10Cr9M01VNb钢冷拔高压锅炉用管的研制.pdf

2 0 0 1 年第5 期宝钢技术1 9 1 0 C r 9 M 0 1 V N b 钢冷拔高压锅炉用管的研制 宋宝湘1 ，朱茂荣2 ，高宏明2 ，张长松2 1 ．宝钢老干部处，上海2 0 1 9 0 0 ；2 ．诚德钢管股份公司，江苏2 2 5 2 0 0 摘要随着大型火电机组的发展，对与其相应配套的高压锅炉的主要材料 管材 选择应用 提出了更高的技术条件和要求。 1 0 C r 9 M 0 1 V N b 钢因其性能特点，较理想地适用于3 0 0 M W 及6 0 0 M W 火电机组的亚临界自 然循环高压锅炉的高温过热器和再热器用管。该钢种是铁素体钢，不存在异类钢焊接难点和 焊接接头过早失效的倾向。在6 0 0 ～6 2 5 ℃范围内可替代G 1 0 2 钢和部分1 9 C 卜9N i 的T P 3 0 4 H 钢，适应性强、用途广泛，需求量逐年增加，成为超临界参数锅炉的首选材料。 关键词高压锅炉用钢；冷拔钢管；冶金工艺；性能 中图分类号T G l 4 2 ．4 1文献标识码B文章编号1 0 0 8 0 7 1 6 2 0 0 1 0 5 0 0 1 9 2 3 D e V e l o p m e n to fC o l d - d r a w nS e a m l e s s S t e e lT u b eo f l 0 C r 9 M 0 1v T 妯S t e e lf o r 瑚g l lP r e s s u r eB o i l e r S GB n o - x i 8 n g B a o s t e e lv e t e r a nC a d r eD e p a r t m e n t 。S h a n g h a iC l l i 船，2 0 1 9 0 0 z H UM ∞- m n gG A oH o n g m i n g z H A N GC 妇n g r s o n g C h e n g d eS t e e lT u b eC o ．L t d ，J i a n g s uC l I i 腿，2 2 5 2 0 0 A b s t r a c t T h ed e v e l o p m e n to fl a 唱e - s c a l es t e a m - e l e c t r i cp o w d e rl i n em a k e sg r e a t e rt e c h n i c a l d e - m a n d so nt h ec h o i c ea n d 印p l i c a t i o no ft h em a i nm a t e r i a lf o rt h eh i g hp r e s s u r eb o i l e r ．S t e e l1 0 C r 9 M 0 1V N b c a nb ea p p l i e di nt h ep I D d u c t i o no ft h et u b eo fs u p e r h e a t e ra n dr e h e a t e rf b rs u b s c r i t i c a ln a t u I mc i I ℃u l a t i o n h i 曲一p r e s s u r eb o i l e ro f3 0 0 M Wa n d6 0 0 M Ws t e a m - e l e c t r i cp o w e rl i n ef o ri t sc h a r a c t e r i s t i c s ．A saf b 耐t i c s t e e l ，i tc a na V o i dt h ed i f h c u l t yo fw e l d i n ga n df a j l u r eo fw e l d i n gj o i n t ．