CN102581555A - P91 无缝钢管及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种P91无缝钢管及其制备方法。该制备方法包括：坯料冶炼，将原料经过冶炼、精炼、真空脱气、连铸圆管坯，制得坯料；退火处理，将坯料进行高温扩散退火或低温等温退火；周期轧管，将经过退火处理的坯料均热，对经过均热后坯料进行热轧穿孔，定径，冷却；以及热处理，将经过周期轧管的钢管加热到1040～1080℃，进行正火，保温后冷却，然后加热到750～800℃，进行回火，保温后冷却，制得无缝钢管；其中，原料中P含量小于等于0.015％，S含量小于0.007％，无缝钢管的口径为Φ325～720mm。根据本发明制备的P91无缝钢管，内部组织致密，性能优良，金属收得率和钢管成材率得到提高，降低了生产成本，节约了资源。

Description

P91 无缝钢管及其制备方法

技术领域

本发明涉及无缝钢管的制造领域，具体而言，涉及一种P91无缝钢管及其制备方法。

背景技术

P91钢是在9Cr-1Mo(P9)钢的基础上，通过添加少量的Nb、V微合金化元素并控制N元素的含量开发的一种新型铁素体型耐热钢。该钢热强性好，达到了奥氏体型耐热钢持久强度的水平，综合力学性能优异，热导性高，线膨胀系数低，具有良好的淬透性和可焊性，被广泛应用于制造超(超)临界火力发电机组的高温过热器、高温再热器管道和主蒸汽管道等部件。

目前，随着我国火力发电机组向高参数、大容量、环保型方向的发展，对P91钢管的需求量将呈逐年上升的趋势，特别是对大口径P91无缝钢管的需求量将日趋增大。自从我国20世纪90年代进行T/P91无缝钢管的生产国产化以来，国内也有不少试制和生产大孔径P91无缝钢管的工艺流程，如武汉471厂的钢锭冲孔+顶管工艺、攀钢集团成都钢铁有限责任公司成都65厂的锻造管坯+皮尔格轧机轧管工艺、天津钢管集团股份有限公司的锻造管坯+460PQF连轧工艺、扬州诚德钢管有限公司的锻造管坯+二辊一次斜轧制管工艺、内蒙古北方重工业集团公司和河北宏润重工集团有限公司的钢锭锻造成棒+镗孔工艺等。国外大口径P91无缝钢管的主流生产工艺是以美国Wyman Gordon公司3.5万吨立式挤压机为代表的热挤压工艺。

但上述技术的生产工艺不仅流程长、金属消耗高，而且产品质量不稳定。面对P91钢管的需求量将呈逐年上升的趋势，我们亟需开发一种新的制造方法，以缩短生产工艺流程，降低成本并得到的高质量的P91无缝钢管。

发明内容

本发明旨在提供一种P91无缝钢管的制备方法，以解决现有技术中生产工艺流程长、金属消耗高、产品质量不稳定问题。

本发明提供了一种P91无缝钢管的制备方法，包括以下步骤：坯料冶炼，将原料经过冶炼精炼真空脱气连铸圆管坯工艺，制得坯料；退火处理，将坯料进行高温扩散退火或低温等温退火；周期轧管，将经过退火处理的坯料均热，均热温度为1230～1270℃，均热温度偏差±10℃，保持1.5～3h；对经过均热后坯料进行热轧穿孔，热轧穿孔的温度为1100～1200℃；然后进行周期轧制，周期轧制的温度为950～1100℃，进行定径和冷却处理；以及热处理，将经过周期轧管的钢管加热到1040～1080℃，进行正火，保温后冷却，然后加热到750～800℃，进行回火，保温后冷却，制得P91无缝钢管；其中，原料中P含量小于等于0.015％，S含量小于0.007％，无缝钢管的口径为Φ325～720mm。

进一步地，上述原料中各化学成分的质量百分含量为：C 0.08～0.12％，Si 0.20～0.45％，Mn 0.35～0.55％，P≤0.015％，S≤0.007％，Cu≤0.15％，Ni≤0.20％，Cr 8.10～9.30％，Mo0.85～1.05％，V 0.18～0.23％，Nb 0.06～0.10％，N 0.030～0.070％，Al≤0.020％，Ti≤0.010％，Zr≤0.010％，余量为Fe及杂质。

