汪向前,彭海龍

(攀鋼集團(tuán)成都鋼釩金堂鋼管有限公司,四川成都 610403)

大口徑高精度P91高壓蒸汽管冷拔工藝研究

汪向前,彭海龍

(攀鋼集團(tuán)成都鋼釩金堂鋼管有限公司,四川成都 610403)

P91鋼屬高強(qiáng)度馬氏體耐熱鋼。P91無縫鋼管的冷加工一般都采用冷軋工藝,但生產(chǎn)效率低,生產(chǎn)難度又比較大,易產(chǎn)生“劃道”和“掉肉”缺陷,缺陷嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致整支鋼管報(bào)廢。針對(duì)此問題,對(duì)大口徑高精度P91高壓蒸汽管冷拔變形進(jìn)行工藝研究,制定了合理的工藝制度,采取了有效的工藝控制措施,在生產(chǎn)實(shí)踐中取得了良好的效果,大大提高了生產(chǎn)效率,降低了生產(chǎn)成本。

P91高壓蒸汽管;大口徑;高精度;冷拔工藝

1 引言

P91屬高強(qiáng)度馬氏體耐熱鋼,具有良好的高溫持久強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性和高溫抗蠕變能力等綜合性能,已廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外大型電站鍋爐主蒸汽管、再加熱蒸汽管、過熱器管和高溫蒸汽聯(lián)箱等設(shè)備的核心部件上。因其合金含量高,冷變形抗力大、易粘金屬,冷加工一般都采用冷軋工藝生產(chǎn),但生產(chǎn)效率低。如能采用冷拔工藝生產(chǎn)將大大提高生產(chǎn)效率,但冷拔對(duì)工藝要求較高,且內(nèi)外表面易產(chǎn)生“劃道”和“掉肉”缺陷,國內(nèi)部分廠家即使采用冷拔工藝生產(chǎn)也只是減徑而不減壁。

攀鋼集團(tuán)成都鋼釩金堂鋼管有限公司是國內(nèi)最早生產(chǎn)冷軋(拔)無縫鋼管的生產(chǎn)廠家之一。有一個(gè)重要用戶急需一批P91大口徑高精度高壓蒸汽管合同,規(guī)格為φ273×29 (內(nèi)徑×壁厚,mm),壁厚公差要求0～3 mm,內(nèi)徑公差:±1%。因成品鋼管需加工J型坡口,實(shí)際內(nèi)徑尺寸應(yīng)控制在±0.5%以內(nèi),若內(nèi)徑尺寸偏大,會(huì)影響J型坡口的加工質(zhì)量。對(duì)于此規(guī)格的大口徑高精度P91鋼管而言,一般熱軋工藝難以實(shí)現(xiàn),因此考慮熱軋后用液壓拔機(jī)冷拔減壁工藝來保證產(chǎn)品尺寸公差和壁厚均勻度要求。針對(duì)此規(guī)格P91鋼管的冷拔減壁工藝,金堂鋼管公司技術(shù)人員進(jìn)行了專門研究,現(xiàn)介紹如下。

2 工藝方案設(shè)計(jì)

2.1 技術(shù)難點(diǎn)

(1)管坯熱處理工藝。熱軋后的P91管坯強(qiáng)度高、塑性差,需經(jīng)特殊的熱處理工藝才能降低鋼管的強(qiáng)度、提高塑性,便于冷加工拔制。因此根據(jù)其組織、性能特點(diǎn)制定最合適的管坯熱處理工藝,是冷拔工藝順利實(shí)施的關(guān)鍵。

(2)酸洗、潤滑工藝。由于P91管坯熱處理時(shí)間長,氧化鐵皮厚且比較致密,普通的硫酸酸洗工藝不能徹底去除氧化鐵皮,必須采取特殊的方式才能去除干凈,以便得到較好的潤滑質(zhì)量;另外P91中合金含量較高、僅Cr含量就在9%左右,其潤滑工藝不同于一般碳鋼、低合金鋼,需采用牛油石灰進(jìn)行潤滑,而潤滑質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到冷拔過程能否順利實(shí)施和鋼管內(nèi)外表面質(zhì)量的好壞。

