厚壁12Cr1MoVG高压锅炉管热处理工艺优化措施研究

朱培荣 贾奇

[摘    要]12Cr1MoVG合金材料被广泛用于锅炉的蒸汽高压管道中，此合金材料的热处理方式对材料的综合性能起到关键作用，但利用现有的两种热处理方式不能很好地满足锅炉运行对于管道的要求，因此本文在“正火+回火”、“淬火+回火”2种方式基础之上，通过间歇淬火来控制回火后的冷却速率，保证材料组织中存在一定含量的铁素体和贝氏体，最终使得材料在强度、韧性和硬度方面均能达标。

[关键词]热处理;高压锅炉管;合金材料

[中图分类号]TG162.7 [文献标志码]A [文章编号]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鋼合金材料广泛应用于电站锅炉中，该低合金耐热钢结构主要由Cr/Mo元素进行固溶处理，同时加入一定量的V元素、C元素，此结构体具有较好的抗拉强度和持久强度。在锅炉制备中，此材料主要用于蒸汽管和过热管道。按照相关的标准，此材料可以利用“正火+回火”、“淬火+回火”2种方式进行热处理，在热处理中，其正火、回火和淬火的温度至关重要，直接对处理后的材料性能造成影响。另外，各锅炉厂在我国标准要求的基础上又对材料的部分性能做了更加严格的限制，如冲击性能的提高，硬度范围的限制。硬度范围的限制，在我国标准要求回火温度范围窄的情况下相当于进一步缩小了回火温度区间，这给大生产带来了困难。对于厚壁12Cr1MoVG合金材料，采取“正火+回火”热处理方法，极容易出现抗拉强度不足的情况;采取“淬火+回火”热处理方法，极容易出现抗拉强度超限的情况。因此，充分保证12Cr1MoVG合金材料性能的关键是科学控制热处理工艺。

1 合金材料热处理概述

高温合金一般采用电弧炉或非真空感应炉冶炼、真空感应炉冶炼，但为了进一步降低夹杂物的含量，改善夹杂物的分布状态和铸锭的结晶组织，一般采用冶炼+二次重熔的工艺，重熔的主要手段有真空自耗炉和电渣重熔。冶炼后可采用锻造开坯、热轧、冷轧或冷拔成材，或水压机或快锻液压机锻造。高温合金的性能与其材料成分、组织有密切关系，同时还和冶炼和成型工艺相关。

不同类型的合金其内部组织截然不同，即便同种合金材料，采用的处理方法差异也会导致产生不同结构的组织结构，而合金的组织结构对于材料性能的发挥至关重要，合金内部组织结构（晶粒情况、碳化物的具体分布等）的调整和控制可以利用热处理方式实现。一般的热处理方式可以细分为固溶处理方式和稳定化处理方式2种。

合金热处理中的固溶处理目的是将组织结构中的碳化物进行消除，利用溶解的方式实现碳化物含量的控制，保证组织形成均匀的过饱和固溶体，体系再次结晶时可以形成粒径均匀和γ等强化相，消除热应力。通过热处理得到的稳定固溶体具有均匀的颗粒度，可以有效保证合金的高温蠕变性能，满足一些航空和航天领域的特殊要求。另外，对于特殊领域要求的合金热处理，可以采取较高的固溶处理温度，空气中冷却。中间处理是二次固溶处理或中间时效处理，主要的作用是改善晶界面析出碳化物的含量和分布，合理分布两种不同大小的γ等强化相，有效提升合金的持久性的塑性效果。另外，此处理方式在保温和冷却过程中，能够产生链状碳化物，强化界面，提升材料性能。

2 12Cr1MoVG热处理生产出现的问题

12Cr1MoVG合金材料的热处理工艺主要采取“正火+回火”方式，但从目前的应用情况分析，针对壁厚大于25 mm的合金材料性能不稳定，尤其对于抗拉强度性能，经常会出现冲击韧性不合适，出现性能的波动，强度偏下限的情况。然而如果采取“淬火+回火”热处理方法，强度和硬度指标又会偏高，给材料的性能控制带来极大的不稳定性。

以φ457 mm×φ55 mm钢管为例，分别采取上述2种热处理方法，对比热处理后的性能情况。其中，“正火+回火”热处理方法中，正火温度控制在990 ℃，保温1h，回火温度控制在730 ℃，保温时间150min。“淬火+回火”热处理方法中，淬火温度控制在1000 ℃，保温1h，回火温度控制在760 ℃，保温时间150min。其中，合金材料经过“正火+回火”热处理后抗拉强度为507 MPa，硬度197，冲击功为8 kV2/J;合金材料经过“淬火+回火”热处理后抗拉强度为665 MPa，硬度205，冲击功为60 kV2/J。

