二階連續(xù)退火新工藝研究及實(shí)踐

郭元蓉，鄒友富，劉 波，張凱之，楊顯華，劉 昊

（攀鋼集團(tuán)成都鋼釩有限公司，四川 成都 610303）

為保證合金鋼管獲得較低的硬度指標(biāo)，常采用完全退火工藝。傳統(tǒng)的完全退火工藝是將合金鋼管材加熱到奧氏體溫度以上（30~50 ℃）保溫一段時(shí)間，待充分奧氏體化后，再以緩慢的冷卻速度（一般是隨爐緩冷）冷卻至550 ℃后出爐空冷，以滿(mǎn)足較低硬度指標(biāo)的要求［1-8］。這種熱處理工藝的實(shí)質(zhì)是：在奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變的過(guò)程中需要非常緩慢的冷卻速度，得到以鐵素體+碳化物為主的完全退火組織。這種冷卻條件通常只能在車(chē)底式爐或室式爐里采取隨爐緩冷方式實(shí)現(xiàn)，但是在周期式爐進(jìn)行完全退火處理能耗高、生產(chǎn)效率低，不適應(yīng)批量生產(chǎn)要求。除非是專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的連續(xù)式退火設(shè)備，一般的步進(jìn)式連續(xù)淬火爐長(zhǎng)度只能滿(mǎn)足淬火或正火工藝要求；回火爐只能滿(mǎn)足回火或再結(jié)晶退火工藝要求，不具備實(shí)現(xiàn)“隨爐緩冷”的條件，不適合完全退火處理。攀鋼集團(tuán)成都鋼釩有限公司（簡(jiǎn)稱(chēng)攀成鋼公司）結(jié)合自己熱處理裝備特點(diǎn)，在研究完全退火工藝實(shí)質(zhì)的基礎(chǔ)上，將“隨爐緩冷”分解為“淬火爐-回火爐爐內(nèi)二階控冷”，形成了步進(jìn)式連續(xù)淬火爐-回火爐二階連續(xù)退火工藝的專(zhuān)有技術(shù)。該技術(shù)能夠解決批量生產(chǎn)1Cr5Mo（與GB 9948—2013《石油裂化用無(wú)縫鋼管》標(biāo)準(zhǔn)退火態(tài)12Cr5MoI 對(duì)應(yīng)）、T9（與GB 9948—2013 標(biāo)準(zhǔn)12Cr9MoI 對(duì)應(yīng)）等合金無(wú)縫鋼管退火處理工序“瓶頸”，其節(jié)能、降耗、增效的功能十分顯著，已獲得國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利授權(quán)（申請(qǐng)?zhí)?01210372510.2）。本文以1Cr5Mo（12Cr5MoI）合金鋼二階連續(xù)退火工藝為例，介紹該工藝的技術(shù)特點(diǎn)及實(shí)踐效果。

1 工藝方案

1.1 工藝設(shè)計(jì)思路

合金鋼完全退火工藝的關(guān)鍵是管材加熱至奧氏體化溫度范圍保溫后，需要緩慢冷卻至550 ℃后才能出爐空冷，一般只有隨爐緩冷方式才能滿(mǎn)足冷卻速度要求。目前步進(jìn)式連續(xù)淬火爐-回火爐熱處理線(xiàn)是按調(diào)質(zhì)、正火或正火+回火工藝設(shè)計(jì)，在淬火爐和回火爐之間布置有淬火裝置和冷床，連續(xù)生產(chǎn)時(shí)僅能實(shí)現(xiàn)水冷和空冷的功能，沒(méi)有隨爐緩冷條件。如果把淬火爐-回火爐的加熱段和均熱段聯(lián)合在一起設(shè)計(jì)溫度制度，讓各段溫度控制不同，則可達(dá)到近似爐內(nèi)緩冷過(guò)程的溫度梯度。管材在爐內(nèi)按一定步進(jìn)周期連續(xù)移動(dòng)的過(guò)程中，不同段的爐溫變化使管材溫度的變化滿(mǎn)足完全退火要求的奧氏體化保溫、緩慢冷卻降溫的工藝特性，得到性能合格的退火組織。基于此思路，研究形成了二階連續(xù)退火工藝技術(shù)。該工藝的實(shí)質(zhì)就是把在單臺(tái)車(chē)底式爐或室式爐里的加熱、保溫、緩冷過(guò)程分解到淬火爐和回火爐的不同溫度段來(lái)完成，即通過(guò)“淬火爐-回火爐爐內(nèi)二階控冷”實(shí)現(xiàn)連續(xù)進(jìn)行的完全退火。

