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锅炉和过热器用无缝钢管带状组织成因及消除

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研究了锅炉和过热器用低、中碳合金钢无缝钢管带状组织形成原因。研究结果表明,带状组织形成主要是轧制工艺温度不当引起的。经过进一步试验研究分析原因,提出工艺改进和正火热处理消除带状组织的新工艺。关键词:锅炉和过热器,带状组织,火热处理,轧制工艺

  1. 概述低、中碳钢中的带状组织是指沿钢材轧制方向形成的,以先共析铁素体为主的带与以珠光体为主的带彼此堆叠而形成的组织形态,金属材料在冶炼浇注后绝大部分要经过压力加工

方可成为型材 ,但是,热轧加工后的材料容易得到沿着变形方向珠光体和铁素体呈带状分布的组织[7-3]。带状组织形成的原因归纳起来大致有 2种:

  • ① 由于成分偏析引起的带状组织。钢种除碳以外的合金元素和磷等有害杂质的在压延时,杂质沿压延方向伸长。当钢材冷至 Ar3以下时,这些杂质就成为铁素体的核心使铁素体形态呈带状分布,随后珠光体也呈带状分布。由于成分偏析而形成的带状组织很难用热处理的方法消除。

  • ②由于热加工温度不当引起的带状组织,即热加工停锻或热轧温度在二相区时( Ar1和 Ar3之间),铁素体沿着金属流动方向从奥氏体中呈带状析出珠光体,这种组织可以通过正火或退火加以消除。

20G15CrMo12Cr1Mo及 SA-210系列钢为低合金耐热钢,属于易出现带状组织的钢种。作为高压锅炉管和过滤器用钢时对其带状组织有限制 ,苏联 TY14-3-460-75中规定这几种钢管中的带状组织不得超过 3级。我国高压锅炉管和过滤器管标准 GB5310-85中未提及带状组织 [4],但我国各大锅炉厂一般采用带状组织不超过 3级做为定货标准。

2. 高压锅炉管理化检验检验所用钢管为两种工艺制备而成。一是管坯经热轧 ---再加热炉---张减---成品工艺,另

一种是管坯经 PQF连轧---旁通---张减---成品工艺。两种工艺制备的钢管最终规格均为 Φ76mm×9mm,炉号分别为 052480和 053012

2.1材料成分分析

对炉号为 052480 05301,钢种为 ASME SA-210C(美标)的钢管进行化学成分分析,其结果如表 1所示。

表-1.png

2.2钢管的常规力学、工艺性能检验

对不同制备工艺的 SA210-C钢管进行纵向力学性能检验和工艺性能检验,结果见表 2。从表 2可以看出,经两种不同制备工艺的钢管常规力学、工艺性能均满足 ASME SA-210标准要求,二者无明显差别。

表-2.png

2.3带状组织观察试样取于不同轧制工艺的钢管 (炉号分别为 052480 05301)和钢管的不同部位。将钢管纵向切片,制成金相试样,沿着轧制方向磨光,抛光,硫酸酒精浸蚀,观察带状组织,按照国标 GB13299-91进行评定级别 ,之后选择部分试样进行微观组织拍照。图 1-3为经轧制工艺一,炉号为 082480的带状组织。可见,铁素体、珠光体呈现带状分布,并且钢管从外到内带状组织依次加重。内壁最严重,评定级别为 4级,外壁最轻,评定级别为 1级。图 4为经轧制工艺二,炉号为 053012的带状组织,其带状不明显,内壁带状组织的评定级别为 1级,中部和外壁未发现有带状组织。经两种轧制工艺所产生的带状组织检验结果如表 3所示。
表-3.png
图 1钢管外壁 F+P组织形貌 100×图 2钢管中部带状组织形貌 100× Fig.1 Microstructure of steel tube external Fig.2 Band structure of steel tube middle
图1-2.png图3-4.png

2.4带状组织消除工艺试验对经两种制备工艺生产的具有带状组织的钢管进行正火处理。正火温度910oC,保温 30

分钟。正火处理后取样做金相检验 ,结果见图 5-6。从图 5-6可以看出,经正火处理后,带状组织消失,呈均匀细小的等轴晶。

图5-6.png

图 5钢管外中内部无带状组织 100×图 6钢管外中内部无带状组织形 100× Fig.5 Microstructure of steel tube Fig.6 Microstructure of steel tube