进一步地，在上述热处理步骤后，对钢管进行表面加工步骤。

进一步地，上述连铸圆管坯工艺包括：将钢水注入到弧形连铸机的结晶器中，采用结晶器液面自动监测装置监控钢水的温度并控制钢水的过热度，根据钢水过热度实时调节拉坯速度；钢水沿结晶器铜管的管壁凝固成以钢水为液心的坯壳，采用双向交替旋转磁场对铸坯的凝固末端进行搅拌，采用电磁加速器对铸坯的末端钢液施加推力；当铸坯进入弧形连铸机的弧形导向段后，通过弧形导向段前段***的二冷区分三段对铸坯进行冷却，包括足辊区水环喷水冷却、活动段上部气雾冷却和活动段下部气雾冷却；对铸坯进行连续矫直；以及将矫直后的铸坯切割、缓冷得到连铸圆管坯。

进一步地，上述高温扩散退火的温度为950～1100℃；低温等温退火的温度为600～800℃。

进一步地，在对上述坯料进行均热处理之前，对坯料进行升温加热处理，依次经过热回收段、预热段、加热I段、加热II段、加热III段和加热IV段六个区段，热回收段的目标温度≤800℃，预热段的目标温度900±10℃，加热I段的目标温度1000±10℃，加热II段的目标温度1150±10℃，加热III段的目标温度1230±10℃，加热IV段的目标温度1260±10℃。

进一步地，上述热轧穿孔的减径量控制在70～160mm之间，减壁量控制在15～60mm之间。

进一步地，在上述热处理步骤中，正火的保温时间≥40min，回火的保温时间≥120min。

进一步地，在上述热处理步骤中，正火冷却根据钢管壁厚的不同，采用空冷、风冷、雾冷或喷淋冷却，当钢管的壁厚≤30mm，采用空冷处理；当钢管的壁厚范围为30mm-60mm，采用喷雾冷却处理；以及当钢管的壁厚＞60mm，采用喷淋冷却处理。

进一步地，在上述热处理步骤中，回火冷却采用空冷处理。

本发明还提供了一种通过本发明的制备方法所制备的P91无缝钢管。

本发明达到的技术效果：根据本发明的制备方法，生产P91无缝钢管，钢管内部组织致密，性能优良，完全能够满足超(超)临界火电机组的主蒸汽管道、再热蒸汽管道和集箱及相同使用条件管道的要求，而且该工艺不仅生产流程短，同时提高了大口径P91无缝钢管的金属收得率和钢管成材率，降低了生产成本，节约了资源，从而提供了一种生产大口径、高合金含量的无缝钢管的工艺流程。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明P91无缝钢管的制备方法的流程图；

图2示出了根据本发明第一实施例的P91无缝钢管的显微结构。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的实施例中的技术方案进行详细的说明，但如下实施例以及附图仅是用以理解本发明，而不能限制本发明，本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

在本发明的一种典型的实施方式中，提供了一种P91无缝钢管的制备方法，如图1所示，包括以下步骤：坯料冶炼，将原料经过冶炼精炼真空脱气连铸圆管坯工艺，制得坯料；退火处理，将坯料进行高温扩散退火或低温等温退火；周期轧管，将经过退火处理的坯料均热，均热温度为1230～1270℃，均热温度偏差±10℃，保持1.5～3h；对经过均热后坯料进行热轧穿孔，热轧穿孔的温度为1100～1200℃；然后进行周期轧制，周期轧制的温度为950～1100℃，进行定径和冷却处理；以及热处理，将经过周期轧管的钢管加热到1040～1080℃，进行正火，保温后冷却，然后加热到750～800℃，进行回火，保温后冷却，制得P91无缝钢管；其中，原料中P含量小于等于0.015％，S含量小于0.007％，无缝钢管的口径为Φ325～720mm。

本发明采用连铸工艺得到坯料，尽可能的避免了铸坯表面裂纹、中间裂纹和矫直裂纹的产生，改善了铸坯的中心裂纹；对坯料进行退火加工，减小了连铸坯内部应力，降低了坯料硬度，有利于锯切下料；周期轧管工艺由于其锻、轧、挤相结合的变形方式，变形量大，非常适合生产大口径无缝钢管；采用热处理工艺，保证了钢管奥氏体化的均匀性，提高钢管的高温性能；而且控制原料中P、S的含量，避免了P、S降低钢管的韧性。根据本发明的方法生产P91无缝钢管，口径可以在Φ325～720mm之间，钢管内部组织致密，性能优良，完全能够满足超(超)临界火电机组的主蒸汽管道、再热蒸汽管道和集箱及相同使用条件管道的要求，而且该工艺不仅生产流程短，同时提高了大口径P91无缝钢管的金属收得率和钢管成材率，降低了生产成本，节约了资源，从而提供了一种生产大口径、高合金含量的无缝钢管的工艺流程。