(3)冷拔減壁量的確定。因該批P91成品鋼管壁厚尺寸精度要求高,而熱軋管坯壁厚偏差較大,冷拔減壁變形有“均壁”作用,但不同的減壁量“均壁”效果也不一樣,一般來說,減壁量越大,“均壁”效果相對(duì)越好,但減壁量越大拔制力就越大,將超過液壓拔機(jī)的最大負(fù)荷,因此在既保證成品壁厚精度又使冷拔能夠順利進(jìn)行的條件下確定合適的減壁量來保證成品鋼管尺寸高精度要求顯得尤為必要。

(4)工模具尺寸的選擇。冷拔變形系冷塑性變形,變形后的鋼管因彈性變形回復(fù)其尺寸有所變化,雖然其回復(fù)量較小,但對(duì)高精度要求的鋼管也應(yīng)考慮其回復(fù)量對(duì)鋼管尺寸的影響,因此在工模具尺寸選擇時(shí)應(yīng)充分考慮這些因素。

2.2 工藝方案設(shè)計(jì)

(1)熱軋管坯壁厚精度要求:根據(jù)成品鋼管壁厚精度要求和冷拔的“均壁”效果,確定熱軋管坯壁厚精度要求,優(yōu)選軋管機(jī)組、優(yōu)化軋管工藝參數(shù),嚴(yán)格控制管坯壁厚尺寸。

(2)根據(jù)其組織、性能特點(diǎn)制定合適的管坯熱處理工藝。

(3)采取必要的精整措施清除熱處理后的氧化鐵皮和管坯表面細(xì)小缺陷,提高管坯表面質(zhì)量,摸索最佳的潤滑工藝方案。

(4)根據(jù)熱軋管坯壁厚情況和冷拔“均壁”效果確定冷拔變形工藝,采取合適的減壁量;根據(jù)P91冷變形的回復(fù)量選擇最佳冷拔工模具尺寸,確保冷拔后的成品能完全滿足高精度尺寸要求。

2.3 工藝流程

設(shè)計(jì)的生產(chǎn)工藝流程如下:

熱軋管坯→管坯熱處理→內(nèi)外表面處理→制頭→酸洗→涂牛油石灰→烘烤→冷拔成品→成品熱處理→內(nèi)外表面處理→全長測厚、探傷、性能檢驗(yàn)→包裝入庫

3 方案實(shí)施

3.1 熱軋管坯的壁厚控制

為保證成品的尺寸精度,必須嚴(yán)格控制熱軋管坯的斷面壁厚極差。通過對(duì)連軋管機(jī)組和周期軋管機(jī)組所供熱軋管坯進(jìn)行試拔實(shí)驗(yàn),并對(duì)冷拔前后壁厚測量情況進(jìn)行對(duì)比分析,發(fā)現(xiàn)連軋管機(jī)組管坯壁厚偏差要小于周期軋管機(jī)組,冷拔后的成品精度前者要高于后者。因此最終選用由連軋管機(jī)組供坯,并結(jié)合試拔實(shí)驗(yàn)情況確定了熱軋管坯的壁厚控制要求(極差小于3.6 mm),為冷拔成品尺寸達(dá)到產(chǎn)品技術(shù)要求創(chuàng)造了良好的條件。

3.2 管坯熱處理工藝

熱軋P91管坯熱處理工藝是冷拔工藝順利實(shí)施的關(guān)鍵技術(shù),P91這樣的高合金鋼,常規(guī)熱處理工藝難以將其軟化。通過對(duì)不同熱處理工藝的金相組織性能分析和反復(fù)摸索實(shí)驗(yàn),制定了能夠滿足冷拔工藝要求的一次完全退火工藝,見圖1。

圖1 完全退火工藝

但按以上工藝進(jìn)行退火后有部分管坯在拔制時(shí)出現(xiàn)拔制力異常偏大(500～550 t)、鋼管抖動(dòng)、模具粘鋼的現(xiàn)象,拔出后鋼管易產(chǎn)生“劃道”和“掉肉”缺陷(見圖2),缺陷嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致整支鋼管報(bào)廢。經(jīng)過取樣分析發(fā)現(xiàn)該管坯的金相組織中出現(xiàn)類似于珠光體的組織,見圖3,力學(xué)性能試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)屈服強(qiáng)度為420～470 MPa,冷拔時(shí)拔制力過高無法進(jìn)行拔制。通過對(duì)P91連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線(見圖4)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn),P91鋼在950℃保溫一段時(shí)間后以不同的冷卻速度冷卻,一般都會(huì)形成一定比例的馬氏體,而馬氏體的強(qiáng)度和硬度都比較高,只有在冷卻速度非常慢的的條件下才會(huì)形成強(qiáng)度和硬度都比較低的“鐵素體+碳化物”組織,因此退火工藝需要進(jìn)行調(diào)整,由圖4可以看出,P91從950℃慢速冷卻,在830℃左右保溫一段時(shí)間后再緩慢冷卻,這樣就可以保證得到我們想要得到的金相組織,因此重新制定了退火工藝,見圖5。該工藝通過兩段等溫再緩慢冷卻的方式,就可以克服由于退火爐設(shè)備差異導(dǎo)致高、低溫度段的冷卻不一致而產(chǎn)生的性能波動(dòng)。此種工藝得到的金相組織是F基上分布的顆粒狀碳化物,見圖3(a),其強(qiáng)度較低、塑性較高,從而保證了冷拔工序的順利進(jìn)行。

