Способ комплексной термической обработки крупногабаритных кованых заготовок из хромомолибденованадиевой стали

Изобретение относится к области черной металлургии, а именно к термической обработке крупногабаритных кованых заготовок типа обечаек для корпусов нефтехимических реакторов глубокой переработки нефти и другого крупногабаритного нефтехимического оборудования. Для обеспечения требуемого комплекса механических свойств заготовок из хромомолибденованадиевой стали за счет получения равномерной мелкозернистой структуры отпущенного бейнита с равномерным выделением стабильных мелкодисперсных карбидов осуществляют копеж заготовок при температуре A_C1-(150÷200°C), аустенитизацию - при температуре А_C3+(70÷90°С), изотермическую выдержку - при температуре A_C1-(70÷120°C) продолжительностью 40 часов, высокий отпуск - при температуре A_C1-(90÷110°C), вторую аустенитизацию - при температуре А_C3+(110÷150°С) со скоростью нагрева 60-100°С/ч, а высокий отпуск выполняют при температуре A_C1-(60÷120°C). 2 табл.

 

Изобретение относится к области черной металлургии, а именно к способу термической обработки крупногабаритных кованых заготовок типа обечаек (толщиной под термообработку до 450 мм) для корпусов нефтехимических реакторов глубокой переработки нефти нового поколения и другого крупногабаритного нефтехимического оборудования, изготавливаемого из хромомолибденованадиевой стали 2,25Cr-1Мо-0,25V-композиции типа 15Х2МФА(А).

Современные процессы глубокой переработки нефти осуществляются при высоких параметрах рабочей среды (рабочая температура до 482°С, парциальное давление водорода до 13,79 МПа) и при температуре наружной стенки до минус 35°С. Типовая расчетная температура составляет 454°С. Для изготовления таких сосудов используется легированная ванадием сталь композиции 2,25Cr-1Mo-0,25V, изготавливаемая в соответствии с требованиями кода ASME секция II. Работоспособность реактора обеспечивается высоким уровнем кратковременной прочности при нормальной и повышенной температурах, длительной прочности и хладостойкости и минимальной степенью охрупчивания в процессе длительной высокотемпературной эксплуатации. Высокий комплекс технологических и эксплуатационных свойств обеспечивается равномерной мелкозернистой структурой отпущенного бейнита с равномерным выделением стабильных мелкодисперсных карбидов. Полная бейнитная прокаливаемость и получение оптимальной мелкодисперсной структуры отпущенного бейнита достигается за счет оптимизации легирования (внутри марочного состава), параметрами ковки и способом термической обработки.

Известен применяемый в настоящее время способ термической обработки крупногабаритных заготовок энергетического машиностроения из стали 15Х2МФА (А), включающий на этапе предварительной термообработки копеж в течение 4 ч при температуре 600-700°С, охлаждение с печью до температуры 250-300°С, нормализацию от температуры 920-970°С с охлаждением на выдвинутой подине до 250-300°С и высокий отпуск при температуре 710-760°С, а на этапе окончательной термообработки - закалку в воде от температуры 990-1010°С и высокий отпуск при температуре 680-720°С. Данный способ направлен на обеспечение удаления водорода, предотвращение трещинообразования, создание однородной мелкозернистой структуры и удовлетворение требований по механическим свойствам применительно к заготовкам энергетического машиностроения. Однако недостатком этого режима является разнозернистость по сечению заготовки и невозможность обеспечения эксплуатационных свойств сосудов глубокой переработки нефти нового поколения - «горячей» прочности при 454°С в состоянии после послесварочных отпусков и стойкости к тепловому охрупчиванию.

Также известен способ термической обработки крупногабаритных заготовок энергетического машиностроения из стали 15Х2НМФА (А, Кл.1), включающий на этапе предварительной термообработки копеж при температуре 600-650°С, охлаждение с печью до температуры 250-300°С, нормализацию от температуры 910-950°С с охлаждением на выдвинутой подине до 250-300°С и высокий отпуск при температуре 640-680°С, а на этапе окончательной термообработки - двойную закалку в воде от температур 950-1000°С и 920-950°С и высокий отпуск при температуре 640-680°С. Данный способ также направлен на обеспечение удаления водорода, предотвращение трещинообразования, создание однородной мелкозернистой структуры металла и обеспечение требований механических свойств применительно к заготовкам энергетического машиностроения. Однако недостатком этого режима также является крупнозернистость и разнозернистость по сечению заготовки и невозможность обеспечения эксплуатационных свойств сосудов глубокой переработки нефти нового поколения.

