何 彪，趙慶權(quán)，肖功業(yè)，張俊萍

（天津鋼管集團(tuán)股份有限公司，天津 300301）

15Cr1Mo1V是執(zhí)行俄羅斯ТУ14-3P-55—2001標(biāo)準(zhǔn)的高壓鍋爐管用鋼，屬低合金熱強(qiáng)鋼，可應(yīng)用于壁溫≤580℃的主蒸汽管道及聯(lián)箱等承壓部位［1］。在俄羅斯以及中國部分電廠均有采用。

由于Mo含量的提高（達(dá)到1%），15Cr1Mo1V鋼的熱強(qiáng)性能要高于12Cr1MoV鋼；在570℃時，其持久強(qiáng)度可比12Cr1MoV鋼高9.8 MPa，且長期使用組織穩(wěn)定［2］。

由于該鋼種目前在我國并不常見，因此筆者暫未見國內(nèi)有對該材料的深入研究報道。本文對15Cr1Mo1V高壓鍋爐管的生產(chǎn)工藝、化學(xué)成分、力學(xué)性能以及組織穩(wěn)定性等進(jìn)行了研究，以期為該產(chǎn)品的后續(xù)生產(chǎn)使用等提供依據(jù)。

1 生產(chǎn)工藝

根據(jù)天津鋼管集團(tuán)股份有限公司（簡稱天津鋼管）的設(shè)備情況，結(jié)合15Cr1Mo1V高壓鍋爐管的特點(diǎn)，其工藝流程定為：90 t電爐冶煉→精煉→真空脫氣→連鑄→管坯加熱→穿孔→連軋→定（減）徑→冷床冷卻→鋸切→矯直→探傷→正火→回火→矯直→超聲波探傷→水壓試驗→稱重、噴標(biāo)→入庫。

1.1 煉鋼及成分設(shè)計

1.1.1 煉 鋼

冶煉時，通過控制電爐出鋼時的P含量（0.008%以下），從而嚴(yán)格控制成品鋼中的P等有害元素含量，保證鋼的純凈度以及良好的性能；同時降低鋼中的H、O含量，尤其是O含量過高會引起鋼在常溫下沖擊功異常［3］；由于該產(chǎn)品的合金成分較高，尤其是含有1%左右的Mo以及0.30%左右的V，鋼的淬透性較好，因此管坯連鑄后應(yīng)采用堆冷的方式進(jìn)行緩慢冷卻（要求堆冷溫度≥500℃，堆冷后的溫度 ∧200℃），否則容易出現(xiàn)管坯開裂情況。

1.1.2 成分設(shè)計

15Cr1Mo1V鋼種要求在高溫下具有較強(qiáng)的持久強(qiáng)度以及持久塑性，從而保證鋼管長期高溫運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性。C含量過高會降低鋼管的可焊性，過低則降低鋼管的持久強(qiáng)度，因此要求C含量控制在中值范圍內(nèi)。

Cr在高溫下能夠提高鋼的抗腐蝕性能，同時Cr與C結(jié)合形成Cr23C6，在高溫運(yùn)行前期，對鋼的持久強(qiáng)度有好處。因此要求Cr含量控制在中線偏上的范圍。

Mo是縮小γ相區(qū)的元素，可提高鋼的淬透性和熱強(qiáng)性，但Mo合金價格偏高，Mo含量控制在中線為宜。

V與C、N能夠強(qiáng)烈結(jié)合，形成VC（N）的細(xì)小碳化物，且在高溫下不容易長大，釘扎位錯，阻礙位錯滑移，提高鋼的高溫持久強(qiáng)度。但V同時會引起持久塑性的降低［4］，因此V應(yīng)控制在中線附近。

15Cr1Mo1V鋼的成分要求及實際檢驗成分見表1。

此次冶煉管坯直徑為400 mm。

表1 15Cr1Mo1V鋼的成分要求及實際檢驗成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

1.2 軋 管

15Cr1Mo1V鋼相對于12Cr1MoVG鋼，增加了0.80%左右的Mo，高溫下這些Mo能夠完全固溶于奧氏體中，引起晶格畸變，阻礙位錯運(yùn)動，因此其高溫變形抗力要比12Cr1MoVG鋼大。環(huán)形爐加熱溫度高，原子躍遷激活能小，鋼的變形抗力小，高溫變形相對容易，但溫度過高，鋼的塑性變差，而且晶粒迅速長大，發(fā)生過熱或過燒現(xiàn)象；加熱溫度過低，鋼的變形抗力大，變形困難，導(dǎo)致熱軋后的鋼管表面質(zhì)量以及幾何尺寸差。另外，由于Mo含量高，高溫下起到了阻礙碳化物溶解的作用，在1 150℃時，需要20 min以上才能夠使碳化物完全溶解［5］。因此管坯在環(huán)形爐的加熱溫度需進(jìn)行嚴(yán)格控制，一般要求控制在1 180～1 250℃，為使管坯溫度均勻一致，保溫段時間要求不小于1 h［6-15］。該次軋制鋼管規(guī)格為Φ377 mm×50 mm。

圖1 15Cr1Mo1V鋼C曲線

1.3 熱處理

首先對15Cr1Mo1V鋼進(jìn)行C曲線（過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線）測定，以研究其熱處理工藝。15Cr1Mo1V鋼C曲線如圖1所示。