3.结果分析

    1. 1通过以上不同轧制工艺生产的 SA-210C高压锅炉管带状组织分析可知 ,经再加热炉处理工艺生产的钢管带状组织比旁通工艺生产的钢管带状组织严重 ,在钢管内部前者比后者平均要高 23级。但按两种工艺生产的钢管的常规(纵向)性能无明显差异。据资料研究 [5-7],由于带状组织相邻带的显微组织不用 ,它们的横 /纵向机械性能有明显差异 ,在外力作用下强弱带之间会产生应力集中,因而造成总体力学性能的降低,并且有明显的各项异性。从表 3可以看出,两种轧制工艺所制备的钢管的力学、工艺性能虽满足标准要求 ,但由于钢管个别

    2. 部位带状组织严重 ,造成该部位冲击功已接近标准下限 ,在长时使用环境中,带状组织易成为微裂纹源,造成爆管 [8]

    3. 2为了探求形成带状组织的真正原因,对经再加热炉处理的钢管进行恢复热处理工艺试验,正火温度910,保温 30分钟后空冷。试验结果由图 56可见,带状组织完全消除,得到均匀细小的 F+P组织。通过试验证明正火可消除带状组织,说明该带状组织是再加热炉温度设置不合理造成的,而不是因为化学成分偏析引起的。由于再加热炉温度设置不合理,张减使钢管在两相区 (Ar1Ar3)轧制,铁素体沿着金属流动方向从奥氏体中呈带状析出,尚未分解的奥氏体被分割成带状,当冷却到 Ar1时,带状奥氏体转化为珠光体,这种组织可通过正火或退火的方法消除。

    4. 4结论

  1. 1两种工艺生产的钢管有严重的带状组织,是由于终轧温度低于 Ar3,而又没有进行轧后热处理造成的,可以通过 910oC正火热处理工艺消除带状组织。

  2. 2严重带状组织的钢管常温力学性能呈明显的各向异性,对具有带状组织的钢管常规力学等检验,结果仍符合产品标准要求,可以安全运行,但仍需加强监督管理。

  3. 3为节约生产成本,优化生产工艺,可采取控轧技术,来抑制带状组织的产生 ,但要严格控制终轧温度和冷却速度 [9][10],以代替正火处理。

  4. 4为防止有异常组织钢管出厂,避免造成不必要的事故,应严格检验,在产品制造工艺文件中明确显微组织检验标准等相关条款。

参考文献

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  • [2]柳得橹,邵伟然,孙贤文,等 .钢的表面带状组织及其引起的冷弯裂纹[J].北京科技大学学报 .2005271

  • [3]Offerman S E,Van D N,Rekveldt M T, etal.Ferrite/pearlite band formation in hot rolled medium carbon steel[J].Mater Sci-Technol.2002,18(6):297

  • [4]张立民,赵占军. 12Cr1Mo钢管带状组织的产生与消除 .钢管[J].1996(2)

  • [5]刘云旭.低碳合金钢中带壮组织的成因、危害和消除 [J].金属热处理 .2002(12)

  • [6]孙贤文,霍向东,柳得橹,等 .控制冷却速度对 CSP低碳锰钢组织和性能的影响 .北京科技大学学报[J].2004263):268

  • [7]Feng guanghong.Effect of Accelerated Cooling Process After Large Reduction In Nonrecrystallization Zone on Bandad Structure of Steel Plate .Journal of Iron And Steel Research[J].1999,11(6):1417

  • [8]李宏强,徐晶,张国玲.水冷壁上联箱至汽包联络管爆裂原因分析 [J].东北电力技术.20043

  • [9]范建文,谢瑞萍,张维旭,.普通C-Mn钢超细晶中厚板的带状组织 .钢铁[J].2004,39(8)

  • [10]THOMPON MFERRY MMANOHAR P A. Simulation of hot-band microstructure of C -Mn steels during high speed coolingJ.ISIJ.200141891-899

Reason of Formation and Removal of Band Structure in Boiler and Filer Seamless Steel Tube

Zhao Qingquan1,2, Xiao Gongye1, Yang Ruicheng2, Wang Guoliang1.State Key Lab of Gansu Advanced Non-ferrous Metal Materials, Lanzhou Univ. of Tech , Lanzhou , China (730050) 2. Tianjin Steel Pipe Co., Ltd., technology center, Tianjin, China (300301)

Abstract

Experimental studies on reason of formation and removal means of band structure in boiler and filter seamless steel tube and low carbon alloy seamless steel tube are discussed in this paper. The results show that the formation of band structure is not the composition segregation of steel, but the error of rolling temperature. Through study and analysis, a new process, which can remove band structure by recovered heat treatment, has been raised. Keywords: boiler and filter tube; band structure; recovered heat treatment; rolling process;


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