本发明所用原料中各化学成分的质量百分含量为：C 0.08～0.12％，Si 0.20～0.45％，Mn0.35～0.55％，P≤0.015％，S≤0.007％，Cu≤0.15％，Ni≤0.20％，Cr 8.10～9.30％，Mo 0.85～1.05％，V 0.18～0.23％，Nb 0.06～0.10％，N 0.030～0.070％，Al≤0.020％，Ti≤0.010％，Zr≤0.010％，余量为Fe及杂质。

本发明采用首先对原料中的化学成分进行优化，避免一些有害成分如P、S等元素，随钢管的韧性和塑性会产生不利影响，使用优化后的原料生产的圆管坯性能更加稳定，满足作为无缝钢管原料的使用要求。

本发明在热处理步骤后，对钢管进行表面加工步骤。经过矫直和表面加工后，钢管的表面性能更好，得到的产品更符合实际应用的要求。

本发明的连铸圆管坯工艺包括：将钢水注入到弧形连铸机的结晶器中，采用结晶器液面自动监测装置监控钢水的温度并控制钢水的过热度，根据钢水过热度实时调节拉坯速度；钢水沿结晶器铜管的管壁凝固成以钢水为液心的坯壳，采用双向交替旋转磁场对铸坯的凝固末端进行搅拌，采用电磁加速器对铸坯的末端钢液施加推力；当铸坯进入弧形连铸机的弧形导向段后，通过弧形导向段前段***的二冷区分三段对铸坯进行冷却，包括足辊区水环喷水冷却、活动段上部气雾冷却和活动段下部气雾冷却；对铸坯进行连续矫直；以及将矫直后的铸坯切割、缓冷得到连铸圆管坯。

采用连续控温装置实时监控钢水温度，控制钢水过热度为25～40℃，以便于根据实际温度实时调节拉坯速度，避免了温度监控不及时造成产品缺陷；采用结晶器和凝固末端组合电磁搅拌，使凝固末端在电磁波的搅拌下处于动态，在凝固时凝固态和非凝固态之间的接触紧密避免了在凝固过程中产生的间隙造成表面裂纹和中间裂纹的产生，而且使用电磁加速，使钢水朝向坯壳运动方向加速运动，及时补充钢水凝固时产生的空隙，在电磁搅拌器和电磁加速器的共同作用下，避免了铸坯表面裂纹和中间裂纹的产生，改善了铸坯的中心裂纹；二冷区采用三段冷却，针对钢水不同的凝固状态，调节冷却方法，控制了铸坯温度梯度，避免了坯壳表面温度急剧变化导致铸坯产生裂纹缺陷；采用连续矫直，不同于单点或多点矫直在变半径点处产生较大的矫直应变峰值，避免了铸坯矫直裂纹的产生，上述过程尽可能的避免了铸坯表面裂纹、中间裂纹和矫直裂纹的产生，改善了铸坯的中心裂纹。

本发明高温扩散退火温度为950～1100℃；低温等温退火温度为600～800℃。通过高温扩散退火、低温等温退火，减小了连铸坯内部应力，降低了坯料硬度，有利于锯切下料。

本发明在对坯料进行均热处理之前，对坯料进行升温加热处理，依次经过热回收段、预热段、加热I段、加热II段、加热III段和加热IV段六个区段，热回收段的目标温度≤800℃，预热段的目标温度900±10℃，加热I段的目标温度1000±10℃，加热II段的目标温度1150±10℃，加热III段的目标温度1230±10℃，加热IV段的目标温度1260±10℃。通过分段加热，使管坯逐步升高到均热温度，避免了升温速度过快造成裂纹产生的问题。

本发明的穿孔的减径量控制在70～160mm之间，减壁量控制在15～60mm之间。根据P91坯料直径的不同，适当调整穿孔参数，严格控制毛管外径和内径，得到管径均匀的无缝钢管。

本发明在热处理步骤中，正火的保温时间≥40min，回火的保温时间≥120min。正火保温时间≥40min保证了钢管奥氏体化的均匀性，同时，使合金元素充分溶解在奥氏体中；回火保温时间≥120min，使合金元素从过饱和的固溶体中充分析出，得到弥散的碳化物并使回火后的组织趋向稳定，从而提高钢管的高温性能。

