锻-轧结合工艺试制12Cr2Mo1VR钢板

2021-07-28赵国昌侯敬超吴艳阳袁锦程牛红星

压力容器 2021年6期

赵国昌，侯敬超，龙杰，吴艳阳，袁锦程，牛红星

(舞阳钢铁有限责任公司，河南舞钢 462500)

0 引言

近年来,由于我国经济的发展，对石化产品的需求量越来越大，但我国资源的特点是“缺油、富煤、少气”[1]。我国石油储备量少，且石油资源的劣质化越来越严重，石油资源的获得愈加困难；煤炭储量大，但煤炭资源的利用难度很大，工艺不成熟；天然气储量少，且开发难度极大，无法作为长久使用资源。因此石化行业必须转型发展，工艺技术要提质升级，以便高效地利用石油和天然气资源和将煤炭资源转化为绿色环保的轻质化清洁燃料[2]。

加氢反应器作为石油、煤炭转换为清洁能源的重要设备之一，一直是我国重点研发项目[3-4]，加氢反应器使用条件苛刻，常在高温、高压、临氢环境下使用[5]，设备一旦发生故障，后果不堪设想，因此为保证设备正常运行，设备用钢的质量尤为重要。12Cr2Mo1VR类钢板是用于制造高温高压反应器的材料，在高温力学性能、抗氢能力、抗回火脆化能力、抗氢致剥离能力等方面都具有优良的性能[6-8]。但大厚度加钒钢一直被国外垄断，大型设备用钢需要进口，因此，推进大厚度加钒钢国产化势在必行。

河钢舞钢为国内某石化项目供货了主体材料为180 mm厚的12Cr2Mo1VR钢板，所需钢板单重最大43 t，已超过舞钢采用钢锭或电渣锭生产钢板单重极限，钢板的模拟焊后热处理制度及性能要求极为严格，因此钢板需要有良好的组织支撑。为满足钢板单重及性能的要求，采用锻-轧结合工艺研发出该规格的12Cr2Mo1VR钢板，钢板性能优良，表面及内部质量良好。

1 钢板技术要求

根据GB/T 713—2014《锅炉和压力容器用钢板》，并参照加氢反应器设备12Cr2Mo1VR钢板采购规范，制定12Cr2Mo1VR钢板的技术条件。

1.1 成分要求

钢板成分在满足GB/T 713—2014《锅炉和压力容器用钢板》的前提下，对P，S等元素进行了限定，如表1所示。

1.2 性能要求

钢板的力学性能应符合表2中的要求。

1.3 检验要求

进行钢板性能检验时，应从正火(加速冷却)+回火处理后的钢板上取样，且应对成品逐个取样检验，试样的切取位置、试验项目、试验方法、试样数量和热处理状态应符合表3中的要求。

1)T为钢板厚度;2)Max.PWHT及Min.PWHT指从正火(加速冷却)+回火处理后钢板上取样后，试样在试验室进行最大及最小模拟焊后热处理;3)供货状态指钢板正火(加速冷却)+回火态;4)回火脆化评定试验推荐冲击温度为-100,-80,-60,-40,-30,-10,0,20 ℃各组成一组进行最小模拟焊后热处理和最小模拟焊后热处理+步冷脆化(SC)后的系列冲击，其结果应满足vTr54+3ΔvTr54≤0 ℃。

1.4 其他要求

(1)钢板冶炼方法。

钢由电弧炉或氧气转炉+炉外精炼的方式冶炼，并进行真空处理。

(2)钢板交货状态。

钢板以正火(加速冷却)+回火的热处理状态交货。为改善钢板性能，可以采用多次正火(加速冷却)+回火的热处理方式。

(3)钢板探伤要求。

钢板应逐张进行超声检测，检测方法按NB/T 47013.3—2015《承压设备无损检测第3部分：超声检测》(含第1号修改单)标准执行，合格级别为TⅠ级。

(4)钢板晶粒度、显微组织及夹杂物要求。

钢板原奥氏体晶粒度级别大于等于5级；钢板贝氏体组织不得低于90%；钢板中硫化物夹杂(A类)、氧化物夹杂(B类)、硅酸盐夹杂(C类)、球状氧化物夹杂(D类)、单颗粒球状类夹杂(Ds类)等非金属夹杂物，粗、细系列均不得大于1.5级，且应满足A+C≤2.0级，B+D≤2.0级，A+B+C+D+Ds≤4.0级。