通過測定，15Cr1Mo1V鋼種的奧氏體化轉(zhuǎn)變終了溫度Ac3為902℃，大部分碳化物能溶解且不發(fā)生明顯的晶粒長大，且參考12Cr1MoVG鋼熱處理制度，將15Cr1Mo1V鋼正火溫度定為920～1 040℃，保溫時間不少于0.5 h。溫度過高，容易引起奧氏體晶粒粗化。

回火溫度不能過高，否則容易超溫進(jìn)入兩相區(qū)，15Cr1Mo1V鋼一旦回火進(jìn)入兩相區(qū)，則其產(chǎn)品容易出現(xiàn)黃塊狀組織，導(dǎo)致鋼管的性能降低。將回火溫度定為680～770℃，保溫時間不少于2 h。

2 成品鋼管性能及組織分析

2.1 室溫力學(xué)性能統(tǒng)計

統(tǒng)計18組15Cr1Mo1V鋼管的力學(xué)性能，力學(xué)性能統(tǒng)計見表2。

表2 18組15Cr1Mo1V鋼管的力學(xué)性能統(tǒng)計

從表2可以看出，18組15Cr1Mo1V鋼管的力學(xué)性能均能夠滿足ТУ14-3P-55—2001標(biāo)準(zhǔn)要求。另外，15Cr1Mo1V鋼管的生產(chǎn)工藝、成分以及性能均與12Cr1MoVG鋼管相似，但并未發(fā)現(xiàn)像12Cr1MoVG鋼管出現(xiàn)沖擊異常低的現(xiàn)象［3］。

2.2 鋼管四象限硬度

四象限硬度是評價鋼管熱處理均勻性非常重要的指標(biāo)，也是衡量鋼管冷卻均勻性的重要指標(biāo)。由于此次生產(chǎn)的15Cr1Mo1V鋼管規(guī)格為Φ377 mm×50 mm，壁厚非常大，因此有必要對鋼管的四象限硬度進(jìn)行檢驗分析。檢驗規(guī)則為鋼管同一截面相隔45°取四象限硬度，每一象限做內(nèi)壁、中部、外壁3個區(qū)域，每個區(qū)域測量3個點(diǎn)，具體分析結(jié)果見表3。

表3 15Cr1Mo1V鋼管四象限硬度分析 HBW

從表3可以看出，15Cr1Mo1V鋼管四象限平均值非常接近。這是由于天津鋼管熱處理采用步進(jìn)式熱處理爐，鋼管在爐內(nèi)翻滾前進(jìn)，鋼管四象限受熱均勻，且嚴(yán)格控制熱處理爐爐溫的均勻性，從而保證鋼管不會出現(xiàn)“陰陽面”的現(xiàn)象。

同時分析發(fā)現(xiàn)，15Cr1Mo1V鋼管內(nèi)壁、中部、外壁的硬度值有一定偏差，外壁硬度值最高，中心部位硬度值最低。這是因為鋼管壁厚大，冷卻速度在表面和心部有一定差別，從而導(dǎo)致硬度不同。但外壁最高值（199 HBW）和中部最低值（187 HBW）僅相差12 HBW，說明鋼管性能非常均勻，也說明15Cr1Mo1V鋼的淬透性較好，這得益于較高的Mo和V含量。

2.3 非金屬夾雜物、組織、晶粒度

非金屬夾雜物是評價鋼質(zhì)的重要標(biāo)準(zhǔn)，同時非金屬夾雜物也影響鋼的塑性以及高溫持久性能；鋼管的組織則是鋼室溫性能和高溫持久性能的保障；晶粒度對于鋼在高溫下的持久強(qiáng)度和抗氧化性能有非常大的影響，晶粒細(xì)小，則鋼的抗氧化性能良好，但對高溫持久強(qiáng)度有影響，晶粒粗大，影響則相反。

對15Cr1Mo1V鋼管進(jìn)行非金屬夾雜物檢驗，A細(xì)和D細(xì)均為0.5級，B細(xì)個別有0.5級的現(xiàn)象，其余夾雜物為0級。

對15Cr1Mo1V鋼管橫截面進(jìn)行金相組織觀察，鋼管內(nèi)壁、中部、外壁的組織均為F+B，組織均勻，且無兩相區(qū)熱處理的黃塊狀組織。成品管顯微組織如圖2所示。

2.4 組織穩(wěn)定性分析

對15Cr1Mo1V鋼管進(jìn)行560℃，5 436 h的持久試驗，并采用掃描電子顯微鏡對比交貨狀態(tài)和持久狀態(tài)的組織形貌，研究其高溫下的組織穩(wěn)定性。15Cr1Mo1V鋼管交貨狀態(tài)和持久狀態(tài)的掃描電子顯微鏡SEM照片如圖3所示。

圖2 成品管顯微組織

圖3 15Cr1Mo1V鋼管交貨狀態(tài)和持久狀態(tài)的SEM照片

通過對比15Cr1Mo1V鋼管的交貨狀態(tài)與持久狀態(tài)的SEM照片，發(fā)現(xiàn)兩種狀態(tài)貝氏體中的碳化物大小、形貌以及碳化物含量并未有明顯區(qū)別。因此，15Cr1Mo1V鋼管在高溫下的組織穩(wěn)定性較好。

3 結(jié) 語

（1）15Cr1Mo1V鋼管的成分設(shè)計和熱處理工藝合理，產(chǎn)品性能優(yōu)良，全部檢驗性能符合ТУ 14-3P-55—2001標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）成品15Cr1Mo1V鋼管組織為F+B，組織均勻，無黃塊狀組織。

（3）15Cr1Mo1V鋼管在高溫下的組織穩(wěn)定性好。