临氢设备用12Cr2Mo1R厚钢板生产及使用技术研究

摘要

临氢设备用12Cr2Mo1R厚钢板因其使用环境苛刻、生产和使用技术要求高，国内不能稳定批量生产，长期依赖进口。现代化的宝钢5米厚板轧机建成为实现其国产化奠定了基本的生产条件，但生产技术仍需开发。为此，本文作者仔细调研和分析了该钢种使用环境、成分体系、组织性能要求及其物理冶金原理和国外钢厂的生产实绩。在此基础上对生产临氢设备用12Cr2Mo1R厚钢板的基本生产工艺路径进行了归纳总结，提炼出该钢种成分和组织控制的关键工序。针对宝钢分公司5m厚板产线现有的装备条件进行生产可行性分析和关键工艺参数的深入模拟和试验研究，最终研制出宝钢生产临氢设备用12Cr2Mo1R厚钢板的工艺技术，并在生产中实施，成功地生产出12Cr2Mo1R厚钢板，并通过全国锅炉压力容器标准化技术委员会评定。为使生产出的钢板能够更好地得到应用，以95mm厚12Cr2Mo1R钢板为代表，进行了全面力学性能分析、焊接和火焰切割等关键使用性能研究。通过理论分析、模拟和试验研究、实际大生产和产品使用评价，得到了以下成果和主要结论：
　　 (1)对宝钢分公司5m厚板产线冶炼、轧制、热处理三大生产临氢设备用钢关键工序进行分析和研究表明，宝钢的冶炼工序可以保证抗回火脆化J系数小于96,5m厚板轧机具备轧制形状系数大于0.23的能力，可实现特厚钢板芯部的较充分变形，正火后空冷或加速冷却，保证得到所需的组织。
　　 (2)通过对不同厚度钢板冷却过程模拟、热处理加速冷却(ACC)方式实际测量，在保证设备安全的前提下，可以实现厚度小于100mm临氢设备用12Cr2Mo1R钢板的生产。
　　 (3)为了保证不同厚度12Cr2Mo1R钢板全厚度得到以贝氏体为主的组织，结合12Cr2Mo1R静态CCT图恒定冷却速度下的组织特点，首次通过数值模拟和工业生产验证相结合的方法，确定出了临氢设备用12Cr2Mo1R厚钢板正火后空冷钢板的临界厚度为50mm。也就是说，当生产厚度大于50mm的临氢设备用12Cr2Mo1R厚钢板时，正火后应采用加速冷却手段。这一结论对确定12Cr2Mo1R钢板的制造工艺和选择冷却方式具有指导意义。
　　 (4)在国内首次提出了用淬火机实现临氢设备用12Cr2Mo1R厚钢板热处理的加速冷却。利用淬火机低压段合理的喷水冷却工艺设计，所试制的95mm厚12Cr2Mo1R钢板的板形良好，得到了所要求的以贝氏体为主的显微组织，经合理回火处理后，达到所要求的强韧性良好匹配的综合力学性能。
　　 (5)利用所开发的工艺技术，在宝钢5米产线所生产的50mm和95mm厚12Cr2Mo1R钢板，其化学成分、性能完全满足临氢设备用钢的技术要求。95mm厚12Cr2Mo1R钢板经最小模拟焊后热处理十步冷热处理试验后，其厚钢板的回火脆化指标vTr55+2.5△vTr55值为-97℃。
　　 (6)对工业生产的95mm厚12Cr2Mo1R钢板进行了全面的力学性能分析，结果表明，正火+ACC+回火态钢板的1/2厚度处的拉伸性能和冲击性能均匀，韧脆转变温度低。经不同模拟焊后热处理后，拉伸性能和冲击性能稳定，韧脆转变温度基本不变。利用光学显微镜和透射电镜等方法研究了该钢板的高韧性机理，经过不同模拟焊后热处理后，95mm厚12Cr2Mo1R钢板的金相组织为贝氏体，但析出相数量会随着模拟热处理条件的改变而发生变化。观察发现，该钢板基体由1～2μm的亚晶组成，钢板中原有的、以及对成品钢板进行不同热处理条件后形成的碳化物，未表现出对钢板冲击吸收功有明显影响；晶粒内部的亚晶，可使钢板具有更高的低温冲击吸收功和更低的韧脆转变温度。
　　 (7)通过对95mm厚12Cr2Mo1R成品钢板进行火焰切割试验和热模拟试验，首次较系统地研究了12Cr2Mo1R厚钢板不同切割顺序后割口面及其附近的组织、硬度等特点。结果表明，12Cr2Mo1R厚钢板正火热处理前的火焰切割面，经过正火+ACC+回火后，原切割面及其附近的组织种类改变，硬化区明显减弱；成品厚钢板切割面经过正火和回火后的切割口及其周围，对钢板的弯曲性能无明显影响；成品钢板无论室温下或预热下切割，在切口的附近均存在一定厚度的硬化区，但室温下和预热后切口附近硬化厚度和宽度有所差异。为了减少火焰割口附近的硬化区对弯曲成型的影响，拟推荐采取预热后切割。
　　 (8)对95mm厚12Cr2Mo1R钢板及其焊接接头进行焊接工艺适应性评定，结果表明，该钢板完全满足临氢设备的封头和简体制造工序要求，完全适应临氢设备制造时采用的焊接方法和焊接材料。全国锅炉压力容器标准化技术委员会组织国内专家对宝钢试制的临氢设备用12Cr2Mo1R钢进行了技术评审，评审意见认为，宝钢的95mm厚12Cr2Mo1R钢板可以用于临氢设备的制造。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 临氢设备用12Cr2Mo1R厚钢板的技术要求