A t6 0 0 ～6 2 5 ℃，i tc a ns u p p l a n t G 1 0 2s t e e la n dp a r t i a lT P 3 0 4 Hs t e e lo f1 9 C 卜9 N i ．T h es t e e lh a sb e c o m et h e 矗r s tc h o i c ef o rs u p e r c r i t i c a l p r e s s u r eb o i l e rf o ri t ss t r o n g a d a p t a b i l i t ya n dw i d eu s e ． K e yW o r d s H i g hp r e s s u r eb o i l e rs t e e l ；C 0 1 d d r a 帅s t e e lt u b e ；M e t a l l u 昭i c a lp r o c e s s ；P e 怕咖a n c e 1 引言 随着我国电站机组向大容量、高参数发展，锅 炉蒸汽出口压力由超高压经亚临界向超临界过 渡。锅炉的高温过热器和再热器金属壁的最高温 度已超过6 0 0 ℃，甚至高达6 3 5 ℃。过去研制和应 用的G 1 0 2 钢已不能满足需求，只得借用9 c r 、1 2 C r 铁素体钢和c r ．N i 类奥氏体不锈钢管，材料成本 宋宝湘教授级高工1 9 3 1 年生 现从事金属材料专业 1 9 5 3 年毕业于大连理工大学 电话5 6 1 0 6 3 1 8 高价格昂贵。9 C r 和1 2 C r 铁素体钢虽然具有较好 的抗高温腐蚀性能，但是在6 0 0 ℃以上高温蠕变 强度不高，随时间延长，持久断裂塑性下降速度较 快，焊接加工工艺复杂；c r N i 类奥氏体不锈钢存 在蒸汽腐蚀、应力腐蚀和晶间腐蚀敏感性等问题。 同时异类钢焊接工艺更为复杂，并有焊接接头过 早失效倾向，这对电站锅炉安全运行带来威胁。 1 0 c r 9 M 0 1 v N b 钢除了保持优良的抗高温腐蚀 性能外，6 0 0 ℃以上高温蠕变强度显著提高，持久 断裂性能稳定。该钢管在6 0 0 ～6 2 5 ℃范围内已替 万方数据 2 0宝 钢技术2 0 0 1 年第5 期 代G 1 0 2 钢和部分1 9 c r - 9N i 的T P 3 0 4 H 钢，适用于 制造3 0 0 M W 和6 0 0 M w 机组的亚临界自然循环锅 炉的高温过热器和再热器。由于该钢热强性能 高，抗时效性能优良，长期运行过程中组织稳定， 有一定的过载承受能力，也成为超临界参数锅炉 的首选材料。 该钢种已被纳入国家标准G B 5 3 1 0 1 9 9 5 与 美国A S M Es A 2 1 3 规范中四1 钢相对应 ，作为正 式产品广泛应用。我国大型火电锅炉的高温过热 器和再热器、核电蒸发器的高温部件大量应用 1 0 C 1 9 M 0 1 v N b 钢管。据了解3 0 0 M w 机组的锅炉 用该钢管数量约2 3 0t ／台、6 0 0 M w 机组锅炉用量 4 0 0 多t ／台。若估计电厂维修保养更换用管以及 其它特殊用途 如化工等 ，全国每年需用量接近 万吨，市场前景广阔。但是国产管尚处于工业性 试生产阶段，目前1 0 C r 9 M 0 1 V N b 钢管主要依靠进 口。 21 0 C r 9 M o l V N b 钢的冶金特性 2 ．1 化学成份 质量分数，％ C0 ．0 8 ／0 ．1 2 ；M n0 ．3 0 ／O ．6 0 ；S iO ．2 0 ／0 ．5 0 ；S ≤ 0 ．0 1 0 ；P ≤0 ．0 2 0 ；C r8 ．