1.2 1Cr5Mo 合金無(wú)縫鋼管二階連續(xù)退火工藝特點(diǎn)

二階連續(xù)退火工藝是由淬火爐與回火爐共同完成。鋼管從淬火爐出來(lái)，空過(guò)淬火裝置再進(jìn)入回火爐，期間淬火爐出爐管溫與回火爐入爐管溫的控制是關(guān)鍵，必須保證鋼管進(jìn)回火爐補(bǔ)溫前的溫度未到達(dá)該鋼種的貝氏體或馬氏體轉(zhuǎn)變溫度。1Cr5Mo 鋼的等溫轉(zhuǎn)變曲線(xiàn)如圖1 所示［9］，其AC1為770～790℃，AC3為830～850 ℃，奧氏體降溫到790～800 ℃即開(kāi)始發(fā)生鐵素體轉(zhuǎn)變，繼續(xù)降溫，依次發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變和貝氏體轉(zhuǎn)變。根據(jù)筆者對(duì)1Cr5Mo 鋼退火過(guò)程中組織變化規(guī)律的研究結(jié)果，在奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變的過(guò)程中，將緩慢冷卻時(shí)間控制在2 h 以上，即能夠使奧氏體充分轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體組織。

圖1 1Cr5Mo 鋼的等溫轉(zhuǎn)變曲線(xiàn)

基于1Cr5Mo 鋼的轉(zhuǎn)變特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了其在步進(jìn)式淬火爐-回火爐二階連續(xù)退火工藝：淬火爐加熱段升溫、保溫奧氏體化，均熱段降溫出爐、空過(guò)淬火裝置和回火爐各段控制溫降，使其能夠充分發(fā)生鐵素體轉(zhuǎn)變，得到以鐵素體+碳化物為主的完全退火組織，從而保證各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。其工藝流程為：淬火爐預(yù)熱段、加熱段升溫、保溫→淬火爐均熱段降溫出爐→快速通過(guò)淬火裝置→回火爐加熱段補(bǔ)溫、保溫→均熱段降溫爐冷→出爐空冷。

該工藝的特點(diǎn)是管材在淬火爐中加熱、保溫并完全奧氏體化，到均熱段后降溫出爐，并快速通過(guò)淬火裝置進(jìn)回火爐，確保進(jìn)入回火爐時(shí)的溫度不低于700 ℃，進(jìn)入回火爐后再加熱補(bǔ)溫到鐵素體轉(zhuǎn)變區(qū)溫度，而后控制各段溫度由高到低降溫，實(shí)現(xiàn)回火爐內(nèi)緩慢降溫，達(dá)到“隨爐緩冷”的組織轉(zhuǎn)變效果；步進(jìn)周期必須保證管材在爐內(nèi)的保溫和降溫時(shí)間，并且應(yīng)隨規(guī)格變化做適當(dāng)調(diào)整。

2 二階連續(xù)退火工藝實(shí)踐

2.1 試驗(yàn)結(jié)果與分析

按照工藝設(shè)計(jì)確定的1Cr5Mo 二階連續(xù)退火工藝，在步進(jìn)式淬火爐-回火爐連續(xù)熱處理線(xiàn)上進(jìn)行了3 輪生產(chǎn)工藝試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

（1） 從表1 可看出，第一輪試驗(yàn)H4H1030001B試樣性能較好，各性能指標(biāo)滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求；但H4H1030001A 試樣的強(qiáng)度高、伸長(zhǎng)率低，不滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。原因是：H4H1030001A 樣管是從淬火爐出來(lái)的前幾支鋼管，剛進(jìn)入回火爐時(shí)因預(yù)熱段時(shí)爐溫過(guò)低（實(shí)測(cè)溫度低于600 ℃）使管材溫降過(guò)大，發(fā)生的貝氏體轉(zhuǎn)變致使強(qiáng)度較高，其金相組織為貝氏體+少量鐵素體，如圖2 所示；H4H1030001B樣管屬于同批后進(jìn)入回火爐的管材，因先前入爐的管材使回火爐預(yù)熱段爐溫升高，管材溫降較小，到加熱段后再升溫到790 ℃，隨后在加熱二段和均熱段控制溫度、緩慢降低，達(dá)到了“隨爐緩冷”的效果，管材鐵素體轉(zhuǎn)變較多，其強(qiáng)度和硬度較低，滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 1Cr5Mo（12Cr5MoI）管材經(jīng)二階連續(xù)退火工藝處理后的力學(xué)性能（試驗(yàn)）