本发明在热处理步骤中，正火冷却根据钢管壁厚的不同，采用空冷、风冷、雾冷或喷淋冷却，当钢管的壁厚≤30mm，采用空冷处理；当钢管的壁厚范围为30mm-60mm，采用喷雾冷却处理；以及当钢管的壁厚＞60mm，采用喷淋冷却处理。采用上述冷却方式通过控制钢管的冷却速度，保证了钢管的组织和性能的均匀性和稳定性。

本发明在热处理步骤中，回火冷却采用空冷处理。回火后采用空冷处理，减少了钢管内应力，提高钢管的塑性和韧性，同时，使合金元素在钢管中固溶和析出的细小碳化物之间合理分配，提高组织的稳定性，使合金元素的作用能够得到充分的发挥。

在本发明另一种典型的实施方式中，还提供了一种P91无缝钢管，通过本发明的制备方法得到。

以下将结合实施例和对比例，进一步说明采用本发明的有益效果。实施例1仅为举例说明，其并不能限定本发明的保护范围，对于本领域技术人员而言，在本发明的启示与教导下，合理选择生产无缝钢管的设备和参数。

实施例1

采用本发明的制备方法生产Φ711×63mmP91的无缝钢管。

1)P91钢化学成分优化

根据ASME SA335标准，将P91钢的化学成分进行优化，优化后的P91钢的化学成分如下(质量分数，％)：C 0.08～0.12％，Si 0.20～0.45％，Mn 0.35～0.55％，P≤0.015％，S≤0.007％，Cu≤0.15％，Ni≤0.20％，Cr 8.10～9.30％，Mo 0.85～1.05％，V 0.18～0.23％，Nb 0.06～0.10％，N0.030～0.070％，Al≤0.020％，Ti≤0.010％，Zr≤0.010％，余量为Fe和不可避免的杂质；

2)坯料的冶炼

采用优质铁水和废钢为原料经过45吨电炉冶炼、45吨精炼炉精炼、45吨真空脱气炉和圆坯弧形连铸机连铸工艺进行坯料的冶炼，在冶炼过程中严格控制P91钢的化学成分，使其满足优化的化学成分的要求，圆坯弧形连铸机连铸，控制精炼炉钢包吊包钢水温度＝液相线温度+(90～120)±10℃；拉坯速度控制在0.20～0.50m/min；结晶器的振动频率调整范围200opm，振幅调整范围±2～4mm，偏移量调整范围10～30％；结晶器冷却水量控制：4000～5000L/min，

将P91连铸坯切定尺后，进行缓冷。坯料中各化学成分的含量见表1。

3)坯料的准备

将缓冷后的坯料进行低温等温退火，管坯的退火工艺为加热到600～650℃，保温时间为100min；然后升温到780±10℃，保温时间为160min；然后随炉冷却到600±10℃，保温时间为100min，最后出炉空冷。

4)周期轧管

将P91连铸坯料在环形炉内按照表2的加热制度进行加热。

制备Φ711×63mmP91的无缝钢管时，穿孔温度为1183℃，穿孔后的尺寸规格为Φ820×80mm，周期轧管后的规格为Φ718×63mm，周期轧管时的减径量为102mm，减壁量为17mm。

周期轧管机孔型为Φ718mm，，然后调整周期轧管机参数，

芯棒直径：595mm；喂入量：35mm；轧辊转速：28rpm；辊距：84mm；风压：5.6bar；制动腔：5.6mm。保证热轧钢管的尺寸精度。周期轧管时，开轧温度为1078℃，终轧温度为974℃。

5)钢管的热处理

正火：1050±10℃，保温时间：160min，正火冷却：S(壁厚)＞60mm，采用正火喷淋冷却处理；回火：780±10℃，保温时间：230min，回火冷却：采用回火空冷处理。

6)钢管的表面加工

根据大口径P91无缝钢管的使用要求，采用内外磨削工艺清除钢管内外表面的氧化铁皮，保证钢管的表面质量和尺寸精度。经过内外磨削的钢管不存在高度或深度大于0.3mm的螺纹。

钢管经过表面加工处理后，然后进行人工检验，无损探伤合格后进行喷标、涂漆，包装入库。

测定本实施例的P91无缝钢管的各项力学性能，其中，拉伸性能见表3、钢管从内表面到外表面的硬度见表4、冲击性能见表5。

表1

元素	C	Si	Mn	P	S	Cu	Ni	Cr	Mo
										含量(wt％)	0.08	0.36	0.40	0.013	0.002	0.04	0.06	8.69	0.89
元素	V	Al	Sn	As	Pb	Sb	Bi	Nb	N
										含量(wt％)	0.22	0.019	0.006	0.013	0.001	0.005	0.006	0.06	0.058