钢管结构体通过“正火+回火”热处理后，抗拉强度能够满足要求，但沖击功偏低，不能满足规定范围。出现此情况的主要原因是结构体中产生较多的贝氏体，因此引起冲击韧性偏差。钢管结构体通过“淬火+回火”热处理后，抗拉强度和硬度偏上限，不能满足规定范围。出现此情况的主要原因是结构体中产生回火索氏体，回火索氏体的力学强度和冲击韧性均较佳，但此结构组织硬度偏高。

冲击韧性不达标的合金组织结构中主要由铁素体、珠光体和贝氏体，结构中同时存在粗大的贝氏体，造成回火脆化严重，出现冲击偏差情况。粗大贝氏体的产生与轧钢过程中的温度过高有关，同时正火处理过程中的冷却速率也会对粗大贝氏体的产生起到促进作用。因此，通过控制正火后的冷却速率，使其速度介于水冷和空冷之间，使得结构体中主要为铁素体、贝氏体和马氏体，这样通过回火后的组织中存在含量较多的铁素体，保证材料的冲击韧性。同时，结构体中还存在贝氏体和马氏体，保证足够的强度，硬度也能得到控制。

3 厚壁12Cr1MoVG高压锅炉管热处理工艺优化

正火后的冷却速率控制通过现有的淬火设备来实现，对于不同壁厚的合金材料，通过控制淬火冷却间隔时间、次数来分析合适的处理工艺方法。

同样以φ457 mm×φ55 mm钢管为例，采取“间歇淬火+回火”方式进行热处理，采取间歇喷淋方式控制冷却速率，控制淬火温度1000 ℃，保温1h，外喷淋时间控制X1，停水时间X2，内喷淋时间控制X3，停水时间X4反复进行。回火的温度控制750 ℃，保温150min。具体材料性能见表1所示。

优化后的拉伸性能、冲击韧性、硬度都满足技术要求，圆周方向上性能均匀，圆周方向上拉伸强度相差不超过50 MPa，冲击韧性都在350 J以上，超过了标准要求，硬度值也均匀。

通过采取“间歇淬火+回火”的热处理方式，保证材料内部存在铁素体、回火索氏体和贝氏体，利用间歇淬火方式，严格控制回火后的冷却速率，防止因回火后冷却速度不足产生大块贝氏体，同时回火后冷却速度又比完全淬火要低。

淬火后的冷却方式对钢管后续回火后的组织和性能起到决定性作用，12Cr1MoVG高压管使用温度一般在550 ℃作用，需要材料具备一定的高温持久强度和高温蠕变强度，在合金材料的组织结构中，马氏体具有较高的持久强度，贝氏体持久强度次之，铁素体强度最低。厚壁12Cr1MoVG在淬火保温冷却阶段，利用“间歇淬火+回火”方式控制冷却速率，使得冷却速率介于空气冷却和完全淬火冷却之间，避免材料体中产生过多的马氏体，保证贝氏体和铁素体的含量。铁素体存在保证钢管材料具备良好的韧性和延展性，贝氏体的存在保证钢管强度达标。

4 结语

通过本文的分析介绍，可以得知：

（1）传统的热处理方式“正火+回火”和“淬火+回火”均不能满足厚壁合金的性能要求。其中针对壁厚大于25 mm的合金材料，“正火+回火”方式获得的材料抗拉强度性能不稳定，经常会出现冲击韧性不合适，出现性能的波动、强度偏下限的情况。“淬火+回火”方式获得的材料强度和硬度指标偏上限，极容易超过标准范围，极不稳定。

（2）“正火+回火”热处理方式获得的组织结构内产生较多的贝氏体，抗拉强度能够满足要求，但冲击功偏低。“淬火+回火”热处理方式获得的组织结构内产生较多的回火索氏体，回火索氏体的力学强度和冲击韧性均较佳，但此结构组织硬度偏高。

（3）通过采取“间歇淬火+回火”的热处理方式，控制回火后的冷却速度，合理调整组织结构内构成，确保材料内部存在铁素体、回火索氏体和贝氏体，控制回火后的冷却速率，防止因回火后冷却速度不足产生大块贝氏体，同时回火后冷却速度又比完全淬火要低，保证材料中存在一定量的铁素体，提升合金材料的韧性，降低硬度。

因此，12Cr1MoVG合金材料中的组织结构对于材料的性能具有直接作用，而热处理方式直接影响合金的组织结构。通过控制正火后的冷却速率，使其速度介于水冷和空冷之间，使得结构体中主要为铁素体、贝氏体和马氏体，这样通过回火后的组织中存在含量较多的铁素体，保证材料的冲击韧性。同时，结构体中还存在贝氏体和马氏体，保证足够的强度，硬度也能得到控制。

参考文献

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