大型不銹鋼帶光亮退火馬弗材料研制及應(yīng)用

葉乃威，呂曉兵，孫朝陽

(1.寧波寶新不銹鋼有限公司，浙江 寧波 315807;2.北京科技大學(xué)，北京 100083)

0 前言

某不銹鋼帶光亮退火生產(chǎn)線可處理寬度600～1250 mm，厚度0.2～3.0 mm 的不銹鋼板帶。高質(zhì)量、寬規(guī)格的光亮板一般都通過立式馬弗進(jìn)行退火生產(chǎn)。馬弗內(nèi)部填充100%H2作保護(hù)氣體，外壁由數(shù)十個按照一定規(guī)律排列的燃?xì)鉄旒訜幔擇R弗尺寸為1820 mm ×285000 mm，度量為20 t，其正常工作溫度為1150℃，最高工作溫度可以達(dá)到1200℃。立式馬弗的母體材料為一種鉻鎳鐵高溫合金(如Inconel 601H 合金)，其中鎳含量高達(dá)60%以上，具有極優(yōu)良的抗高溫蠕變性能和持久強(qiáng)度.但由于馬弗的制作要求相當(dāng)苛刻，價格昂貴、制造周期長。這種材料國內(nèi)尚沒有生產(chǎn)和應(yīng)用過，一般都從國外進(jìn)口，同等材料在德國克虜伯公司、荷蘭Thermertec 公司、日本日新公司等都有生產(chǎn)。

1 使用中出現(xiàn)的問題

某不銹鋼公司一種馬弗結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，通過對其實際使用情況進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)多種缺陷，主要表現(xiàn)形式有:馬弗整體縱向呈香蕉狀彎曲;橫截面變形，由整圓截面變?yōu)闄E圓形截面;環(huán)形焊縫發(fā)生裂紋，甚至發(fā)生開裂;近燒嘴處筒壁鼓包;管壁燒穿現(xiàn)象等［1］，如圖2 所示。

圖1 馬弗爐結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of Muffle

由于馬弗多種缺陷的存在，只能進(jìn)行局部減緩報廢的方法進(jìn)行修復(fù)，長期來看也無法進(jìn)行正常生產(chǎn);同時進(jìn)口馬弗的制造周期長，造價高，因而在消化吸收國外馬弗設(shè)計和制造經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，開發(fā)用于不銹鋼帶光亮退火的國內(nèi)替換材料，并制造適用的馬弗應(yīng)用于不銹鋼帶光亮退火爐將有長遠(yuǎn)經(jīng)濟(jì)意義。

圖2 實際生產(chǎn)過程中馬弗的缺陷Fig.2 Main defects of muffle during actual production process

2 馬弗材料的性能要求

2.1 材料性能

本文中進(jìn)口馬弗材料為歐洲某知名鋼鐵公司生產(chǎn)，ASTM 和DIN 兩類標(biāo)準(zhǔn)對該類合金材料在成分、性能等各方面都有詳細(xì)的規(guī)定。

2.1.1 化學(xué)成分

原體樣本分析結(jié)果表明，該公司提供的原料在各方面性能明顯是高于ASTM 標(biāo)準(zhǔn)，如表1 所示，其中有較高的Al 含量加強(qiáng)了它的抗氧化能力。

表1 Inconel 601H 合金的化學(xué)成分Tab.1 Chemical components of Inconel 601H alloy %

2.1.2 常溫機(jī)械性能

取三件樣品進(jìn)行拉伸性能測試，常溫性能也優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定，如表2 所示。

表2 樣本常溫性能與標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Mechanical properties and standards of sample at room temperature %

2.2 高溫蠕變斷裂壽命及蠕變速率

國外公開文獻(xiàn)表明［2］，這種材料也應(yīng)當(dāng)具有優(yōu)良的高溫蠕變斷裂壽命及極低的高溫蠕變速率如圖3、圖4 所示，在技術(shù)措施上要求進(jìn)行1150℃固溶處理。

圖3 1150℃固溶處理Inconel 601H 合金典型高溫蠕變斷裂壽命Fig.3 Inconel 601H alloy typical high-temperature creep life of solid solution treatment for Inconel 601 alloy at 1150℃

圖4 Inconel 601 H 合金蠕變速率Fig.4 Creep rate of Inconel 601H alloy

如圖3 所示，材料的蠕變數(shù)據(jù)不能反映與時間的關(guān)系，因此采用雙曲正弦本構(gòu)模型。

進(jìn)行相關(guān)計算后，所得本構(gòu)參數(shù)如表3所示。

表3 BS* 601 合金雙曲正弦本構(gòu)參數(shù)表Tab.3 Hyperbolic sine constitutive parameters of BS* 601 alloy

