12Cr2M o1钢锻件生产工艺研究

王鹏飞段飞虎朱 帅崔正阳马 宏

(1.河南省大型铸锻件工程技术研究中心，河南471000;2.中信重工机械股份有限公司，河南471000)

12Cr2M o1钢锻件生产工艺研究

王鹏飞1段飞虎1朱 帅1崔正阳1马 宏2

(1.河南省大型铸锻件工程技术研究中心，河南471000;2.中信重工机械股份有限公司，河南471000)

通过采用EAF-LF-VCD-VC冶炼工艺，严格控制钢中夹杂物含量和S、P、Sn、As、Sb等残余元素含量，并采用四火锻造成型及锻后正火+回火的热处理工艺，最终生产出表面质量良好、力学性能满足要求的12Cr2Mo1钢加氢反应器锻件。

12Cr2Mo1钢;锻件;生产工艺;力学性能

加氢反应器是石油化工行业的关键设备之一，材料主要选用抗高温蠕变、抗氢蚀能力强的12Cr2Mo1钢。由于在高温、高压、临氢条件下工作，对钢的质量要求非常严格［1］。不仅要满足强度、韧性和氢腐蚀的要求，还要具有良好的焊接性能和成型性能。CrMo钢长期在350～575℃温度范围工作时会出现脆变现象，材料因回火脆性会引起韧性恶化，发生脆性断裂，因此，还应满足钢的抗回火脆化要求。研究［2～4］认为钢的回火脆性与P、Sn、As、Sb等残余元素的含量有很大关系，这些元素会在奥氏体晶界偏析并引起晶界弱化。通过研究国内外12Cr2Mo1钢的生产工艺［5～8］，制定合理的生产工艺，中信重工机械股份有限公司成功开发出加氢反应器用12Cr2Mo1筒体锻件。本文主要介绍12Cr2Mo1钢锻件的生产工艺。

1 技术要求

1.1 化学成分要求

采用EBT电炉冶炼→LF精炼→VCD真空处理→VC真空浇铸→钢锭热送→加热→锻造→锻后热处理的工艺生产12Cr2Mo1锻件。其标准成分及生产内控成分见表1。气体元素含量见表2。

LF精炼出钢前不计烧损按0.04%加入Nb，残余元素含量内控要求如下:wSb≤0.002%，wSn≤0.006% ，wAs≤0.010% ，wCu≤0.15%。材料的主要化学成分和残余元素还应满足式(1)规定的回火脆化敏感性系数J和式(2)规定的焊缝金属脆化敏感性系数X。

表1 12Cr2M o1钢的化学成分要求(质量分数，%)Table 1 Chem ical com position requirement of 12Cr2M o1 steel(mass fraction，%)

表2 气体元素含量(×10-6)Table 2 Gas element content(×10-6)

式(1)、(3)中元素以质量百分数计算;式(2)中元素以×10-6含量计算。

1.2 质量及性能要求

锻件不允许存在裂纹、折叠、夹层、夹渣、白点、缩孔及严重偏析等缺陷。晶粒度大于6级(符合标准YB/T6394规定)。非金属夹杂物按标准GB10561规定的B法评级图Ⅱ进行评定，A类、B类、C类、D类及Ds类均不得大于1.5级，且应满足A+C≤2.0，B+D+Ds≤2.5，A+B+C +D+Ds≤4.0。超声检测按JB/T4730.3—2005逐件进行100%检测，合格级别为:单个缺陷、底波降低量及密集区缺陷都是Ⅰ级。JB 4726—2000规定的12Cr2Mo1钢力学性能要求如表3所示。

表3 12Cr2M o1钢的力学性能要求Table 3 M echanical properties of 12Cr2M o1 steel

2 制造过程

2.1 冶炼

为了提高钢的综合力学性能，在炼钢过程中应严格控制P、S、Sn、As、Sb、Cu等残余元素及H、O、N气体元素的含量，减小回火脆化倾向。Sn、As、Sb等残余元素与O的亲和能力比Fe低，在炼钢过程中无法有效去除，因此电炉冶炼应选用低残余元素、低硫、低磷废钢和料头。

电炉冶炼:熔清确保残余Cu≤0.15%、Sb≤0.002%、Sn≤0.006%、As≤0.010%、S≤0.015%、P≤0.015%。随一次料配入的活性石灰为钢水重量的5%～6%，氧化期及时大量放渣和补加渣料，脱磷主要在电炉冶炼期间完成，精炼时由于脱氧造成炉渣氧化性的降低会使钢水出现一定量的回磷。此外合金化也会带入磷，总的回磷量约为0.003% ～0.004%。为了确保成品磷含量达到内控要求，电炉出钢应确保P≤0.002%。初炼炉出钢温度1650～1680℃，出钢时禁用碳粉增碳。出钢前10 min通知铸锭置换氩气。出钢时氩气压力控制在0.6 MPa～1.0 MPa。随钢流加入活性石灰、电解锰、金属铬，严禁加入含Si合金及脱氧剂、预熔渣。采用留钢留渣操作，禁止氧化渣进入精炼包。

