二階連續退火新工藝研究及實踐

郭元蓉，鄒友富，劉 波，張凱之，楊顯華，劉 昊

（攀鋼集團成都鋼釩有限公司，四川 成都 610303）

為保證合金鋼管獲得較低的硬度指標，常采用完全退火工藝。傳統的完全退火工藝是將合金鋼管材加熱到奧氏體溫度以上（30~50 ℃）保溫一段時間，待充分奧氏體化后，再以緩慢的冷卻速度（一般是隨爐緩冷）冷卻至550 ℃后出爐空冷，以滿足較低硬度指標的要求［1-8］。這種熱處理工藝的實質是：在奧氏體向鐵素體轉變的過程中需要非常緩慢的冷卻速度，得到以鐵素體+碳化物為主的完全退火組織。這種冷卻條件通常只能在車底式爐或室式爐里采取隨爐緩冷方式實現，但是在周期式爐進行完全退火處理能耗高、生產效率低，不適應批量生產要求。除非是專門設計的連續式退火設備，一般的步進式連續淬火爐長度只能滿足淬火或正火工藝要求；回火爐只能滿足回火或再結晶退火工藝要求，不具備實現“隨爐緩冷”的條件，不適合完全退火處理。攀鋼集團成都鋼釩有限公司（簡稱攀成鋼公司）結合自己熱處理裝備特點，在研究完全退火工藝實質的基礎上，將“隨爐緩冷”分解為“淬火爐-回火爐爐內二階控冷”，形成了步進式連續淬火爐-回火爐二階連續退火工藝的專有技術。該技術能夠解決批量生產1Cr5Mo（與GB 9948—2013《石油裂化用無縫鋼管》標準退火態12Cr5MoI 對應）、T9（與GB 9948—2013 標準12Cr9MoI 對應）等合金無縫鋼管退火處理工序“瓶頸”，其節能、降耗、增效的功能十分顯著，已獲得國家發明專利授權（申請號201210372510.2）。本文以1Cr5Mo（12Cr5MoI）合金鋼二階連續退火工藝為例，介紹該工藝的技術特點及實踐效果。

1 工藝方案

1.1 工藝設計思路

合金鋼完全退火工藝的關鍵是管材加熱至奧氏體化溫度范圍保溫后，需要緩慢冷卻至550 ℃后才能出爐空冷，一般只有隨爐緩冷方式才能滿足冷卻速度要求。目前步進式連續淬火爐-回火爐熱處理線是按調質、正火或正火+回火工藝設計，在淬火爐和回火爐之間布置有淬火裝置和冷床，連續生產時僅能實現水冷和空冷的功能，沒有隨爐緩冷條件。如果把淬火爐-回火爐的加熱段和均熱段聯合在一起設計溫度制度，讓各段溫度控制不同，則可達到近似爐內緩冷過程的溫度梯度。管材在爐內按一定步進周期連續移動的過程中，不同段的爐溫變化使管材溫度的變化滿足完全退火要求的奧氏體化保溫、緩慢冷卻降溫的工藝特性，得到性能合格的退火組織?；诖怂悸?，研究形成了二階連續退火工藝技術。該工藝的實質就是把在單臺車底式爐或室式爐里的加熱、保溫、緩冷過程分解到淬火爐和回火爐的不同溫度段來完成，即通過“淬火爐-回火爐爐內二階控冷”實現連續進行的完全退火。

1.2 1Cr5Mo 合金無縫鋼管二階連續退火工藝特點

二階連續退火工藝是由淬火爐與回火爐共同完成。鋼管從淬火爐出來，空過淬火裝置再進入回火爐，期間淬火爐出爐管溫與回火爐入爐管溫的控制是關鍵，必須保證鋼管進回火爐補溫前的溫度未到達該鋼種的貝氏體或馬氏體轉變溫度。1Cr5Mo 鋼的等溫轉變曲線如圖1 所示［9］，其AC1為770～790℃，AC3為830～850 ℃，奧氏體降溫到790～800 ℃即開始發生鐵素體轉變，繼續降溫，依次發生珠光體轉變和貝氏體轉變。根據筆者對1Cr5Mo 鋼退火過程中組織變化規律的研究結果，在奧氏體向鐵素體轉變的過程中，將緩慢冷卻時間控制在2 h 以上，即能夠使奧氏體充分轉變為鐵素體組織。

圖1 1Cr5Mo 鋼的等溫轉變曲線

基于1Cr5Mo 鋼的轉變特點，設計了其在步進式淬火爐-回火爐二階連續退火工藝：淬火爐加熱段升溫、保溫奧氏體化，均熱段降溫出爐、空過淬火裝置和回火爐各段控制溫降，使其能夠充分發生鐵素體轉變，得到以鐵素體+碳化物為主的完全退火組織，從而保證各項性能指標達到標準要求。其工藝流程為：淬火爐預熱段、加熱段升溫、保溫→淬火爐均熱段降溫出爐→快速通過淬火裝置→回火爐加熱段補溫、保溫→均熱段降溫爐冷→出爐空冷。