(5)试样进行性能检验前，模拟焊后热处理的要求。

最大模拟焊后热处理制度(Max.PWHT)：705±10 ℃×32～34 h；最小模拟焊后热处理制度(Min.PWHT)：705±10 ℃×8～10 h。试样装出炉温度≤400 ℃，升降温速度≤55 ℃/h。

2 钢板工艺控制要点

为保证钢板的表面质量、探伤质量及性能满足要求，在钢板生产过程中，对炼钢过程、锻造锭开坯过程、轧钢过程及热处理过程进行工艺优化，确保钢板质量满足要求。

2.1 成分设计

由于12Cr2Mo1VR钢板常用于高温、高压环境中，并且钢板的模拟焊后热处理温度高、时间长，装出炉温度及升降温速度要求严格，因此成分设计时，C,Cr,Mo,V元素含量尤为重要。C元素是钢中最基本强化元素，其含量控制在0.13%～0.15%；Cr,Mo元素能提高钢板的淬透性及高温性能[9]，Cr含量控制在2.4%～2.5%，Mo含量控制在1.0%～1.1%；V元素能够通过沉淀强化和细晶强化作用，能提高钢板的抗回火脆化能力、抗氢腐蚀能力及抗拉强度等[7,10]，但钢中加入V元素后会产生碳化钒析出，在焊接和热处理时影响氢陷阱、氢缺陷及应力松弛，使12Cr2Mo1VR容器制造过程中硬度升高、韧性降低、裂纹敏感性增加[11]，V含量按0.27%～0.31%控制。12Cr2Mo1VR加氢反应器设计温度处于高温回火脆化温度范围之内，并且钢板中的P,Sn,As,Sb等有害元素会加剧钢板的回火脆化倾向[12]，因此，P,Sn,As,Sb元素含量应尽量控制在较低的水平[13]。

2.2 炼钢过程控制

12Cr2Mo1VR钢要求Si含量≤0.1%，低Si钢冶炼较为困难，主要表现在：(1)冶炼过程中添加的Cr铁、Mo铁、V铁合金中均含有Si元素，且石灰、萤石等造渣剂中也均含有Si元素，钢液中Si含量控制难度较大；(2)低Si钢钢液流动性较差，锻造锭浇注过程中夹杂物及卷入钢液保护渣不易上浮，留存到锭身，造成钢板探伤不合格。

为解决低Si钢冶炼时存在的问题，炼钢工艺要进行优化并严格控制。电炉出钢时控制Si含量≤0.01%，为后续冶炼过程中增Si留出余量，喂Al线强脱氧前，采用碳粉、电石进行弱脱氧[14]，减少喂Al量。碳粉、电石弱脱氧不仅可以减少Al元素还原出的Si元素量，减少增Si量，还可以减少钢液中Al2O3夹杂物含量，提高钢液洁净度；钢锭在浇注时适当提高过热度，提高渣子上浮效率；浇注时采用低熔点、低表面张力的保护渣，减小保护渣和钢液的粘附功[15]，避免保护渣卷入钢液。

2.3 锻造成坯过程控制

12Cr2Mo1VR钢合金元素含量较高，内应力大，特别对于70 t大锭，锻造开坯过程中极易产生裂纹或炸裂现象，影响坯料质量。因此锻造锭开坯前需进行高温完全退火处理，退火结束后对锭身进行清理，确保锻造开坯前锭身质量；锻造加热前先进行去应力退火，进一步降低锻造锭内应力；加热过程中严格控制升温速率，避免升温过快造成锻造锭加热不均现象；采用2次锻造过程，分别对钳口和锭身进行锻造。

2.4 轧钢过程控制

钢板轧制过程不晾钢，热轧直接成材，避免因晾钢造成坯料温降较多，坯料温度低，会使轧制后期压下量过小且钢板表面易出现拉裂缺陷。坯料轧制采用低速大压下轧制工艺，保证坯料心部压下量，确保钢板内部质量。钢板轧制后需进行堆冷处理。

2.5 热处理过程控制

钢板热处理为正火(加速冷却)+回火，采用高于钢板AC3温度20～40 ℃正火，并保证足够的保温时间，确保钢板完全奥氏体化。钢板正火出炉后采用高低压淬火工艺冷却[16]，在铁素体转变温度区间淬火时，采用压力较大冷却水，钢板冷速较快，从而避开铁素体转变区；在贝氏体转变温度区间内，采用压力较小冷却水，钢板冷速较慢，进入贝氏体转变区，确保钢板生成贝氏体组织。根据钢板的模拟焊后热处理工艺和性能要求，确定钢板回火温度为680～700 ℃。