1.2.1 GB150标准

1.2.2 ASME/ASTM

1.2.3 拟开发的临氢设备用12Cr2Mo1R厚钢板

1.3 国外临氢设备用2.25Cr1Mo型厚钢板的技术进展

1.3.1 低合金Cr-Mo钢的回火脆化现象

1.3.2 化学成分的影响

1.3.3 组织与性能

1.3.4 国外生产临氢设备钢板实绩分析

1.3.5 国外钢厂临氢设备用钢的生产工艺

1.4 国内临氢设备用2.25Cr1Mo型厚钢板的生产和使用技术进展

1.4.1 国内临氢设备用钢的使用情况

1.4.2 国内临氢设备用钢的国产化

1.4.3 组织的影响

1.4.4 国内外生产工艺的比较

1.4.5 关键工艺技术问题

1.5 研究的思路、意义和内容

1.5.1 研究思路

1.5.2 研究意义

1.5.3 拟解决的生产和应用技术问题

1.5.4 主要研究内容

1.5.5 本研究的创新之处

1.6 本章小结

第二章 正火后钢板的冷却方式

2.1 引言

2.2 相变点和CCT曲线的测定

2.2.1 相变点的测定

2.2.2 CCT曲线的测定

2.3 不同冷却速度下的金相组织

2.4 正火后冷却方式的选择

2.4.1 正火后冷却速度对韧性的影响

2.4.2 正火后冷却方式的选择

2.5 本章小结

第三章 正火后空冷钢板的临界厚度

3.1 引言

3.2 正火后空冷过程的数值模拟

3.2.1 ABAQUS有限元软件简介

3.2.2 温度场计算数学模型

3.2.3 数值模拟的实现

3.3 数值模拟的试验室验证

3.3.1 埋偶试验

3.3.2 埋偶条件下试样温度场的数值模拟

3.4 厚钢板正火空冷过程的数值模拟

3.4.1 现场条件下换热边界条件的确定

3.4.2 数值模拟结果及分析

3.4.3 临界厚度的确定

3.4.4 工艺宽容度的检验

3.5 大生产验证

3.5.1 工业生产厚钢板组织

3.5.2 厚钢板芯部的冲击性能

3.6 本章小结

第四章 工业生产工艺规程的确定

4.1 引言

4.2 化学成分的确定

4.3 大生产工艺的可行性

4.3.1 冶炼工艺的可行性

4.3.2 轧制工艺的可行性

4.3.3 热处理工艺的可行性

4.4 工艺路径和热处理制度的确定

4.4.1 工艺路径的确定

4.4.2 热处理制度

4.5 本章小结

第五章 临氢设备用钢的工业生产

5.1 引言

5.2 化学成分实绩

5.3 厚钢板的轧制实绩

5.4 热处理实绩

5.5 50mm厚钢板的性能实绩

5.6 95mm厚钢板的基本性能实绩

5.6.1 常规力学性能

5.6.2 高温拉伸性能

5.7 与国内外同类钢板回火脆化指标的比较

5.8 国家锅容标委的技术评审结果

5.9 本章小结

第六章 95mm厚12Cr2Mo1R钢板的特性

6.1 引言

6.2 试验方法

6.2.1 试验内容和方法

6.2.2 主要试验设备

6.3 试验结果及分析

6.3.1 厚钢板的均匀性

6.3.2 厚钢板的高韧性特性

6.3.3 厚钢板的加工使用特性

6.3.4 经模拟封头热成型工艺过程后的力学性能

6.3.5 厚钢板的微观组织研究

6.4 本章小结

第七章 厚钢板火焰切割特性的研究

7.1 引言

7.2 试验方法

7.2.1 钢板火焰切割试验

7.2.2 热模拟试验

7.3 试验结果

7.3.1 钢板火焰切割后的金相组织和硬度

7.3.2 热模拟试验的金相组织

7.4 分析和讨论

7.5 本章小结

第八章 95mm厚12Cr2Mo1R钢板焊接工艺适应性试验

8.1 引言

8.2 焊接工艺试验的项目和要求

8.2.1 焊接工艺试验项目

8.2.2 所用焊接材料熔敷金属的化学成分

8.2.3 焊接金属及焊接接头力学性能要求

8.2.4 焊接坡口

8.2.5 焊接工艺参数

8.3 试验结果

8.3.1 焊缝金属的成分和力学性能

8.3.2 焊接接头性能评价

8.3.3 金相检验

8.4 厚钢板抗氢腐蚀

8.5 本章小结

第九章 结论

参考文献

全国锅炉压力容器标准化技术委员会

致谢

攻读博士学位期间完成的论文

作者简介