Прототипом заявляемого изобретения является способ комплексной термической обработки крупногабаритных поковок и заготовок для корпусов реакторов атомных энергетических установок водо-водяного типа, нефтехимических реакторов и другого оборудования из стали Cr-(Ni)-Mo-V композиции (патент РФ на изобретение №2235791 С1, опубликовано 10.09.2004). В способе-прототипе этап предварительной термообработки включает копеж при температуре 620-680°С, что соответствует A_C1-(20÷50°C), охлаждение с печью до температуры 250-300°С, первую аустенизацию при температуре ≈1000°С, что соответствует A_C3+(130÷160°С), далее на стадии охлаждения на выдвинутой подине до 250-300°С изотермическую выдержку при температуре 620-680°С, что соответствует A_C1-(20÷50°C), последующий высокий отпуск при температуре 620-680°С, что соответствует A_C1-(20÷50°С) и охлаждение с печью до 150°С. Этап окончательной термообработки включает вторую аустенизацию при температуре ≈1000°С, что соответствует А_С3+(130÷160°С), охлаждение с печью до температуры 620-680°С, изотермическую выдержку при температуре 620-680°С, что соответствует A_C1-(20÷50°C) в течение 12-20 часов, третью аустенизацию при температуре 950-980°С, что соответствует A_C3+(110÷140°С), закалку в воде с последующим высоким отпуском при температуре 580-590°С, что соответствует A_C1-(110÷120°C). Способ направлен на предотвращение дефектообразования, получение мелкозернистой однородной структуры по сечению поковки, устранение разнозернистости по сечению и высоте поковки, снижение уровня Т_КО и уменьшение сдвига критической температуры хрупкости в результате облучения.

Недостатком этого режима является его длительность и недостаточный уровень отпускоустойчивости металла, обработанного по этому режиму. Требуемые характеристики механических свойств обеспечены после послесварочных отпусков, температура которых не превышает 660°С, а продолжительность - до 22 часов.

Задачей изобретения является обеспечение требуемого комплекса свойств металла после послесварочных отпусков при температуре 695÷725°С продолжительностью до 32 часов. Повышение отпускоустойчивости металла крупногабаритных кованых заготовок для обечаек корпусов нефтехимических реакторов достигается за счет обеспечения равномерной мелкозернистой структуры отпущенного бейнита с равномерным выделением стабильных мелкодисперсных карбидов в теле матрицы.

Заявляемый комплексный режим термообработки поковок и заготовок типа обечаек из хромомолибденованадиевой стали на этапе предварительной термообработки включает копеж при температуре 600-650°С, что соответствует A_C1-(150÷200°C), охлаждение с печью до температуры 250-300°С, аустенизацию при температуре 960-980°С, что соответствует A_C3+(70÷90°С), далее на стадии охлаждения с печью до 250-300°С изотермическую выдержку при температуре 680-730°С, что соответствует A_C1-(70÷120°С), в течение 40 часов, последующий высокий отпуск при температуре 690-710°С, что соответствует A_C1-(90÷110°С), и охлаждение до 400°С. Этап окончательной термообработки включает аустенизацию при температуре 1000-1040°С, что соответствует A_C3+(110÷150°С), охлаждение заготовки в воде и высокий отпуск при температуре 680-740°С, что соответствует A_C1-(60÷120°С), охлаждение на воздухе.

Сущность изобретения заключается в том, что при комплексной термической обработке крупногабаритных поковок и кованых заготовок обечаек корпусов нефтехимических реакторов из хромомолибденованадиевой стали выполняются следующие операции, необходимые для качественных заготовок (таблица I):

- копеж (1) производят при температуре 600-650°С, что соответствует A_C1-(150÷200°С) для реализации превращения аустенита в феррито-перлитную смесь и для эффективного удаления диффузионно-подвижного водорода;

- после переохлаждения до температуры 250-300°С кованую заготовку нагревают до температуры первой аустенизации (2) 960-980°С, что соответствует A_C3+(70÷90°С), с целью рекристаллизации крупно- и разнозернистой структуры, сформировавшейся в процессе ковки, что приводит к измельчению аустенитного зерна и получению однородной структуры;

