管，鋼管一次擠壓成形，節能降耗，其擠壓毛管組織均勻細化，綜合力學性能良好。近期，擠壓大口徑厚壁鍋爐管15CrMoG常出現正火+回火熱處理后組織或性能不能達到GB5310標準要求。有關研究資料分析：對于大口徑厚壁15CrMoG鋼管，由于壁厚較厚，設計擠壓比較小，擠壓細化效果較差，原始晶粒較粗大，熱處理奧氏體化和冷卻過程中晶粒相變細化不明顯，也就出現了生產工藝控制不穩定，多次熱處理，造成成本能耗增加，且晶粒粗大不均，力學性能較低等問題。

針對以上問題，公司技術部門進行不同熱處理工藝調試，采取鋼管正火出爐后控溫控冷的技術手段，大幅改善了晶粒組織相變細化效果，最終使得大口徑厚壁15CrMoG鋼管熱處理組織均勻細化、力學性能較好，更重要的是生產工藝控制穩定，生產成本能耗大幅降低。本文主要將大口徑厚壁鍋爐管15CrMoG現場控溫控冷熱處理工藝改進手段進行總結、分析，以期能夠給同行一定的指導和借鑒。

1.熱處理制造工藝

（1）熱處理鋼管材質與尺寸 材質15CrMoG，主要化學成分見表1。擠壓大口徑厚壁無縫管，熱處理毛管尺寸φ530mm×90mm，成品尺寸φ508mm×80mm。

（2）鋼管生產流程及熱處理設備 鋼管生產流程：鋼錠加熱→除氧化皮→壓力沖孔→再加熱→除氧化皮、玻璃粉潤滑→擠壓→熱處理—校直→打磨、機加工→檢驗。

表1 15CrMoG主要化學成分（質量分數） (%)

熱處理設備：內徑φ1800mm井式電阻爐，共有3臺高溫（1200℃）加熱爐和1臺（900℃）回火爐。

（3）熱處理組織性能技術要求 根據GB5310-2008標準15CrMoG組織性能技術要求見表2。

表2 15CrMoG組織性能技術要求

（4）熱處理工藝 現場熱處理工況條件：熱處理作業時間8～9月份；氣溫20～35℃；地下水；淬水溫度30～40℃；毛管淬水（未除氧化皮）；內置吊桿（尺寸為180～200mm）；毛管冷態裝爐。

材料15CrMoG特性參數：Ac1為745℃；Ac3為845℃；Ar1為705℃；Ar3為795℃；Ms為435℃。

以下分三種熱處理工藝方式進行：

工藝1：常規正火+回火處理。正火：毛管冷裝爐或裝爐溫度不超過700℃/h，快速升溫（一般≤100℃/h）加熱至925～935℃保溫3.5h，出爐自然空冷至300℃以下回火。回火：毛管裝爐溫度不超過600℃，快速升溫（一般≤120℃/h）加熱至680～690℃均保溫4h。出爐自然空冷至常溫。

工藝2：正火出爐控溫控冷（2次淬水）+回火處理。正火出爐控溫控冷：加熱操作同上，出爐后自然空冷6～8min至毛管表溫830～850℃時，淬水30～40s；空冷8～10min至管表溫720～740℃時，淬水20～25s；空冷管表溫降至300℃以下回火。回火：同上。

工藝3：正火出爐控溫控冷（1次淬水）+回火處理。正火出爐控溫控冷：加熱操作同上，出爐后自然空冷30～35min至毛管表溫730～750℃時，淬水40～50s；毛管表面溫度降至550℃以下，吊出自然空冷，管表溫降至300℃以下回火。回火：同上。

以上3種工藝熱處理后，每種工藝選取3個鋼管試樣制備橫向金相試樣和力學性能試樣，進行常規組織性能測試。

2.測試結果與分析

（1）顯微組織 15CrMoG擠壓大口徑厚壁無縫毛管經常規正火+回火工藝和兩種正火出爐控溫控冷+回火工藝處理的金相組織如下圖所示。其中，下圖a為工藝1處理的顯微組織F+P，晶粒度為7級；下圖b為工藝2處理的顯微組織B+F，晶粒度為7.5級；下圖c為工藝3處理的顯微組織F+P+少粒B，晶粒度為8級。

SA106C毛管經常規正火和等溫正火后的顯微組織

從以上三種熱處理工藝處理的金相顯微組織看，滿足標準技術要求的為下圖a和下圖c，下圖a為單純的鐵素體和珠光體，先共析鐵素體晶粒大小不一，珠光體晶界析出較少，且晶粒度較下圖c較粗大；而下圖c晶粒組織細小且分布均勻，鐵素體晶粒上分布少量粒狀貝氏體，有利于強化組織，提高力學性能。綜合來看，下圖c晶粒組織均勻細小，珠光體穿插分布在先共析鐵素體之間，晶粒邊界細小圓滑，細晶強化和析出相彌散強化效果較好，有利于材料組織與性能。而下圖b金相顯微組織則不符合標準要求，幾乎全部被貝氏體組織覆蓋，約占70%以上，雖然力學性能較高，但不利于高壓鍋爐管正常使用條件。有關文獻指出，15CrMoG組織內少量粒狀貝氏體組織（一般小于15%）有利于高壓鍋爐管高溫持久強度。