0 0 ／9 ．5 0 ；N i ≤0 ．4 0 ；M o 0 ．8 5 ／1 ．0 5 ；A 1 ≤0 ．0 4 0 ；V0 ．1 8 ／O ．2 5 ；N b0 ．0 6 ／ 0 ．1 0 ；N0 ．0 3 0 ／O ．0 7 0 ； 2 ．2 物理参数 1 临界点 A c l8 3 0 ～8 5 0 q CA c 39 0 0 ～9 4 0 ℃ M s3 7 0 ℃ 2 密度 测定值为7 ．7 6g ／c m 3 3 热导率 5 0 0 ～6 5 0 ℃时A 2 3 ．2W ／ m k 2 ．3 显微组织 索氏体或索氏体加回火贝氏体。 2 ．4 冶金特性 1 0 c 1 9 M 0 1 V N b 钢 即四1 钢 是在四钢 9 c r 一1 M o 基础上发展起来的新钢种。增添了V 、N b 元素并适当控制N 元素含量。通过合金固溶强 化和形成M 2 3 C b 碳化物、M x 型[ N b 、V C 、N ] 化 合物和M 2 x 型[ C ，、V 2 N ] 化合物质点的沉淀作 用提高钢高温蠕变强度。低碳含量改善了钢的焊 接工艺性能。严格控制残余元素s 、P 和气体含量 改善钢的纯净度和抗脆裂倾向。控制钢中微量元 素 如N i 、c u 、s n 、s b 、A l 等 为提高综合性能创造 条件。 1 0 c 1 9 M 0 1 v N b 钢化学成份中c r 和M o 使该钢 在很宽的冷却范围内转变为马氏体，开始转变温 度M s 点也相当高，大约为3 7 0 ℃。该钢经锻、轧 穿孔 热加工后空冷可得到马氏体组织，其硬度 可高达H B ≥4 0 0 ，因此内应力也较大，需要及时退 火处理或缓冷处理。 若经过适当温度的软化退火处理后，硬度可 明显下降 H B ≤2 0 0 。经冷加工 拔、轧 后硬度 会提高到H B ≥2 5 0 ，需要进行再结晶中间退火处 理方可进行下道次冷加工。冷加工成品应及时连 续进行热处理，绝对不允许中间过长时间停顿或 过夜避免造成应力裂缝或爆裂。 由该钢等温转变曲线图得知，在6 0 0 ～8 5 0 ℃ 区间内延长保温时间，奥氏体等温转变产物才出 现铁素体 碳化物组织。 该钢虽然含c r 量较高，但是对点腐蚀仍然较 敏感，因此要求酸洗后冲洗干净及时烘干。 由热扭转试验得知该钢在l1 6 0 ～11 8 0 ℃时 具有较高的可塑性变形，但是当温度超过 12 0 0 ℃后塑性开始降低，加热温度超过12 5 0 ℃ 时，便会产生过热现象。 当加热温度过高和温度不均匀时穿孔会产生 分层或内裂缺陷，随后在轧制过程易出现横向裂 纹。 该钢种是铁素体类合金钢，但是它的热导率 比G 1 0 2 钢约低1 ／3 。因此加热应缓慢进行，分段 升温应注意保温时间，保证均匀烧透。 31 0 C r 9 M 0 1 Ⅵ妯钢管生产工艺 3 ．1 冶炼技术要求 1 采用电炉冶炼加炉外精炼法 E F L F V D ； 2 控制残余气体H 2 及0 2 含量； 3 控制微量元素含量； 4 严格控制残余元素s 及P 含量； 5 钢锭实行缓冷或热送锭法。 3 ．2 管坯技术条件 1 管坯的低倍组织按G B 2 2 6 9 l 标准规定， 各不得大于2 ．0 级。 万方数据 宋宝湘等1 0 c 1 9 M 0 1 V N b 钢冷拔高压锅炉用管的研制 2 1 2 管坯的非金属夹杂物按G B l 0 5 6 1 8 9 标 准中的J K 系列评级图规定，各不大于2 ．0 级。 3 管坯进行剥皮或磨削处理。 4 管坯表面不得南裂纹、挢、迭涛耗泠吼、“一 夹渣、夹杂和发裂等缺陷存在。 3 ．3 钢管生产工艺流程 一巨卜匮卜叵卜叵，匝卜臣卜匿卜臣亘] ] f 切头 改尺 fI 广降千一i 探㈣u 卜 标志包装L 一f入成品库 J 取样委托广 0 检验 3 ．