3 钢板实物质量以及与进口钢板的对比

国产加钒钢和进口加钒钢除应分别满足GB/T 713—2014和ASME SA-542外，还应满足设备制造更严格的技术条件，为寻求国产钢板及进口钢板的技术差异，应从钢板探伤质量、成分、组织及常规力学性能等方面进行综合对比。以下是舞阳钢铁公司生产锻-轧结合180 mm厚加钒钢板(牌号12Cr2Mo1VR)实物质量分析，并将部分实物质量与阿赛洛生产的160 mm厚加钒钢板(牌号SA 542 Type D Cl 4A)进行对比。

3.1 探伤质量

舞钢锻-轧结合生产的180 mm厚钢板探伤质量满足NB/T 47013.3—2015(含第1号修改单)TⅠ级要求，达到国际先进水准。

3.2 化学成分

表4列出舞钢钢板与阿赛洛钢板的主要化学成分及J系数对比。可以看出，舞钢钢板与阿赛洛钢板主要有害元素P,S,As,Sn,Sb均控制较低，C,Si,Mn元素相差不大。因此，国产舞钢钢板与进口阿赛洛钢板相比，在成分控制方面，特别是有害元素控制方面水平相当。

3.3 金相组织

图1示出钢板全厚度方向显微组织，可以看出，钢板全厚度方向均为贝氏体，组织均匀且晶粒细小。表5列出国产钢板夹杂物、显微组织及晶粒度与进口阿赛洛钢板对比，可以看出，国产钢板与进口钢板相比，夹杂物及晶粒度级别控制均良好，显微组织均为贝氏体。

图1 钢板金相照片Fig.1 Metallographic photographs of steel plate

3.4 常规力学性能

为充分体现国产钢板与进口钢板性能上的异同，以下就钢板的常温拉伸性能、高温拉伸性能及低温冲击性能进行对比分析。

3.4.1 常温拉伸性能

表6列出舞钢钢板与进口阿赛洛钢板常温拉伸性能对比，供货态拉伸性能均满足表2要求，对比钢板Min.PWHT及Max.PWHT的强度，舞钢钢板与阿赛洛钢板处于同一水准，舞钢钢板经高温长时模拟焊后热处理后，其拉伸性能仍满足表2要求并且有一定的富余量。

表6 钢板常温拉伸性能对比Tab.6 Comparison of tensile properties of steel plate at room temperature

3.4.2 高温拉伸性能

表7列出舞钢钢板与进口阿赛洛钢板454 ℃高温拉伸性能对比。对比钢板Min.PWHT高温拉伸性能，舞钢钢板屈服强度高于阿赛洛钢板，抗拉强度实物水平接近；对比钢板Max.PWHT高温拉伸性能，两者屈服强度和抗拉强度均达到较高的水平。

表7 钢板454 ℃高温拉伸性能对比Tab.7 Comparison of tensile properties of steel plate at 454 ℃

3.4.3 低温冲击性能

表8列出舞钢钢板与进口阿赛洛钢板-30 ℃冲击性能对比。可以看出，舞钢钢板和阿赛洛钢板均表现出良好的低温冲击韧性，冲击吸收能量距表2要求有较大富余量，冲击性能均控制在200 J以上。

表8 钢板-30 ℃冲击性能对比Tab.8 Comparison of impact properties of steel plate at -30 ℃

3.5 步冷脆化试验结果对比

由于12Cr2Mo1VR加氢反应器设计温度处于高温回火脆化温度区间内，为保证设备后期的正常运行，12Cr2Mo1VR钢板需有良好的抗回火脆化能力。因此需要对钢板的回火脆化倾向进行评定，通常以步冷脆化试验结果表征钢板回火脆化倾向。表9列出舞钢钢板与阿赛洛钢板步冷脆化试验结果，可以看出，舞钢钢板与阿赛洛钢板步冷脆化试验结果接近，且完全满足钢板步冷试验vTr54+3ΔvTr54≤0 ℃的要求，国产舞钢加钒钢板的抗回火脆化能力控制已接近于进口阿赛洛钢板。