該工藝的特點是管材在淬火爐中加熱、保溫并完全奧氏體化，到均熱段后降溫出爐，并快速通過淬火裝置進回火爐，確保進入回火爐時的溫度不低于700 ℃，進入回火爐后再加熱補溫到鐵素體轉變區溫度，而后控制各段溫度由高到低降溫，實現回火爐內緩慢降溫，達到“隨爐緩冷”的組織轉變效果；步進周期必須保證管材在爐內的保溫和降溫時間，并且應隨規格變化做適當調整。

2 二階連續退火工藝實踐

2.1 試驗結果與分析

按照工藝設計確定的1Cr5Mo 二階連續退火工藝，在步進式淬火爐-回火爐連續熱處理線上進行了3 輪生產工藝試驗，試驗結果見表1。

（1） 從表1 可看出，第一輪試驗H4H1030001B試樣性能較好，各性能指標滿足標準要求；但H4H1030001A 試樣的強度高、伸長率低，不滿足標準要求。原因是：H4H1030001A 樣管是從淬火爐出來的前幾支鋼管，剛進入回火爐時因預熱段時爐溫過低（實測溫度低于600 ℃）使管材溫降過大，發生的貝氏體轉變致使強度較高，其金相組織為貝氏體+少量鐵素體，如圖2 所示；H4H1030001B樣管屬于同批后進入回火爐的管材，因先前入爐的管材使回火爐預熱段爐溫升高，管材溫降較小，到加熱段后再升溫到790 ℃，隨后在加熱二段和均熱段控制溫度、緩慢降低，達到了“隨爐緩冷”的效果，管材鐵素體轉變較多，其強度和硬度較低，滿足標準要求。

表1 1Cr5Mo（12Cr5MoI）管材經二階連續退火工藝處理后的力學性能（試驗）

圖2 H4H1030001A 組織（貝氏體+少量鐵素體）

（2） 在分析總結第一輪試驗結果的基礎上，改進了第二輪試驗工藝，采取措施提高回火爐預熱段溫度，讓管材進入該段后降溫較?。ɑ虿唤禍兀?，保證其不發生貝氏體轉變。從表1 數據看，按調整后工藝進行第二輪處理的管材性能均滿足標準要求，金相組織是完全退火狀態的“鐵素體+碳化物”組織（圖3）。在第三輪試驗時，考慮到第二輪試驗生產管材的硬度與強度數據偏低，將回火爐加熱段溫度降低10～15 ℃控制，管材性能數據比第二輪試驗有所提高，金相組織中碳化物比例有所增加（圖4）。

2.2 工藝實踐效果

通過工藝試驗和分析總結，確定了批量生產的工藝參數，并按此工藝生產了上百批次1Cr5Mo 管材，熱處理一次合格率達到100%，工藝控制穩定，與周期式爐相比生產效率成倍提高。經二階連續退火工藝處理后，1Cr5Mo（12Cr5MoI）管材部分批次的力學性能如圖5 所示。

2.3 在高合金鋼T9 的推廣應用

按1Cr5Mo 管材二階連續退火的工藝思路，采取類似的工藝路線與控制措施，針對T9 鋼種冷卻轉變特點，對溫度變化控制范圍做了相應調整，以保證獲得鐵素體+碳化物的退火金相組織。該工藝應用于T9 的實際生產，從已處理的23 批391 支管材的情況看，批量處理管材性能穩定，完全滿足ASTM A 213/A 213M—2013《鍋爐、過熱器和換熱器用鐵素體和奧氏體合金無縫鋼管》標準對T9 的要求，也滿足GB 9948—2013 標準對12Cr9MoⅠ的要求。經二階連續退火工藝處理后T9 管材的力學性能如圖6 所示，退火及完全退火后T9 管材的金相組織如圖7~8 所示，均為鐵素體+碳化物。

圖3 H4L1030059A 組織（鐵素體+碳化物）

圖4 H4E1039006A 組織（鐵素體+碳化物）

3 結 論

（1） 二階連續退火工藝將步進式淬火爐-回火爐的加熱段和均熱段聯合起來，通過“淬火爐-回火爐爐內二階控冷”技術實現連續完全退火，是對傳統完全退火工藝的優化創新。

（2） 生產實踐表明：二階連續退火工藝技術能大幅度提高合金鋼、高合金鋼的退火熱處理效率，節約能耗和時間，有利于企業降本增效，具有推廣應用價值。

圖7 T9 管材退火后金相組織（鐵素體+碳化物）

圖5 經二階連續退火工藝處理后1Cr5Mo（12Cr5MoI）管材部分批次的力學性能

圖8 T9 管材完全退火后金相組織（鐵素體+碳化物）

圖6 經二階連續退火工藝處理后T9 管材的力學性能

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