4 钢管尺寸技术要求 1 尺寸≯5 4m m 7 ．6m m 8 ．0m 2 产品执行标准G B 5 3 1 0 1 9 9 5 3 ．5 工艺参数 3 ．5 ．1管坯加热制度 装炉温度≤8 0 0 ℃； 预热段温度8 5 0 ～9 0 0 ℃； 加热段温度11 4 0 ～11 8 0 ℃； 均热段温度11 7 0 ～12 1 0 ℃； 各段加热时间应根据管坯尺寸、装炉方式、炉 温状况作适当确定。 3 ．5 ．2钢管最终热处理制度 按G B 5 3 1 0 1 9 9 5 标准 正火 10 4 0 ～10 6 0 ℃ 保温时间不少于 2 0m i n 。 回火7 7 0 ～7 9 0 ℃保温时间周期式炉应大 于2h ，连续炉应大于1h 。 为使钢管获得均匀、稳定的性能和光洁表面， 推荐应用保护气体热处理炉更为适宜。 3 ．5 ．3 热穿孔参数 表1 表1 热穿孔参数 轧制表 7 I a b l e1 P a r a m e t e ro fh e a tp i e r e i n g 3 ．5 ．4 冷拔工艺参数 由管料夺8 1m m 8 ．5m m 5 ．7 9 5m 冷拔至成 品帖4m m 7 ．6m m 8 ．0m ，工艺参数见表2 。 表2 冷拔工艺参数 T a b l e2 7 r e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e ro fc o l d d r a w n 4 关键技术 1 由于该钢种热导率较低，加热时务必注意 热应力影响，适宜于缓慢均匀加热，烧透是关键。 2 管坯应进行冷定心，加深定心孔深度，确 保管坯平稳咬入，改善钢管端部壁厚均匀度。 3 该钢种含c r 量较高，热轧过程管表面接 近铁基体部分形成一层c r 2 0 ，氧化物，难溶解于 一般酸洗溶液 即硫酸液 中。采用复合酸液 即 H 2 s 0 4 、H N 0 3 和N a c l 配成适当比例 ，可以取得良 好效果。 4 1 0 C r 9 M o l v N b 钢含C r 量较高，有C l 一离子 存在条件下，容易产生点腐蚀和氢脆裂纹。因此 酸洗后务必及时冲洗干净，有条件情况下用热水 浸泡一定时间并烘干，效果显著。 5 若应用磷化加皂化法作润滑剂效果较差。 推荐采用适当配比的牛油和石灰 或M o s 2 的混 合润滑剂，会获得显著效果。 6 根据该钢种含合金元素多且含量高、热导 率低的特点，热穿孔后的管料 指后面不再连续热 万方数据 2 2 宝 钢技术 2 0 0 1 年第5 期 加工 务必实行堆冷或缓冷，避免产生缺陷或开 裂。 7 该钢种在冷拔加工过程中可塑性较差，变 形应力极高，应及时注意消除应力处理，避免应力 引起裂纹或开裂。 8 在适当温度进行软化退火后，硬度可明显 下降，H B ≤2 0 0 便于继续冷加工。 5 检测结果 5 ．1 钢管化学成分分析结果 如表3 所示，炉号8 7 1 5 1 1 熔炼成份和分析 成份均符合G B 5 3 1 0 1 9 9 5 标准规定。主要元素 如c 、M n 、c r 、M o 、N b 等含量均处于中间值，N 元素 含量处于下限值，微量元素含量控制较好，尤其残 表3 钢管化学成分 T a b l e3 C o m p o s i t i o no fs t e e lt u b e ％ 余元素s 含量极低。 5 ．2 钢管尺寸和偏差 1 钢管名义尺寸≠5 4m m 7 ．6m m 8 ．0m 2 钢管外径和偏差 ≯5 4m m 0 ．8 ％ n 5 0 D 。。。 5 4 ．2 lm m D 。i 。 5 3 ．8 5m m △D 0 ．3 6m mD 5 4 ．0 7 5m m 全部尺寸均符合规定要求，尺寸偏差范围较 小，并趋向于正偏差值。 3 钢管椭圆度为0 ．