表2

表3

RP0.2(MPa)	Rm(MPa)	A(％)
			587	712	21
582	716	22

表4

硬度(HBW)
	224，227，224，223，225，227

表5

温度	Akv(J)
		室温	212，216，226
0	202，184，222
		-20	160，162，146

由表3、表4和表5中的数据可以看出，拉伸、硬度、冲击均表现较好的性能。

如图2所示，经检测本实施例的无缝钢管的显微组织，确定该组织为单一的回火马氏体组织，晶粒度为8级。

本实施例的Φ711×63mmP91无缝钢管的非金属夹杂物为：A 0.5；B 1.0；C 0.5；D 0.5；Ds 0.5，而且低倍检验和弯曲试验均合格。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种P91无缝钢管的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

坯料冶炼，将原料经过冶炼精炼真空脱气连铸圆管坯工艺，制得所述坯料；

退火处理，将所述坯料进行高温扩散退火或低温等温退火；

周期轧管，将经过所述退火处理的坯料均热，对经过均热后所述坯料进行热轧穿孔，所述热轧穿孔的温度为1100～1200℃，然后进行周期轧制，所述周期轧制的温度为950～1100℃，进行定径和冷却处理；以及

热处理，将经过所述周期轧管的钢管加热到1040～1080℃，进行正火，保温后冷却，然后加热到750～800℃，进行回火，保温后冷却，制得所述P91无缝钢管；

其中，所述原料中P含量小于等于0.015％，S含量小于0.007％，所述无缝钢管的口径为Φ325～720mm。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述原料中各化学成分的质量百分含量为：C 0.08～0.12％，Si 0.20～0.45％，Mn 0.35～0.55％，P≤0.015％，S≤0.007％，Cu≤0.15％，Ni≤0.20％，Cr 8.10～9.30％，Mo 0.85～1.05％，V 0.18～0.23％，Nb 0.06～0.10％，N0.030～0.070％，Al≤0.020％，Ti≤0.010％，Zr≤0.010％，余量为Fe及杂质。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述热处理步骤后，对所述钢管进行表面加工步骤。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述连铸圆管坯工艺包括：

将钢水注入到弧形连铸机的结晶器中，采用结晶器液面自动监测装置监控所述钢水的温度并控制所述钢水的过热度，根据所述钢水过热度实时调节拉坯速度；

钢水沿所述结晶器铜管的管壁凝固成以钢水为液心的坯壳，采用双向交替旋转磁场对铸坯的凝固末端进行搅拌，采用电磁加速器对所述铸坯的末端钢液施加推力；

当所述铸坯进入所述弧形连铸机的弧形导向段后，通过所述弧形导向段前段***的二冷区分三段对所述铸坯进行冷却，包括足辊区水环喷水冷却、活动段上部气雾冷却和活动段下部气雾冷却；

对所述铸坯进行连续矫直；以及

将矫直后的铸坯切割、缓冷得到所述连铸圆管坯。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述高温扩散退火的温度为950～1100℃；所述低温等温退火的温度为600～800℃。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述均热温度为1230～1270℃，所述均热温度偏差±10℃，保持1.5～3h，在对所述坯料进行均热处理之前，对所述坯料进行升温加热处理，依次经过热回收段、预热段、加热I段、加热II段、加热III段和加热IV段六个区段，所述热回收段的目标温度≤800℃，所述预热段的目标温度900±10℃，所述加热I段的目标温度1000±10℃，所述加热II段的目标温度1150±10℃，所述加热III段的目标温度1230±10℃，所述加热IV段的目标温度1260±10℃。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述热轧穿孔的减径量控制在70～160mm之间，减壁量控制在15～60mm之间。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述热处理步骤中，所述正火的保温时间≥40min，所述回火的保温时间≥120min。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述热处理步骤中，所述正火冷却根据钢管壁厚的不同，采用空冷、风冷、雾冷或喷淋冷却，

当所述钢管的壁厚≤30mm，采用空冷处理；

当所述钢管的壁厚范围为30mm-60mm，采用喷雾冷却处理；以及

当所述钢管的壁厚＞60mm，采用喷淋冷却处理。

10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述热处理步骤中，所述回火冷却采用空冷处理。

11.一种P91无缝钢管，其特征在于，所述P91无缝钢管由权利要求1-10中任一项制备方法制备而成。

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