圖2 H4H1030001A 組織（貝氏體+少量鐵素體）

（2） 在分析總結(jié)第一輪試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，改進(jìn)了第二輪試驗(yàn)工藝，采取措施提高回火爐預(yù)熱段溫度，讓管材進(jìn)入該段后降溫較小（或不降溫），保證其不發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變。從表1 數(shù)據(jù)看，按調(diào)整后工藝進(jìn)行第二輪處理的管材性能均滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求，金相組織是完全退火狀態(tài)的“鐵素體+碳化物”組織（圖3）。在第三輪試驗(yàn)時(shí)，考慮到第二輪試驗(yàn)生產(chǎn)管材的硬度與強(qiáng)度數(shù)據(jù)偏低，將回火爐加熱段溫度降低10～15 ℃控制，管材性能數(shù)據(jù)比第二輪試驗(yàn)有所提高，金相組織中碳化物比例有所增加（圖4）。

2.2 工藝實(shí)踐效果

通過(guò)工藝試驗(yàn)和分析總結(jié)，確定了批量生產(chǎn)的工藝參數(shù)，并按此工藝生產(chǎn)了上百批次1Cr5Mo 管材，熱處理一次合格率達(dá)到100%，工藝控制穩(wěn)定，與周期式爐相比生產(chǎn)效率成倍提高。經(jīng)二階連續(xù)退火工藝處理后，1Cr5Mo（12Cr5MoI）管材部分批次的力學(xué)性能如圖5 所示。

2.3 在高合金鋼T9 的推廣應(yīng)用

按1Cr5Mo 管材二階連續(xù)退火的工藝思路，采取類(lèi)似的工藝路線(xiàn)與控制措施，針對(duì)T9 鋼種冷卻轉(zhuǎn)變特點(diǎn)，對(duì)溫度變化控制范圍做了相應(yīng)調(diào)整，以保證獲得鐵素體+碳化物的退火金相組織。該工藝應(yīng)用于T9 的實(shí)際生產(chǎn)，從已處理的23 批391 支管材的情況看，批量處理管材性能穩(wěn)定，完全滿(mǎn)足ASTM A 213/A 213M—2013《鍋爐、過(guò)熱器和換熱器用鐵素體和奧氏體合金無(wú)縫鋼管》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)T9 的要求，也滿(mǎn)足GB 9948—2013 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)12Cr9MoⅠ的要求。經(jīng)二階連續(xù)退火工藝處理后T9 管材的力學(xué)性能如圖6 所示，退火及完全退火后T9 管材的金相組織如圖7~8 所示，均為鐵素體+碳化物。

圖3 H4L1030059A 組織（鐵素體+碳化物）

圖4 H4E1039006A 組織（鐵素體+碳化物）

3 結(jié) 論

（1） 二階連續(xù)退火工藝將步進(jìn)式淬火爐-回火爐的加熱段和均熱段聯(lián)合起來(lái)，通過(guò)“淬火爐-回火爐爐內(nèi)二階控冷”技術(shù)實(shí)現(xiàn)連續(xù)完全退火，是對(duì)傳統(tǒng)完全退火工藝的優(yōu)化創(chuàng)新。

（2） 生產(chǎn)實(shí)踐表明：二階連續(xù)退火工藝技術(shù)能大幅度提高合金鋼、高合金鋼的退火熱處理效率，節(jié)約能耗和時(shí)間，有利于企業(yè)降本增效，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

圖7 T9 管材退火后金相組織（鐵素體+碳化物）

圖5 經(jīng)二階連續(xù)退火工藝處理后1Cr5Mo（12Cr5MoI）管材部分批次的力學(xué)性能

圖8 T9 管材完全退火后金相組織（鐵素體+碳化物）

圖6 經(jīng)二階連續(xù)退火工藝處理后T9 管材的力學(xué)性能

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