（2）力學性能 15CrMoG大口徑厚壁φ508mm×80mm毛管經工藝1（常規正火出爐空冷+回火）和工藝2、3（正火出爐控溫控冷+回火）處理力學性能見表3。從表3可以看出，與工藝1常規正火出爐自然空冷處理相比，經工藝2、3正火出爐控溫控冷處理后材料抗拉強度、屈服強度較高，而伸長率和沖擊吸收能量差別不大，均未發現裂紋。這是因為工藝2、3正火出爐采取快速冷卻淬水，組織中含有粒狀貝氏體，且晶粒細小和析出珠光體均勻分布的作用。但經工藝2處理的鋼管試樣存在抗拉強度過高，超出標準要求。綜合來看，經工藝3處理的鋼管綜合力學性能較好，其抗拉強度、屈服強度數值控制在中限左右，屈強比0.70適中，且工藝生產穩定，符合標準技術要求。

表3 15CrMoG毛管經工藝1常規正火出爐自然空冷和工藝2、3正火出爐控溫控冷處理的力學性能

3.討論

之所以造成3種工藝處理后金相顯微組織和力學性能差異，是因為正火出爐后控溫冷卻不同所致。對于15CrMoG厚壁管（一般大于50mm）加熱奧氏體化元素擴散分布存在不均勻，晶界或晶粒內局部偏聚現象。雖然奧氏體加熱均保溫一定時間，使得元素充分擴散均勻。但是限于工藝擠壓比（鍛造比）不高，管坯尺寸較大（大于1000mm），橫截面壁厚組織變形程度不均，元素擴散速度不同，使得大尺寸截面分布元素擴散均勻較困難。通過3種工藝處理的鋼管組織和力學性能測試結果和現場工藝執行來看，正火出爐后先自然空冷至730℃左右，轉變成一定量較細小的先共析鐵素體和珠光體晶粒，隨后進行快速冷卻（淬水）一定時間，生成粒狀貝氏體和控制好先共析鐵素體及珠光體晶粒尺寸，最終得到較好的材料組織性能。現場工藝關鍵是控制好快速冷卻（淬水）溫度，其次是快速冷卻（淬水）時間。

（1）快速冷卻（淬水）溫度 正火出爐后控溫控冷工藝處理的理論依據為材料15CrMoG特性參數和查閱文獻資料中成分材質相近奧氏體連續冷卻轉變圖，冷卻（淬水）溫度控制至關重要。冷卻（淬水）溫度不同，直接影響粒狀貝氏體數量和狀態，以及析出相和晶粒尺寸。

正火出爐后控溫控冷工藝原理是將鋼管加熱到Ac3以上30～50℃，保溫一定時間進行奧氏體化，與常規正火工藝1處理相同，只是出爐后自然空冷至一定時間，奧氏體連續冷卻轉變生成先共析鐵素體和珠光體，至鋼管表溫Ar1～Ar3之間某一溫度進行1次或2次淬水快速冷卻，此時生成一定量要求的強化貝氏體晶粒組織，并使得生成的先共析鐵素體和珠光體來不及聚集長大晶粒組織，最后再自然空冷得到穩定的金相組織，獲得良好的綜合力學性能。由工藝2和工藝3處理后測試結果分析來看，工藝2處理的進行了2次快速（淬水）冷卻，快冷溫度第一次830～850℃和第二次720～740℃，金相組織幾乎全部為大粒狀上貝氏體組織，說明鋼管厚壁截面冷卻速度過大，溫降到上貝氏體相變區間，使得材料組織發生了較多量的相變上貝氏體組織；工藝3處理的進行了1次快速（淬水）冷卻，快冷溫度為730～750℃，金相組織中少量粒狀上貝氏體組織，且鐵素體和析出片狀珠光體晶粒均勻細小。工藝3與工藝2處理相比快速（淬水）溫度較低，且只有一次，對于厚壁鋼管冷卻速度大幅降低，因此，材料組織奧氏體轉變生成貝氏體不會徹底，生成貝氏體量較少，且后續連續轉變鐵素體和珠光體析出更加均勻細小。

（2）快速冷卻（淬水）時間 相對于快速冷卻（淬水）溫度，快速冷卻（淬水）時間是正火出爐后控溫控冷工藝處理的次要因素。但快速（淬水）時間不宜過長，否則也直接影響貝氏體生成量。奧氏體轉變為貝氏體屬于半擴散性相變，據有關文獻資料查詢得知，15CrMoG材質粒狀上貝氏體形成溫度范圍550～600℃。而快速冷卻（淬水）時間長短，對于厚壁鋼管由表及里傳熱冷卻均熱需一定時間，這和冷卻（淬水）時間是一致的，并保證在粒狀貝氏體形成溫度范圍內。

4.結語

（1）15CrMoG大口徑厚壁毛管（一般大于50mm）經過正火出爐后控溫控冷+回火工藝（快速升溫（一般≤100℃/h）加熱至925～935℃均保溫3.5h，出爐空冷至730～750℃進行快速冷卻（淬水）40～50s后，吊出空冷至300℃，然后進行回火680～690℃均保溫4h后出爐空冷至室溫）熱處理后金相組織和力學性能均滿足標準要求，優于常規正火出爐空冷+回火工藝處理。

（2）15CrMoG大口徑厚壁鋼管經正火出爐后控溫控冷+回火工藝處理較常規正火+回火工藝處理的晶粒組織均勻細化，晶粒度達到8級，抗拉強度、屈服強度穩定在中限（510～540MPa），現場工藝生產穩定性強，材料綜合力學性能好。

（3）15CrMoG大口徑厚壁鋼管經正火出爐后控溫空冷+回火工藝處理的金相組織為鐵素體+珠光體+少量粒狀貝氏體，由于穩定存在生成的粒狀貝氏體提高了高壓鍋爐管高溫持久強度和使用壽命。

（4）快速冷卻（淬水）溫度和快速冷卻（淬水）時間是現場工藝執行控制的關鍵因素。

（5）以上正火出爐后控溫控冷+回火工藝能夠穩定的生產執行，必須結合實際的熱處理工況、鋼管工件參數及操作技能等。

（20131203）