钢水精炼:在精炼过程中尽可能多的用C粉扩散脱氧，扩散脱氧剂要分批加入，保持还原气氛，少用硅铝钙钡粉脱氧，以提高钢水的纯净度。并且采用高碱度精炼渣进行白渣操作完成脱硫，合金加完后要求精炼白渣保持时间≥20 min。渣料组成为石灰和萤石(石灰:萤石=4～5:1)，炉渣厚度控制在200 mm～300 mm。出钢温度在1 670～1 680℃之间。精炼出钢前加入微量合金元素Nb细化晶粒、优化成分。VCD真空碳脱氧时，在真空度小于66.7 Pa下处理时间大于15 min。要随时观察炉渣的喷溅情况，一旦有喷溅预兆，应充气降低真空度。

2.2 锻造

在185 MN油压机上锻造，选用75 t钢锭，锻件重量为47.98 t，钢锭利用率为64%。将热送的钢锭送入加热炉内加热(升温速率V≤65℃/h)，在1 170～1 210℃温度区间保温3 h后倒棱。然后迅速返炉升温(升温速率V≤85℃/h)，将锻件加热到1 220～1 260℃温度区间，保温16 h后进行锻造。分四火锻造成型，锻造温度1 250～750℃，变形过程总锻造比为6.4。锻造过程如表4所示。

2.3 锻后热处理

化学成分与热处理是决定钢性能的最重要因素，锻后热处理方式采用正火+回火。12Cr2Mo1钢比较理想的组织是贝氏体组织，贝氏体组织具有良好的强韧性、组织稳定性、耐热疲劳性，并且比马氏体组织或铁素体+珠光体具有更高的抗回火能力。锻后热处理工艺如图1所示。

3 锻件检验结果

(1)化学成分对2012年生产的12Cr2Mo1钢锭进行统计，成品化学成分满足工艺要求，钢中磷含量≤0.006%，硫含量≤0.004%，总氧含量≤18 ×10-6，氢含量≤1.8×10-6，氮含量≤69×10-6。钢中Sn、As、Sb残余元素含量低，由实际化学成分计算的最大J系数和X系数分别为62和10.9，P+Sn≤0.010。

表4 12Cr2M o1钢的锻造过程Table 4 Forging process of 12Cr2M o1 steel

图1 锻后热处理工艺Figure 1 Heat treatment process after forging

图2 冶炼过程夹杂物的尺寸分布Figure 2 Distribution of inclusions size during smelting process

表5 非金属夹杂物评级Table 5 Non-metallic inclusion grade

部分炉次的磷含量达到内控上限，考虑到精炼期间的回磷量，电炉出钢应严格保证［P］≤0.002%。LF精炼由于采用高碱度低氧化性精炼渣操作，渣系为CaO-CaF2-SiO2，(FeO+MnO)含量≤1%，脱硫、脱氧效果良好。

(2)钢中夹杂物

采用VCD真空碳脱氧工艺，脱氧产物为CO气体，对钢水不会造成污染，并且气体在上浮过程中更有利于去除夹杂物，达到净化钢液的目的。通过SEM、EDS等试验手段对钢中夹杂物的大小、形貌、数量进行研究，发现钢中夹杂物多为脱氧产物及合金料和耐火材料的氧化产物，主要为硅铝酸盐复合夹杂物(CaO-SiO2-MgO-Al2O3系、CaO-SiO2-Al2O3系 和 MnO-SiO2-Al2O3系)。12Cr2Mo1钢的纯净度较高，大于10μm的夹杂物约为0.47%。冶炼过程各工序钢中夹杂物尺寸分布如图2所示。

非金属夹杂物级别达到标准要求，A+C≤ 2.0，B+D+Ds≤2.5，A+B+C+D+Ds≤4.0，非金属夹杂物检验值如表5所示。

(3)质量及性能

外形尺寸及允许偏差符合标准要求，表面质量良好。由于LF精炼出钢前加入微量元素Nb (不计烧损按0.04%添加)进行细化晶粒，并且通过合理的锻造及锻后热处理工艺，晶粒度得到了细化，晶粒度为8级，组织为贝氏体。钢的力学性能满足标准要求，如表6所示。超声检测合格。

表6 12Cr2M o1钢的力学性能检测结果Table 6 M echanical properties test resultof 12Cr2M o1 steel

4 结论

(1)冶炼12Cr2Mo1钢时，应严格控制钢中P、S、Sn、As、Sb等杂质元素含量，电炉出钢应保证磷≤0.002%。LF选用高碱度低氧化性精炼渣，取得了良好的脱氧、脱硫效果。VCD真空碳脱氧工艺可以提高钢水纯净度，降低钢中夹杂物含量。

(2)采用四火锻造成型及锻后正火+回火的热处理工艺，可以满足锻件对质量及性能的要求。

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［3］ 王旭颖，谢延安，宋波，等.12Cr2Mo1管板锻件制造工艺研究［J］.金属加工，2012(13):59-61.

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编辑 杜青泉

Research on Production Process of 12Cr2Mo1 Steel Forgings

W ang Pengfei，Duan Feihu，Zhu Shuai，Cui Zhengyang，M ao Hong

By adopting EAF-LF-VCD-VC melting process，strict controlling residual elements contents of S，P，Sn，As＆Sb in steel and inclusion contents in steel，using four-pass forge and normalizing+tempering heat treatment after forge，as a result，12Cr2Mo1 steel forging of good surface quality and satisfiedmechanical property for the hydrogenation reactor is produced.

12Cr2Mo1 Steel，forging，production process，mechanical property

TG316

A

2013—05—22

王鹏飞(1980—)，男，工程师，主要从事特殊钢冶炼浇铸工艺技术研究。