3 6m m ，不大于外径偏差 范围8 0 ％的规定。 4 钢管壁厚和偏差 7 ．6m m 1 0 ％n 5 0 S 。。。 7 ．7 5m m J s 。i 。 7 ．1 5m m △．s 0 ．6 0m mS 7 ．4 2 8m m 尺寸均符合产品标准规定。 5 钢管壁厚不均为0 ．6 0m m ，不大于壁厚偏 差范围8 0 ％的规定。 5 ．3 钢管机械性能和工艺性能 表4 5 ．4 钢管显微组织与晶粒度及脱碳层检验 表 5 】 表4 钢管机械性能和工艺性能 T a b l e4M e c h a n i c a lp r o p e r t ya n dp r o c e s s i n gp m p e r t yf o rs t e e lt u b e 表5 钢管显微组织与晶粒度及脱碳层检验 T a b l e5 M i c r o s t n l t u r e ，g m i n s i z es c a l ea n dd e t e c t i o no ff e r r i t eb a n d i n go fs t e e lt u b e 注s 表示索氏体，B 表示贝氏体 万方数据 宋宝湘等1 0 c r 9 M 0 1 V N b 钢冷拔高压锅炉用管的研制2 3 钢管机械性能、工艺性能、显微组织、晶粒度 和脱碳层检验结果，均符合G B 5 3 1 0 1 9 9 5 规定。 5 ．5 钢管表面质量检验 每根钢管的内外表面进行目视检查，无氧化 皮而带有光泽氧化膜层。未发现裂纹、折迭、结 疤、直道、划伤等缺陷。 5 ．6 无损检验 1 每根钢管按G B ／，1 7 7 3 5 1 9 9 5 标准中B 级 进行涡流探伤，检验合格。 2 每根钢管按G B ／T 5 7 7 7 一1 9 9 6 标准中c s 级进行超声波探伤，检验合格。 5 ．7 钢管高温性能检验 根据需方要求才作该项检验，其数值供参考。 5 ．7 ．1 高温拉伸力学性能 如表6 所示，高温规定非比例伸长应力d o2 最小值均符合G B 5 3 1 0 1 9 9 5 标准推荐值的规定。 表6 高温拉伸力学性能检验 T 曲l e6M e c h a n i c a lp m p e n yo fh i g ht e m p e r a t u r et e n s i o n 5 ．7 ．2 高温持久强度 选用该钢推荐使用温度6 2 5 ℃的持久强度试 验结果如表7 所示。 5 ．7 ．36 5 0 ℃高温时效试验 用不同时效时间的试样进行硬度和辅助小试 样[ 1 0 5 2 v m m ] 0 ℃冲击试验，其试验结果如 表8 所示。 经过50 0 0h 高温时效后，硬度和冲击韧性 稍有下降，但是仍然保持较高水平。 比较钢管供货状态与高温6 5 0 ℃50 0 0h 时效 后的显微组织，时效后仍然为均匀的索氏体组织， 表7 温度6 2 5 ℃持久强度试验结果 T a b l e7 C r e e p m p t u r et e s t a t6 2 5 ℃ 注 1 本试验委托上海发电设备成套设计研究所检验。 2 本试验钢管尺寸为≯5 4m m 7 ．6 一。 3 炉号8 7 1 5 1 1 生产批号为6 5 6 。 表86 5 0 ℃时效硬度H B 和0 ℃冲击功A K v 检验 7 r a b l e8 A g e i n gh a r d n e s sH B6 5 0 ℃a n dA “a t0 ℃ * 小试样1 0m m 5m m 2 v 。 晶粒周界没有发现碳化物集聚现象。 6 结束语 1 0 c r 9 M 0 1 v N b 钢冷拔钢管各项技术指标和性 能检测结果均符合G B 5 3 1 0 1 9 9 5 标准的规定，并 能满足A s M Es A 2 1 3 中四1 钢管要求，说明研制 产品的工艺设计选择是正确的，生产工艺流程的 确定、编制的规程制度、技术操作要点是行之有效 的。