圖2 “劃道”和“掉肉”缺陷

圖3 管坯金相組織分析

圖4 T91/P91鋼的奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線(CCT)

圖5 重新制定的退火工藝

3.3 管坯內(nèi)外表面氧化鐵皮的處理和潤滑

P91鋼管冷加工變形對(duì)酸洗潤滑的工藝要求較高,因P91管坯熱處理時(shí)間較長,其內(nèi)外表面氧化鐵皮較厚且致密,普通的硫酸酸洗工藝難以去除干凈,這樣冷拔時(shí)將會(huì)造成拔制困難易產(chǎn)生內(nèi)外劃道;另外由于熱軋P91管坯表面易產(chǎn)生細(xì)裂紋等缺陷,因而考慮對(duì)管坯采用“內(nèi)外表面整體修磨+酸洗”的措施,以保證管坯表面氧化鐵皮和缺陷能完全去除干凈。

與碳鋼及低、中合金鋼鋼管不同,P91屬于高鉻鋼,鋼管在冷加工時(shí)變形抗力高,同時(shí)它們的導(dǎo)熱系數(shù)低,變形過程中產(chǎn)生的大量熱能由于傳導(dǎo)散熱很慢而集中于鋼管表面,它們又具有別的鋼種鋼管所少有的粘性,金屬容易粘在工具表面上,影響工具的使用壽命和鋼管的表面質(zhì)量。因此P91鋼管的冷拔必須使用耐壓、能吸熱、摩擦系數(shù)小和能防止金屬粘在工具上的潤滑劑,生產(chǎn)中我們采用了牛油石灰涂層作潤滑劑,通過生產(chǎn)過程中不斷摸索和總結(jié),已掌握了牛油石灰的最佳配制方法,牛油石灰需要均勻的涂抹在鋼管的內(nèi)外表面,然后在250℃左右烘干待拔制,見圖6。

圖6 P91鋼管涂抹牛油石灰后的情況

3.4 減壁量的確定

一般來說,冷拔道次減壁量相比冷軋要小,如果減壁量過大,易造成因拔制力過大導(dǎo)致拔制困難,但過小的減壁量對(duì)壁厚的“均壁”效果有限,因此大口徑高精度P91鋼管冷拔減壁量必須綜合考慮設(shè)備能力、壁厚“均壁”效果來確定減壁量的大小。最后根據(jù)不同的變形量下拔制力的大小、拔后的壁厚均勻化程度確定了P91的冷拔減壁量為2.2 mm。另外考慮到冷拔后成品要進(jìn)行熱處理和內(nèi)外表面處理,鋼管壁厚因氧化鐵皮要減小0.3～0.5 mm,因此冷拔成品平均壁厚按31 mm進(jìn)行控制,最終確定了冷拔變形工藝為:φ336 mm×33.2 mm→φ335 mm× 31 mm。

3.5 冷拔模具配置

冷拔變形后的彈性變形回復(fù)會(huì)影響鋼管尺寸精度,當(dāng)變形抗力高,彈性變形回復(fù)大,對(duì)鋼管尺寸精度影響較大。高合金鋼的變形抗力較大,必須綜合考慮鋼管的鋼種、規(guī)格及產(chǎn)品允許偏差等因素來確定冷拔模具尺寸。通過多次試驗(yàn)基本掌握了大口徑P91鋼管精拔變形后的彈性回復(fù)量,然后在設(shè)計(jì)內(nèi)外模具尺寸時(shí)進(jìn)行了充分考慮,外模尺寸選用φ334.8 mm,內(nèi)模尺寸選用φ273 mm,使成品精度得到進(jìn)一步提高。