- на стадии охлаждения с печью до 250-300°С производят изотермическую выдержку (3) при температуре 680-730°С, что соответствует A_C1-(70÷120°C), т.е. температурному интервалу минимальной устойчивости переохлажденного аустенита в перлитной области - в течение 40 часов до полного распада аустенита по диффузионному механизму для подготовки структуры к последующей закалке и для эффективного удаления водорода;

- последующий высокий отпуск (4) производят при температуре 690-710°С, что соответствует A_C1-(90÷110°C), для уменьшения термических напряжений и максимального удаления водорода;

- нагрев до температуры второй аустенизации (5) производят со скоростью 60-100°С/ч для ограничения роста аустенитного зерна;

- вторую аустенизацию (5) производят при температуре 1000-1040°С, что соответствует A_C3+(110÷150°С), с целью наиболее полного растворения карбидной и карбонитридной фаз, повышения бейнитной прокаливаемости для получения равномерной мелкозернистой структуры по сечению поковки и обеспечения высокого уровня прочности после основной термообработки;

- охлаждение в воде после второй аустенизации для получения дисперсной бейнитной структуры по всему сечению заготовки;

- высокий отпуск (6) с охлаждением на воздухе осуществляют при температуре 680-740°С, что соответствует A_C1-(60÷120°C), для выделения стабильных мелкодисперсных карбидов и карбонитридов, что позволяет обеспечить требуемый уровень заданных эксплуатационных свойств в состоянии после длительных дополнительных послесварочных отпусков.

Пример. Обработке по предлагаемому режиму подвергались 24 заготовки кованых обечаек из стали SA-336M F22V наружным диаметром 5230 мм, внутренним диаметром 4550 мм, высотой 2574 мм, толщиной стенки 335-349 мм. Типичный химический состав материала представлен в таблице 2. После основной термообработки пробы заготовок подвергали дополнительному послесварочному отпуску максимальной продолжительности при температуре 705°С в течение 32 часов. Оценивали структуру и механические свойства в середине толщины кованых заготовок (таблица 1).

В результате заявленного способа комплексной термической обработки получена однородная мелкозернистая структура отпущенного бейнита с выделениями стабильных мелкодисперсных карбидов в теле матрицы, размер зерна преимущественно G6-G9 по ASTME 112. Обеспечен уровень предела прочности при нормальной температуре в диапазоне 587÷645 МПа и уровень предела прочности при температуре испытания 454°С в диапазоне 461÷510 МПа в состоянии после основной термической обработки с наложением послесварочного отпуска при температуре 705°С продолжительностью 32 часа.

Преимуществом заявленного способа является:

- обеспечение однородной мелкозернистой структуры отпущенного бейнита с равномерным выделением стабильных мелкодисперсных карбидов;

- обеспечение высокого уровня прочности при нормальной температуре и температуре эксплуатации 454°С в состоянии после послесварочного отпуска максимальной продолжительности.

Таблица 2 Типичный химический состав
Элемент	Содержание, вес.%
Углерод	0,15
Марганец	0,50
Фосфор	0,0045
Сера	0,0030
Кремний	0,10
Никель	0,16
Хром	2,38
Молибден	1,05
Ванадий	0,29
Ниобий	0,02
Бор	0,0020
Титан	0,005
Медь	0,04
Кальций	0,002

Способ комплексной термической обработки крупногабаритных кованых заготовок из хромомолибденованадиевой стали, включающий копеж, первую аустенизацию, изотермическую выдержку на стадии охлаждения до 250-300°С, последующий высокий отпуск, вторую аустенизацию, охлаждение в воде после второй аустенизации, высокий отпуск с охлаждением на воздухе, отличающийся тем, что копеж осуществляют при температуре A_C1-(150÷200°С), первую аустенизацию выполняют при температуре А_C3+(70÷90°С), изотермическую выдержку - при температуре A_C1-(70÷120°C) продолжительностью 40 ч, последующий высокий отпуск - при температуре A_C1-(90÷110°С), нагрев до температуры второй аустенизации - со скоростью нагрева 60-100°С/ч, вторую аустенизацию осуществляют при температуре А_C3+(110÷150°С), а высокий отпуск выполняют при температуре A_C1-(60÷120°C).