特定的工艺装备和检测手段、模具孔型及工 艺技术均能满足该产品生产需要，已具备批量生 产条件。 下转第9 页 万方数据 陶慧明 高线粗轧机主传动减速机锥齿轮失效分析与改进9 宝钢高线采用的热处理工艺是c 1 方法，直接 从渗碳炉取出油淬，4 5 0 。F 2 3 2 ℃ 回火。这种热 处理方法可得到高的表面硬度，但心部韧性不太 好。只能达到M L 工艺标准。如果采用B 4 方法， 两次淬火并回火，可以最显著地细化渗碳层和心 部性能，达到M Q 工艺标准，大大提高齿轮的承载 能力。 4 改进措施 根据研究结果，针对宝钢高线粗中轧机主传 动锥齿轮弯曲强度设计偏低的问题，我们对以后 的备件制造和运行提出如下改善措施 1 齿轮材料可以采用1 7 C r N i M 0 6 或 1 6 N c D l 3 ，热处理工艺质量按M Q 控制，具体如表 5 所示。 2 齿轮加工 为了提高小齿轮的承载能力，小齿轮可以采 用正变位，齿形可采用格利森齿形或格林贝尔齿 形，齿轮精度6 级以上。 3 建议改善轧制工艺，降低减速机负荷，将 设备故障报警参数设置为摩根提供的轧制力矩 值。 根据上述改进措施，和南京高速齿轮箱厂签 定技术协议，研制了一对圆锥齿轮，采用格林贝尔 齿形，材料为1 7 c r N i M 0 6 ，2 0 0 0 年年修被安装在6 v 上接第2 3 页 产品经随机抽样，经用户和上海发电设备成 套设计研究所作全面质量剖析和各项性能检测， 均得到满意结果。尤其高温瞬时拉伸力学性能， 已达到G B 5 3 1 0 1 9 9 5 标准推荐值要求，并达到较 高水平。6 5 0 ℃高温长时间时效后，组织稳定性能 良好，基本与国际同类先进产品接近。 为了进一步稳定和提高产品质量，原材料圆 管坯务必做到质量长期稳定和定点供料。 表5 热处理工艺质量要求 T a b l e5 P r D c e s s i n gq u a l i t yr e q u i r e m e n t so fh e a tt r e a t m e n t 项目 M Q 化学成分 纯度及冶炼 锻造比 晶粒度 粗车状态超声波探伤 表面硬度 心部硬度 有效硬化层深度 至表面硬度降 表面含碳量限制 碳化物 残余奥氏体 表面非马氏体 I c 0 表面裂纹 齿部磁粉探伤 1 0 0 ％跟踪原始坯锭，提交检验报告 钢材在钢包中脱氧及精炼处理，最大氧含 量2 5 1 0 “％ 至少3 5 级或更细晶粒，提交检验报告 推荐 5 8 ～6 1H R C 3 5 H R C 以上 用类似齿轮的同模数齿块试样的齿宽中 部位于齿顶圆以下的齿顶高上检查，渗层 深度1 ．5 0 ～2 ．2 5m m 硬度降低不超过2H R c 共析碳含量 0 ．2 0 ％～一O ．1 0 ％，建议代 表性试样中以细针马氏体为主，贝氏体含 量小于1 0 ％ 允许有断续的碳化物，对于试样所有碳化 物长度不超过O ．0 2 2 5 ％以下 渗层深度1 ．5 0 2 ．2 5m ，I G 0 为3 8u m 不允许有裂纹 缺陷最大尺寸2 ．4m m 轧机的减速器上，至今已经运行一年多了，效果良 好，达到了预定目标。 编辑马凯利 改稿日期2 0 0 l 0 6 0 7 要不断完善工艺装备，若有可能增设冷轧机， 使轧拔结合，工艺技术进一步合理完善。使钢管 表面质量和尺寸精度进一步提高和改善，必将会 获得更好的质量效果和经济效益。 1 0 c 1 9 M 0 1 V N b 钢冷拔高压锅炉用管研制成 功，对拓宽市场、部分实现国产化替代进口，意义 深远。 编辑龚根生 收稿日期2 0 0 0 一0 6 一1 2 万方数据