3 國內(nèi)馬弗材料的研制

3.1 研制過程

馬弗材料的化學(xué)成分控制是極其重要的，熔煉分析的金屬化學(xué)成分不允許有超過ASTM B880－03 所規(guī)定的成分偏差，嚴(yán)格按照表1 所示限定化學(xué)成分控制。同時必須進(jìn)行固溶處理，平均晶粒度5 級以上。該種材料在國內(nèi)尚沒有相應(yīng)牌號或規(guī)模生產(chǎn)，此次為首次提出，作為具有特征性的一次新產(chǎn)品研制，暫時確定牌號為BS* 601。

材料的常溫機(jī)械性能要求應(yīng)略高于ASTM 所規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行控制，如表4 所示。

表4 BS* 601 合金的室溫拉伸性能Tab.4 Tensile property for BS* 601 alloy at room temperature

3.2 材料性能實驗

3.2.1 高溫條件下的蠕變性能

高溫蠕變實驗選取了3 個溫度點，每個溫度點測出3 個不同應(yīng)力水平的典型蠕變曲線，通過拉伸蠕變實驗，得到合金在1095℃(5.7～7.7 MPa)，980℃(12.4～14.4 MPa)，870℃(20～40 MPa)下的蠕變曲線，如圖5 所示。

圖5 BS* 601 合金高溫蠕變真應(yīng)變－時間曲線Fig.5 Creep true strain vs time for BS* 601 alloy at high temperature

由圖5 可知，BS* 601 合金蠕變曲線表現(xiàn)出明顯的三個階段，蠕變第一階段——減速蠕變階段，蠕變速率逐漸減小;蠕變第二階段——穩(wěn)態(tài)蠕變階段，蠕變曲線趨近線性，蠕變速率最小;蠕變第三階段——加速蠕變階段，蠕變速率逐漸增加。在同一溫度下，應(yīng)力較小時蠕變曲線變化緩慢，蠕變第二階段較長;應(yīng)力增加時，蠕曲線變化加快，蠕變曲線第二階段較短，甚至消失，蠕變曲線由第一階段很快過度到第三階段。

通過線性擬合或本構(gòu)擬合求導(dǎo)可以得到BS* 601 H 合金的隱態(tài)蠕變速率，與參考資料給出的Incone1601 合金材料的高溫蠕變性能進(jìn)行了對比，并對蠕變后的試樣進(jìn)行金相分析。

通過擬合對比，找到適合BS* 601 合金的蠕變本構(gòu)方程

本構(gòu)擬合結(jié)果與實驗測得結(jié)果相差很小，特別是1095℃擬合結(jié)果最好，如表5 所示，相關(guān)系數(shù)大于0.99。

表5 1095℃不同應(yīng)力下本構(gòu)方程參數(shù)Tab.5 Mechanical properties of welded joint made from BS* 601 alloy at room temperature

BS* 601 H 合金的穩(wěn)態(tài)蠕變速率在1095℃時較小，低應(yīng)力下達(dá)到10－6s－1，說明該合金在高溫低應(yīng)力下的蠕變性能較好。不同溫度應(yīng)力下穩(wěn)態(tài)蠕變速率對比顯示，同一蠕變速率，高溫所需的應(yīng)力較小;同一溫度，應(yīng)力高的蠕變速率大。

通過與進(jìn)口馬弗材料Inconel601H 合金進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)BS* 601 合金高溫低應(yīng)力下的穩(wěn)態(tài)蠕變速率與Inconel601H 合金很接近。通過穩(wěn)態(tài)蠕變速率與應(yīng)力的關(guān)系求得蠕變應(yīng)力因子，每個溫度下的應(yīng)力因子都接近5，說明BS* 601 合金的蠕變變形主要是通過位錯攀移。進(jìn)行金相組織觀察分析后，發(fā)現(xiàn)高溫下蠕變后晶粒明顯增大，出現(xiàn)偏析，晶內(nèi)出現(xiàn)攣晶和亞晶界，蠕變主要是位錯攀移控制;蠕變斷裂后，斷裂處附近晶粒變小，碳化物增多，并出現(xiàn)蜂窩狀空洞。

3.2.2 高溫條件下的蠕變持久強(qiáng)度

通過持久拉伸實驗得到國產(chǎn)馬弗材料BS* 601合金的蠕變斷裂壽命圖(圖6)與國外馬弗材料Incomd106 H 蠕變斷裂壽命圖(圖3)對比可以看出，相同條件下國產(chǎn)馬弗材料的持久壽命更長。