3.6 冷拔過程

P91管坯內(nèi)外表面均勻涂抹牛油石灰經(jīng)烘烤后就可以在液壓拔機(jī)上進(jìn)行拔制,在經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚碇贫群土己玫臐櫥瑮l件下,冷拔過程比較平穩(wěn),模具也不會(huì)出現(xiàn)粘鋼現(xiàn)象,拔制后的管坯內(nèi)外表面質(zhì)量好,在實(shí)際減壁量為2～2.2 mm的情況下拔制力約為330～380 t。選取了6支鋼管,冷拔前和冷拔后對(duì)同一橫截面壁厚進(jìn)行了測量,壁厚測量情況見表1和表2。從表中可以看出,冷拔前、冷拔后平均壁厚極差分別為3.41 mm,2.70 mm,平均均壁率為20.82%(注:平均均壁率=(冷拔前平均壁厚極差-冷拔后平均壁厚極差)/冷拔前平均壁厚極差。

表1 P91冷拔前壁厚

表2 P91冷拔后壁厚

3.7 成品熱處理

P91冷拔后還要進(jìn)行成品熱處理(正火+回火),以滿足成品鋼管所需的各項(xiàng)性能指標(biāo),實(shí)際檢驗(yàn)結(jié)果表明,成品熱處理后P91鋼管各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足ASTM A335及P91供貨技術(shù)要求。

4 結(jié)論

(1)大口徑高精度P91高壓蒸汽管大減壁冷拔工藝的成功改變了金堂鋼管公司以前只能通過冷軋減壁工藝生產(chǎn)P91的歷史。通過以上冷拔工藝生產(chǎn)的大口徑高精度P91無縫鋼管內(nèi)外表面質(zhì)量好,尺寸精度明顯提高,一個(gè)冷拔道次“均壁”能力能達(dá)到20%～25%。

(2)P91管坯熱處理后屈服強(qiáng)度低于380 MPa,抗拉強(qiáng)度低于600 MPa時(shí)冷拔過程比較順利,強(qiáng)度越高,拔制力越大,拔制時(shí)內(nèi)、外模易粘鋼,鋼管易產(chǎn)生“劃道”和“掉肉”缺陷。

(3)從此次P91的冷拔實(shí)際情況看,牛油石灰的配制、涂抹、烘烤對(duì)鋼管的冷拔都有一定程度的影響。

針對(duì)大口徑高精度P91鋼管的冷拔變形特點(diǎn),通過采取上述技術(shù)措施,解決了大口徑高精度P91無縫鋼管生產(chǎn)的難題,成材率可達(dá)81.4%,大大降低了生產(chǎn)成本,提高了生產(chǎn)效率。

[1] 蘇俊,張錚,李進(jìn).P91高壓鍋爐管的開發(fā)[J].鋼管,2008,37(1):33-37.

[2] 郭元蓉,吳紅.P91無縫鋼管國產(chǎn)化研究進(jìn)展[J].鋼管,2008,37(1):22-27.

[3] 郭元蓉,陳雨,詹勇,等.P91熱軋無縫鋼管中δ鐵素體的研究[J].鋼管,2011,40(1):17-20.

[4] 王然,賀明賢.熱處理對(duì)T91鋼金相組織和及顯微硬度的影響[J].金屬熱處理,2000(11):6 -8.

Study on the Cold Drawing Process of Large Caliber High Precision P91 High Pressure Steam Pipe

WANG Xiang-qian,PENG Hai-long

(Pangang Group Chengdu steel vanadium Jintang Steel Pipe Co.,Ltd.,Chengdu 610403,Sichuan,China)

P91 steel is a high-strength martensitic heat-resistant steel,cold working of the P91 seamless steel tube are generally used in cold rolling process,but low production efficiency;such as the use of cold drawing process production difficulty is relatively large,easy to produce“row”and“drop meat”defects,severe defect will lead to scrap the whole branch pipe.To solve this problem we studied on the tube drawing deformation of large diameter and high precision P91 high pressure steam,established reasonable process system,take the effective measure of process control,and good results have been obtained in the production practice,which greatly improve the production efficiency,reducing the production cost.

P91 high pressure steam pipe,large diameter,high precision,cold drawing process

TG335.71

A

汪向前,工程師,主要從事無縫鋼管生產(chǎn)工藝和質(zhì)量管理工作。

1001-5108(2016)05-0028-06