從圖6 可以預(yù)測不同應(yīng)力情況下馬弗的壽命，從而可以預(yù)測馬弗實際使用壽命。從應(yīng)力與蠕變斷裂壽命半對數(shù)關(guān)系圖得到不同溫度下的應(yīng)力與蠕變斷裂壽命的方程，1095℃誤差較小，可大致預(yù)測現(xiàn)場馬弗使用壽命。

圖6 BS* 601 合金的持久斷裂壽命圖Fig.6 Fracture life of BS* 601 alloy

3.3 國產(chǎn)馬弗材料焊接性能研究

對國產(chǎn)馬弗合金材料的焊接評定主要內(nèi)容有:國產(chǎn)BS* 601 本身的焊接性能、BS* 601 與進(jìn)口馬弗材料Inconel 601 之間的焊接性能、BS* 601 與使用3 年的馬弗取樣材料之間的焊接性能、BS* 601 材料與安裝法蘭材料(16MnR)之間的焊接性能、BS* 601 與310S 材料焊接性能以及在950℃高溫條件下的焊縫強(qiáng)度測試。

3.3.1 焊接接頭室溫性能分析

試驗結(jié)果表明，BS* 601 板材同種材料焊接，以及BS* 601 板材與310S 不銹鋼、16MnR碳鋼異種合金焊接接頭焊縫成形良好，無表面缺陷。

BS* 601 板材焊接評定接頭室溫力學(xué)檢測結(jié)果如表6 所示。BS* 601 同種材料焊接接頭具有最高抗拉強(qiáng)度，焊縫及熱影響區(qū)沖擊韌性較好。

表6 BS* 601 板材焊接接頭室溫力學(xué)性能Tab.6 Mechanical properties of welded joint of BS* 601 plate at room temperature

作為對標(biāo)分析的進(jìn)口Inconel 601H 板材焊接接頭室溫抗拉強(qiáng)度檢測結(jié)果如表7 所示，其室溫抗拉強(qiáng)度與國產(chǎn)BS* 601 板材焊接接頭室溫強(qiáng)度(表6)接近，略高于國產(chǎn)BS* 601 板材。

表7 進(jìn)口Inconel601H 板材焊接接頭室溫力學(xué)性能Tab.7 High-temperature mechanical properties of welded joint Inconel 601H alloy obroad

3.3.2 焊接接頭高溫性能分析

針對BS* 601 合金高溫使用情況，進(jìn)行了焊接接頭高溫性能檢測，試驗溫度950℃，試驗結(jié)果如表8 所示。

表8 國產(chǎn)BS* 601 板材焊接接頭高溫力學(xué)性能Tab.8 High temperature mechanical properties of welded joint of home-made BS* 601

3.3.3 焊接結(jié)果評定

根據(jù)BS* 601 合金板材同種合金、異種合金焊接評定試驗結(jié)果，通過對焊接接頭宏觀組織形貌、微觀組織特征、硬度分布特征、常溫力學(xué)性能、高溫力學(xué)性能的研究可以得出以下結(jié)論:

(1)國產(chǎn)BS* 601 合金具有良好的可焊性;板材焊縫常溫抗拉強(qiáng)度與母材強(qiáng)度接近，并與進(jìn)口Inconel 601H 合金板材焊接接頭常溫強(qiáng)度相當(dāng);

(2)國產(chǎn)BS* 601 合金板材焊接接頭950℃高溫抗拉強(qiáng)度與美國SMC 公司產(chǎn)品手冊中提供的母材高溫強(qiáng)度相當(dāng)，焊接接頭能夠達(dá)到高溫條件下的等強(qiáng)匹配。

4 結(jié)論

國產(chǎn)馬弗材料BS* 601 常溫條件下機(jī)械性能滿足ASTM B168－08 并與國外同類產(chǎn)品實物水平相當(dāng)，同時也達(dá)到了研制技術(shù)要求。BS* 601合金高溫(1095℃)低應(yīng)力下的穩(wěn)態(tài)蠕變速率與文獻(xiàn)提供的Inconel601H 合金很接近，但略微偏大。與國外馬弗材料蠕變斷裂壽命圖對比可以看出，相同條件下國產(chǎn)馬弗材料的材料及馬弗蠕變斷裂壽命更長。

該特種材料的研制成功代表著馬弗材料及馬弗國產(chǎn)化的可能性完全實現(xiàn);同時就性能而言，國產(chǎn)馬弗材料應(yīng)用于該光亮退火爐基本不存在風(fēng)險。

［1］葉乃威，楊安，孫朝陽.不銹鋼帶鋼光亮退火馬弗缺陷分析及修復(fù)［J］.冶金設(shè)備，2010，(1):40－45.

［2］冶軍.美國鎳基高溫合金［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1978.